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Préparé par : Enseignante A.TRABELSI Chapitre II : Description des appareils d’

Préparé par : Enseignante A.TRABELSI Chapitre II : Description des appareils d’échange de chaleur sans changement de Phase II.1. Introduction Les procédés utilisés au niveau de l’industrie, notamment l’industrie du raffinage des produits pétroliers demandent souvent que les fluides traités soient réchauffés ou refroidis, avec ou sans changement de phase, au cours des diverses opérations auxquelles ils sont soumis. De ce fait, pour assurer cette fonction de chauffage ou de refroidissement, il est indispensable d’utiliser des équipements thermiques, appelés les échangeurs de chaleur. Ces appareillages sont des éléments essentiels et omniprésents dans toute installation industrielle. Les échangeurs de chaleur permettent de maitriser toute politique d’énergie. 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. II.2. Définition d’un échangeur de chaleur Les échangeurs de chaleur sont des dispositifs qui facilitent l’échange de chaleur entre deux fluides de températures différentes, tout en les empêchant de se mélanger. Les échangeurs de chaleur sont couramment utilisés dans la pratique dans un large éventail d'applications, allant des systèmes de chauffage et de climatisation dans les ménages au traitement chimique en passant par la production d'électricité dans les grandes installations. Les échangeurs de chaleur diffèrent des chambres de mélange en ce qu'ils ne permettent pas aux deux fluides impliqués de se mélanger. Exemples : radiateur d’automobile, évaporateur de climatiseur, ...etc. D’une manière générale, c’est un dispositif permettant de transférer de l’énergie thermique entre deux fluides, habituellement séparés par une paroi solide. Préparé par : Enseignante A.TRABELSI II.3. Critères de classement des échangeurs de chaleur Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs, les principaux sont les suivants : o Selon le type de contact Dans cette classification, on distingue deux configurations :  Échangeurs à contact direct Le type le plus simple comprend un récipient ou canalisation dans lequel les deux fluides sont directement mélangés et atteignent presque la même température finale.  Échangeurs à contact indirect Dans ce cas, les deux fluides s'écoulent à l’intérieur de l’échangeur dans des espaces séparés par une paroi, le plus souvent métallique. o Selon le type d’échange On distingue les échangeurs de chaleur monophasiques et biphasiques :  Échangeur sans changement de phase Les échangeurs de chaleur sans changement de phase correspondent aux échangeurs dans lesquels l'un des deux fluides se refroidit pour réchauffer le deuxième fluide sans qu'il y ait un changement de phase. Les températures des fluides sont donc variables, tout le long de l'échangeur.  Échangeur avec changement de phase Les échanges avec changement de phase sont caractérisés par trois cas différents : 1. L’un des deux fluides se condense alors que l'autre se vaporise : ces échangeurs sont rencontrés dans les machines frigorifiques. 2. Le fluide secondaire se vaporise en recevant de la chaleur du fluide primaire, lequel ne subit pas de changement d'état. Ils sont appelés évaporateurs. 3. Le fluide primaire se condense en cédant sa chaleur latente au fluide secondaire plus froid, lequel ne subit pas de transformation d'état. o Selon la disposition des écoulements Ce classement est réalisé à partir de la géométrie de l'échangeur et du sens relatif des écoulements des deux fluides (froid et chaud). Dans ce qui suit, on représente uniquement les circulations des fluides les plus souvent rencontrés : Préparé par : Enseignante A.TRABELSI  Même sens « écoulement co-courant » Dans ce cas, les deux fluides froid et chaud circulent parallèlement dans le même sens. La figure (II.1) représente le profil de température pour les deux fluides en fonction de la longueur de l'échangeur. Dans le cas où l'écoulement est parallèle, on dit aussi : fonctionnement anti-méthodique ou co- courant. Figure II.1: Gauche : Profil de température dans un échangeur (co-courant) Droite : Le sens de l’écoulement dans un échangeur co-courant  Sens contraire « contre-courant » Dans ce cas, les deux fluides froid et chaud circulent parallèlement, mais dans le sens contraire. La température de sortie du fluide froid peut dépasser la température de sortie du fluide chaud. Cette disposition est l’une des plus favorables pour augmenter l’échange thermique. La figure (II.2) représente