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Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur. Université de M’si

Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur. Université de M’sila Année universitaire 2016/2017 Département de Génie Mécanique Année d’étude 2 ème Année Master Option : Energétique chapitre 1 : Classification des échangeurs de chaleur. Dans les sociétés industrielles, l’échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l’énergie. Une grande part (90 %) de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, aussi bien dans les procédés eux-mêmes que dans les systèmes de récupération de l’énergie thermique de ces procédés. On les utilise principalement dans les secteurs de l’industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire, production d’énergie, etc.), du transport (automobile, aéronautique), mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, etc.). Le choix d’un échangeur de chaleur, pour une application donnée, dépend de nombreux paramètres : domaine de température et de pression des fluides, propriétés physiques et agressivité de ces fluides, maintenance et encombrement. Il est évident que le fait de disposer d’un échangeur bien adapté, bien dimensionné, bien réalisé et bien utilisé permet un gain de rendement et d’énergie des procédés. Ils constituent donc un des dispositifs clé du thermicien, et sont un composant quasi inévitable dans la maîtrise de l’énergie. Compte-tenu de leurs multiples utilisations, les difficultés rencontrées par les utilisateurs d’échangeurs de chaleur sont diverses et variées. 1. Définition d’un échangeur de chaleur Un échangeur de chaleur est un dispositif utilisé pour le transfert d’énergie (enthalpie) entre deux fluides ou plus, entre une surface solide et un fluide ou entre des particules solides et un fluide à des températures différentes et en contact thermique. Dans les échangeurs de chaleur, il n y’a pas de chaleur externe ou travail d’interactions. Dans quelques échangeurs de chaleur, les fluides échangent de la chaleur sont en contact direct et dans la plupart des échangeurs de chaleur, le transfert de chaleur entre les fluides se produit à travers une parois ( surface) de séparation. Remarque ; Les fluides peuvent conserver leur état physique (liquide ou gazeux) ou se présenter successivement sous les deux phases : c’est le cas des condenseurs, évaporateurs, bouilleurs, ou des tours de refroidissement. Si aucun changement de phase ne se produit dans les fluides de l’échangeur, il est quelque fois référé à un échangeur de chaleur sensible. Le transfert de chaleur dans les murs de séparation se produit généralement par conduction. Cependant, dans le tube chaud dans l’échangeur de chaleur, le tube chaud ne joue pas le rôle de mur de séparation, mais aussi facilite le transfert de chaleur par condensation, évaporation et conduction du fluide dans le tube chaud. Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur. En générale, si les fluides sont non mixibles, le mur de séparation peut être éliminé et l’interface entre les fluides remplace la surface de transfert de chaleur comme dans l’échangeur de chaleur à contact direct. La surface de l’échangeur de chaleur est une surface de l’échangeur central qui est en contact direct avec les fluides et à travers laquelle la chaleur se transmet par conduction. Cette surface est appelée primaire où surface direct. Pour augmenter le transfert de chaleur des surfaces annexes doivent être intimement connectées à la surface primaire ou direct. Ces éléments de surface étendue sont appelés ailettes. Ainsi la chaleur est transférée par conduction à travers l’ailette et elle est ensuite transférée par rayonnement ou par convection à partir de l’ailette (au fluide voisin) ou l’inverse ça dépend de l’ailette est chaude ou froide. Comme résultat l’ajout des ailettes à la surface primaire réduit la résistance thermique et ainsi on augmente le transfert de chaleur à partir de la surface avec la même différence de température. 2. Classification des échangeurs de chaleur : De nombreuses applications nécessitent l’utilisation d’un échangeur, ils peuvent être utilisés dans l’industrie pétrolière, transportation, conditionnement d’air, réfrigération, cryogénie, etc. On peut classer les échangeurs de chaleur de plusieurs manières (comme le montre la figure1.1) suivante :  • Procédé de transfert ;  Type de construction ;•  • Degré de compacité de surface ;  • Arrangement des écoulements ;  • Nombre de fluide;  • Phase du fluide de procédé ;  • Mécanisme de transfert de chaleur. 2.1. Classification selon leurs procédés de transfert thermique Selon leurs procédés de transfert, les échangeurs de chaleur sont classés en deux types: à contact direct et à contact indirect. 