Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

LES ECHANGEURS DE CHALEUR Université Cheikh Anta Diop Ecole Supérieure Polytech

LES ECHANGEURS DE CHALEUR Université Cheikh Anta Diop Ecole Supérieure Polytechnique de Dakar Département de Génie Chimique et Biologie Appliquée Université Cheikh Anta Diop de Dakar Ecole Supérieure Polytechnique de Dakar Département de Génie Chimique et Biologie Appliquée CHALEUR Présenté par Dr. Cheikhou KANE PLAN 2 Généralités Classification des échangeurs de chaleur Les échangeurs tubulaires Définition des coefficients d’échange Définition des coefficients d’échange Analyse dimensionnelle Calculs des échangeurs Méthode des Différences de Températures Moyennes Logarithmiques (DTML) Efficacité d’un échangeur Généralités 3 Les échangeurs de chaleur permettent de transférer de la chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid Dans bien des cas, ces fluides ne doivent pas être mis en contact Les échangeurs peuvent être constitués de deux tubes Les échangeurs peuvent être constitués de deux tubes co-axiaux ou d’un faisceau de tubes parallèles contenus dans une enveloppe Les échangeurs de chaleur peuvent être encore plus ou complexes permettant d’atteindre des compacités élevées; comme dans le cas des échangeurs à plaques Nous donnerons essentiellement des méthodes de calcul relatives aux échangeurs tubulaires Classification des échangeurs de chaleur 4 Classification des échangeurs de chaleur Echangeurs tubulaires 5 Les échangeurs tubulaires peuvent être utilisés pour effectuer des transferts de chaleur entre deux fluides ne subissant pas de changement de phase mais aussi pour condenser une vapeur ou évaporer un liquide Le modèle le plus simple se compose d’un tube ou d’une conduite placé concentriquement à l’intérieur d’un autre tube conduite placé concentriquement à l’intérieur d’un autre tube qui tient alors d’enveloppe Si les deux fluides s’écoulent dans la même direction, l’échangeur est du type « écoulement parallèle » ou « co- courant » Si les deux fluides se déplacent en sens contraire, l’échangeur est du type à « contre-courant » Généralités 6 Echangeurs tubulaires Co-courant Contre-courant Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 7 Echangeurs tubulaires Les échangeurs tubulaires peuvent être utilisés pour effectuer des transferts de chaleur entre deux fluides ne subissant pas de changement de phase mais aussi pour condenser une vapeur ou évaporer un liquide Le modèle le plus simple se compose d’un tube ou d’une Le modèle le plus simple se compose d’un tube ou d’une conduite placé concentriquement à l’intérieur d’un autre tube qui tient alors d’enveloppe Si les deux fluides s’écoulent dans la même direction, l’échangeur est du type « écoulement parallèle » ou « co- courant » Si les deux fluides se déplace en sens contraire, l’échangeur est du type à « contre-courant » Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 8 Echangeurs tubulaires Ce modèle peut être développé en remplaçant le tube central unique par un faisceau de tubes placés dans une enveloppe encore appelée « calandre » Plusieurs types de circulation des fluides peuvent être utilisés Plusieurs types de circulation des fluides peuvent être utilisés Lorsque le fluide s’écoule dans l’enveloppe perpendiculairement aux tubes, l’échangeur est dit à « courants – croisés » Afin d’augmenter la surface effective d’échange, on prévoit parfois de faire traverser plusieurs fois par le fluide circulant dans les tubes et parfois dans l’enveloppe Ce type d’appareil est dit ‘échangeur multipasses’ L’écoulement du fluide dans l’enveloppe est déterminé alors par des chicanes Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 9 Echangeurs tubulaires Ces échangeurs sont caractérisés par deux chiffres: Le premier qui indique le nombre de passages Le premier qui indique le nombre de passages (nombre de passes) du fluide circulant dans l’enveloppe Le second qui correspond au nombre de passages du fluide dans les tubes Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 10 Echangeurs tubulaires Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 11 Echangeurs à plaques Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 12 Définition des coefficients d’échanges Soit l’échangeur tubulaire suivant: Le flux de chaleur échangé est: C Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 13 Définition des coefficients d’échanges dAm est la moyenne logarithmique des aires dAi et dAe Il est d'usage et justifié d'assimiler la moyenne logarithmique à la moyenne arithmétique Le flux de chaleur peut être exprimé selon l’équation de NEWTON: Avec U étant le coefficient global d’échange La relation suivante permet de calculer U: Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 14 Définition des coefficients d’échanges hi est le coefficient local interne