le profil de température pour les deux fluides froid et chaud en fonction de la longueur de l'échangeur. Dans le cas où l'écoulement est à contre-courant, on dit aussi écoulement méthodique. Figure II.2: Gauche : Profil de température dans un échangeur (contre-courant) Droite : Le sens de l’écoulement dans un échangeur contre-courant  Sens perpendiculaire « courant-croisé » Il y a également un cas où les sens de l’écoulement sont perpendiculaires l’un à l’autre, il s’agit de la configuration à courant croisé. Préparé par : Enseignante A.TRABELSI L’écoulement des deux fluides se fait d’une façon perpendiculaire l’un à l’autre (figure II.3). Le fluide non brassé circule dans les conduites : c’est celui dont la veine est divisée entre plusieurs canaux parallèles distincts et de faible section. L’autre fluide circule librement entre les veines et peut être considéré comme partiellement brassé, du fait des tourbillons générés par les tubes. Le brassage a pour effet d’homogénéiser les températures dans les sections droites de la veine fluide. Sans cela, les températures varient non seulement avec la direction de l’écoulement, mais aussi dans la section de la veine. Figure II.3: Représentation du sens d’écoulement dans un échangeur à courant croisé o Selon la nature du matériau de la paroi d’échange On distingue deux types des échangeurs selon la paroi des tubes :  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. o Selon la compacité de l’échangeur La compacité est définie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur. R.K. Shah a proposé qu’un échangeur soit considéré comme compact si sa compacité est supérieure à 700 ; cette valeur est susceptible de varier de 500 à 800 m2/m3. o Selon le type de conception Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants : — à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires; — à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire; II.4. Différents types des échangeurs de chaleur Les échangeurs de chaleur sont très importants dans le domaine notamment de génie des procédés, on les utilise à chaque fois que l’on veut varier la température pour avoir du Préparé par : Enseignante A.TRABELSI chauffage, du préchauffage, du refroidissement, de l’évaporation, la récupération de l’énergie…etc. Dans la pratique, il y a plusieurs types d’échangeurs, on peut les classer de la manière suivante : Echangeurs à contact direct, Echangeurs discontinus ou les régénérateurs, Echangeurs à surface directe. Nous ne considérons ici que les échangeurs à fluides séparés, où le transfert de chaleur s’effectue à travers une paroi matérielle, ce qui exclut donc les échangeurs dits « à contact direct ». Dans ces appareils dominent deux grandes familles : les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques. Pour des raisons historiques et économiques, les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les plus répandus et sont appelés les échangeurs tubulaires. On peut distinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réalisés pour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée. Le choix d’un échangeur de chaleur pour une application donnée dépend de nombreux paramètres : les propriétés physiques des fluides, leur agressivité, les températures ainsi que les pressions de service. Les contraintes d’encombrement et de maintenance doivent aussi être prises en compte, ainsi que les considérations économiques. II.4.1. Les échangeurs tubulaires :  Echangeur monotube : Le tube est placé dans ce cas à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin. Fig (II.4) : Echangeur monotube en serpentin Préparé par : Enseignante A.TRABELSI  Echangeur coaxial : Les tubes sont le plus souvent cintrés ; en général, le fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur ;  Echangeurs multitubulaires Ce type d’échangeurs existe sous plusieurs formes, on distingue : 1. Echangeur à tubes séparés Dans cette catégorie, à l’intérieur d’un tube de diamètre suffisant (de l’ordre de 100 mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à 20 mm), maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être soit rectiligne, soit enroulé. Figure II.6: Échangeur à tubes séparés Fig (II.5) : Echangeur coaxial Préparé par : Enseignante A.TRABELSI 2. Echangeur à tubes rapprochés Pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour le fluide extérieur au tube, on place un ruban ou un fil, enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. Les tubes s’appuient les uns uploads/Finance/ chapitre-ii 3 .pdf