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Notes de Cours de Transfert Thermique Ayadi Mahfoudh & Houda Oukabi 1 Universit

Notes de Cours de Transfert Thermique Ayadi Mahfoudh & Houda Oukabi 1 Université de Carthage Ecole Nationale d’Ingénieurs de Bizerte AU : 20/21 Chapitre 4 INTRODUCTION AUX ECHANGEURS DE CHALEUR 1. Généralités 1.1 Définitions Un échangeur de chaleur est un système qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid à travers une paroi sans contact direct entre les deux fluides. Exemples : radiateur d’automobile, évaporateur de climatiseur, condenseur Les deux fluides échangent de la chaleur à travers une paroi d’où le nom de l’appareil. Le principal problème consiste à définir une surface d’échange suffisante entre les deux fluides pour transférer la quantité de chaleur nécessaire dans une configuration donnée. On vient de le dire, la quantité de chaleur transférée dépend de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètres ce qui rend une étude précise de ces appareils assez complexe. Les flux de chaleurs transférés entre les deux fluides dépendent :  des températures d’entrée,  des caractéristiques thermiques des deux fluides (masses volumiques, chaleurs spécifiques, conductivités thermique)  des coefficients d’échange par convection.  des surfaces d’échange Dans les calculs des échangeurs, les pertes par rayonnement sont négligées. La quantité de chaleur transmise par le fluide chaud correspond à celle reçue par le fluide froid. Cependant, un échange de chaleur efficace ne peut avoir lieu qu'avec une différence de température suffisante. Plus grande sera cette différence de température entre fluides, plus faible sera la surface d'échange et plus compacte sera l'échangeur. La performance du transfert thermique d'un échangeur de chaleur est le produit de la moyenne de la différence de température logarithmique, la surface d'échange et le coefficient de transfert thermique. Le coefficient de transfert thermique dépend principalement des caractéristiques du fluide, ce qui le lie aux caractéristiques de conception de l'échangeur. D'autre part, le fabricant d'échangeurs doit avoir une bonne connaissance des propriétés thermodynamiques de fluides utilisés, en fonction de leurs pressions et températures et de l'application considérée. Ceci inclut également les facteurs d'encrassement et la compatibilité chimique entre les matériaux et les fluides. 1.2 Technologie des échangeurs de chaleur 1.2.1 Echangeurs à tubes et calandres C’est de loin le type d’échangeur le plus répandu mais la part qu’il représente ne cesse de diminuer au profit de configurations plus efficaces. Dans ce type d’échangeurs, l’un des fluides circule dans un réservoir autour de tubes qui le traversent tandis que l’autre fluide circule à l’intérieur des tubes. Le modèle le plus simple sera constitué d’un réservoir dans lequel sera plongé un serpentin. Le modèle le plus courant est constitué d’un faisceau de tubes traversant un réservoir de manière longitudinale. On parle alors d’échangeur multitubulaire. Notes de Cours de Transfert Thermique Ayadi Mahfoudh & Houda Oukabi 2 Université de Carthage Ecole Nationale d’Ingénieurs de Bizerte AU : 20/21 Des parois bien placées permettent de forcer la circulation du fluide à travers les tubes de manière à ce qu’il effectue un ou même plusieurs allers-retours. 1.2.2 Echangeurs tubulaires coaxiaux Dans cette configuration, l’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes (figure 4.1). On distingue deux types de fonctionnement selon que les 2 fluides circulent dans le même sens ou en sens contraire. Dans le premier cas on parle de configuration en co-courant (parfois appelé à tort en parallèle). Dans le deuxième cas, on parle de configuration en contre-courant. On trouve assez souvent ce type d’échangeurs dans l’industrie frigorifique en particulier pour les condenseurs à eau ou encore les groupes de production d’eau glacée. 1. Calandre 2. Connexions 3. Fond 4. Faisceau de tubes 5. Boîtes de distribution 6. Chicanes 7. Joints Figure 4.1 : Echangeurs tubulaires 1.2.3 Echangeurs à courants croisés Dans ce type d’échangeurs, l’un des fluides circule dans une série de tubes tandis que l’autre fluide circule perpendiculairement autour des tubes (figure 4.2). Dans la plupart des cas, c’est un liquide qui circule dans les tubes tandis que c’est un gaz qui circule autour. Les tubes sont presque toujours munis d’ailettes qui permettent d’augmenter le flux de chaleur échangée en augmentant la surface d’échange. L’exemple type de ce modèle d’échangeur est le radiateur de refroidissement qu’on trouve à l’avant de la plupart des véhicules à moteur. Notes de Cours de Transfert Thermique Ayadi Mahfoudh & Houda Oukabi 3 Université de Carthage Ecole Nationale d’Ingénieurs de Bizerte AU : 20/21 Figure 4.2 : Echangeurs à courant croisés (radiateurs) 1.2.4 Echangeurs à plaques Les échangeurs à