2.1.1 Échangeurs à contact direct : Le type le plus simple comprend un récipient (ou canalisation) dans lequel les deux fluides sont directement mélangés et atteignent la même température finale. Exemples : - les réchauffeurs d'eau (injection de vapeur d'eau sous pression). - les dé réchauffeurs industriels et les condenseurs à injection (centrale thermique). 2.1.2 Échangeurs à contact indirect : En principe, pour les échangeurs les plus répondus dans l'industrie, les deux fluides, désignés par 1 et 2, s'écoulent dans des espaces séparés par une paroi ou cloison, à faible inertie thermique. La chaleur que le fluide 1 cède à la paroi, par convection le long de la surface de Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur. contact, traverse l'épaisseur de la paroi par conduction et est cédé au fluide 2 par convection le long de l'autre face. Les processus de transfert présentent une réciprocité:convection (1) conduction (paroi), convection (2).le flux de chaleur échangé s'exprime par le produit d'une conductance globale constante le long de l’échangeur, et de la différence entre les températures moyennes T1et T2 des fluides. Figure 1.2 : Classification des échangeurs de chaleur selon le processus du transfert thermique. Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur. Figure 1.1 : Classification des échangeurs de chaleur. Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur. 2.2. Classification selon le nombre de fluides utilisés La plupart des processus se chauffage, de refroidissement, récupération de la chaleur et rejection de la chaleur implique le transfert de chaleur entre deux fluides, en conséquence les échanges de chaleur à deux fluides sont les plus connus. La classification des échangeurs de chaleur suivant le nombre de fluide est illustrée sur la figure 1.3. Les échangeurs de chaleur à trois fluides sont généralement utilisés dans la cryogénie et dans quelques processus chimiques (système de séparation de l’air, liquéfaction et la purification de l’hydrogène, synthèse du gaz d’ammoniac). Des échangeurs de chaleur avec plusieurs fluides comme 12 courants fluides ont été utilisés dans quelque application des processus chimiques. Figure 1.3 : Classification des échangeurs de chaleur suivant le nombre de fluides utilisés. 2.3. Classification selon le mode de transfert de chaleur : Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.) ; il y a souvent un mode de transfert prédominant. Pour tout échangeur avec transfert de chaleur à travers une paroi, la conduction intervient. La classification des échangeurs de chaleur suivant le mode de transfert de chaleur est illustrée sur la figure 1.4. Figure 1.4 : Classification des échangeurs de chaleur suivant le mode de transfert de chaleur. Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur. 2.4. Classification selon le Classement technologique Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants :  à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires ;  à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire ;  à autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé. 2.5. Classification selon la nature du matériau de la paroi d’échange On retiendra deux types de paroi :  les échangeurs métalliques en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires ;  les échangeurs non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc. 2.6. Classification selon le sens d’écoulement : Suivant cette distribution les échangeurs peuvent être classés en deux classes ; les échangeurs à simple passe et les échangeurs à multi passes comme le montre la figure 1.5. Figure 1.5: classification des échangeurs de chaleur suivant le sens d’écoulement. 2.6.1 Les échangeurs de chaleur à simple passe : On peut distinguer plusieurs modes d’écoulement différents. Cours : Calcul et dimensionnement des échangeurs de chaleur.  Ecoulement des deux fluides parallèles et de même sens (ou à co-courant): Il s’agit d’échangeurs dits à co-courants où la température de fluide froid ne peut pas être supérieure à la température de sortie du fluide chaud. Les températures des fluides évoluent pendant leur traversée longitudinale de l’échangeur, à moins que l’un des fluides ne subisse un changement de phase, auquel cas sa température reste constante. La Figure I.6 donne l’évolution qualitative de ces températures le long d’un échangeur tubulaire à co-courants très simple. La longueur de l’échangeur a été portée en abscisse et les températures sont repérées à l’aide d’indices e signifiant entrée et s sortie, 1 désignant le fluide chaud et 2 le fluide froid. Figure 1.6 : Echangeur de chaleur à double tube à co-courant. La distribution de température dans ce type d’échangeur est illustrée sur la figure 1.7. Figure 1.7: Evolution qualitative uploads/Finance/ chapitre-1-classification-des-echangeurs-de-chaleur-pdf.pdf