plaques sont constitués de plaques formées dont les alvéoles constituent les chemins empruntés par les fluides. Les plaques sont assemblées de façon que le fluide puisse circuler entre elles (figure 4.3 et 4.4). La distribution des fluides entre les plaques est assurée par un jeu de joints de telle sorte que chacun des deux fluides soit envoyé alternativement entre deux espaces inter-plaques successifs. Les fluides peuvent ainsi échanger de la chaleur à travers les plaques. La figure 4 illustre le fonctionnement d’un tel échangeur. Figure 4.3 : Echangeur à plaques et éléments d’assemblage L'échangeur à plaques connaît un usage croissant dans l'industrie. Les plaques sont disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d'un petit espace (quelques millimètres) où circulent les fluides ; leurs périmètres sont bordés de joints qui permettent, par compression de la structure, d'éviter les fuites. Les plaques ne sont pas nécessairement plates, mais possèdent une surface ondulée selon un schéma bien précis afin de créer un flux turbulent synonyme d'un meilleur transfert de Notes de Cours de Transfert Thermique Ayadi Mahfoudh & Houda Oukabi 4 Université de Carthage Ecole Nationale d’Ingénieurs de Bizerte AU : 20/21 chaleur, mais permet également de canaliser les fluides se déplaçant à la surface vers les coins de la plaque. Le fluide se déplace, par exemple, du coin inférieur gauche vers le coin supérieur droit de la plaque, où un orifice lié à un tuyau lui permet de passer de l'autre côté de la plaque et de sauter une couche du millefeuille (un espace entre 2 plaques) avant de s'écouler à nouveau le long de la plaque suivante. Ainsi chaque fluide ne circule parallèlement à une plaque que tous les 2 espaces. L'avantage de ce type d'échangeur est sa simplicité qui en fait un échangeur peu coûteux et facilement adaptable par ajout/retrait de plaques afin d'augmenter/réduire la surface d'échange en fonction des besoins (Attention : la surface ne peut être augmentée de manière infinie à cause de la perte de charge). La surface en contact avec l'extérieur est réduite au minimum, ce qui permet de limiter les pertes thermiques et l'étroitesse de l'espace où circulent les fluides ainsi que le profil des plaques assurent un flux turbulent qui permet un excellent transfert de chaleur. Toutefois ces derniers paramètres entraînent une importante perte de charge qui limite le nombre de passage des fluides entre les plaques. Cette perte de charge ne peut être compensée par une pression d'entrée des fluides élevée (<2.5 MPa) car une trop grande pression causerait des fuites au travers des joints placés entre les plaques. La différence de températures entre les 2 fluides ne doit pas être trop grande également pour éviter une déformation des plaques par dilatation/contraction de ces dernières qui empêcherait les joints entre les plaques d'être parfaitement étanches. La turbulence permet de réduire l'encrassement de la surface d'échange de 10-25 % par rapport à un échangeur à faisceau tubulaire. Comparativement à un échangeur à faisceau tubulaire la surface d'échange est inférieure de 50 % pour le même transfert de chaleur Figure 4.4 : Modèles d’échangeurs à plaques 1.2.5 Echangeurs à serpentins La figure 4.5présentent deux modèles d’échangeur à serpentin utilisés pour la production d’eau chaude sanitaire. Souvent, c’est le fluide chaud circulant dans le serpentin qui assure le transport de l’énergie thermique, provenant d’un capteur de chaleur. Le serpentin est totalement immergé dans le fluide froid. Notes de Cours de Transfert Thermique Ayadi Mahfoudh & Houda Oukabi 5 Université de Carthage Ecole Nationale d’Ingénieurs de Bizerte AU : 20/21 Certains constructeurs utilisent les échangeurs de chaleur à serpentin comme condenseurs ou refroidisseurs. Les échangeurs à serpentins ont également utilisables de manière générale pour la transmission de chaleur entre des liquides et des gaz. Un écoulement turbulent est systématiquement garantis, même pour les gros diamètres nominaux, car les serpentins sont agencés de manière décalée et remplissent largement la section d'écoulement. Les informations sur les pertes de charge dans les serpentins ainsi que les caractéristiques de puissance pour l’estimation de la surface nécessaire à l’échange sont généralement fournis par le constructeur. Figure 4.5: échangeurs à serpentins 1.3 Classification et domaines d’application 1.3.1 Classification des échangeurs Une classification peut être établie d'après le sens relatif des écoulements des deux fluides. On distingue donc :  les échangeurs à courants parallèles ou échangeur anti-méthodique. les deux fluides s’écoulent suivant des directions parallèles et dans le même sens.  les échangeurs à contre-courant ou échangeur méthodique : les deux fluides s’écoulent suivant des directions parallèles mais en sens contraires. uploads/Finance/ chapitre-4-transfert-thermique.pdf