particulier d‘échange et he est le coefficient local externe particulier d‘échange t est la conductivité thermique du matériau Il est d'usage de choisir comme aire de référence celle qui correspond a la résistance thermique la plus grande correspond a la résistance thermique la plus grande Il y a trois possibilités : Ce qui définit 3 coefficients globaux d’échange: Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 15 Définition des coefficients d’échanges Ces trois coefficient n’ont de sens que par rapport à une aire de référence Ainsi : ou Ainsi : ou Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 16 Définition des coefficients d’échanges Dans le cas des surfaces planes parallèles et des échangeurs à plaques, les surfaces de convection sont identiques et il n’existe qu’un seul coefficient sont identiques et il n’existe qu’un seul coefficient global: Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 17 Définition des coefficients d’échanges Coefficient d’encrassement Très souvent, durant le fonctionnement d’un échangeur avec la plupart des liquides (parfois les gaz), un film avec la plupart des liquides (parfois les gaz), un film d’encrassement s’amorce graduellement sur la surface des tubes Ces dépôts peuvent être de la rouille, du tartre, de la vase (boue), etc. Leur effet est d’ajouter des résistances supplémentaires au transfert thermique, abaissant ainsi la performance de l’échangeur Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 18 Définition des coefficients d’échanges Coefficient d’encrassement On définit donc des coefficients d’encrassement hdi et hde, et des résistances limites d’encrassement hde, et des résistances limites d’encrassement et Le flux de chaleur est alors : Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 19 Définition des coefficients d’échanges Coefficient d’encrassement En appelant Us, le coefficient global de l’échangeur encrassé, il vient: encrassé, il vient: En prenant comme aire de référence l’aire moyenne dAm on a: Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 20 Définition des coefficients d’échanges Coefficient d’encrassement On remarque que : Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 21 Définition des coefficients d’échanges Ordre de grandeur des coefficients globaux d’échange Us Fluide chaud Fluide froid Us(W/ m2 °C) Fluide chaud Fluide froid Us(W/ m2 °C) Gaz Gaz 10 - 50 Gaz Liquide visqueux 20 - 50 Gaz Liquide peu visqueux 20 - 80 Liquide visqueux Gaz 20 - 50 Liquide peu visqueux Gaz 20 - 80 Liquide visqueux Liquide visqueux 100 - 200 Liquide visqueux Liquide peu visqueux 100 - 300 Liquide peu visqueux Liquide peu visqueux 700 - 1800 Vapeur se condensant Liquide visqueux 200 - 400 Vapeur se condensant Liquide peu visqueux 1000 - 2000 Vapeur se condensant Liquide en ébullition 700 - 1500 Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 22 Définition des coefficients d’échanges Coefficient d’encrassement hd Fluide hd (W/ m2 °C) Fluide hd (W/ m °C) Eau distillée 10000 Eau de mer 5000 - 10000 Eau de ville 2500 - 5000 Eau de rivière filtrée 2500 - 5000 Eau de rivière non filtrée 1500 - 2500 Mazout 1000 Liquides organiques 5000 Saumure 5000 Air industriel 2500 Résidu de crackage 500 Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 23 Nombres sans dimension – Analyse dimensionnelle Il existe trois types de méthodes permettant de déterminer les coefficients d‘échange de chaleur déterminer les coefficients d‘échange de chaleur par convection : Les solutions mathématiques exactes ou approchées Les analogies entre les transferts de chaleur et de quantité de mouvement L'analyse dimensionnelle du phénomène en appui d'expériences Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 24 Nombres sans dimension – Analyse dimensionnelle Dans le cadre des transferts thermiques on est souvent conduit a utiliser les nombres adimensionnels suivants: conduit a utiliser les nombres adimensionnels suivants: Le nombre de Reynolds : qui mesure le rapport des forces d’inertie aux forces de viscosité Le nombre de Grashof : qui caractérise le mouvement du fluide provoqué par la différence de température pour la convection naturelle est le coefficient de dilatation volumique 2 2 3 . . . .       g L Gr Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 25 Nombres sans dimension – Analyse dimensionnelle Le nombre de PRANDTL: qui est le rapport des diffusivités de quantité de mouvement et thermiques diffusivités de quantité de mouvement et thermiques Le nombre de PECLET: Pe=Re.Pr qui est le rapport des flux d’énergie thermiques transporté par convection sur le flux d’énergie thermique transporté par conduction Le nombre de STANTON: qui mesure le flux de chaleur globalement transporté dans le fluide au flux de chaleur transporté par convection Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 26 Nombres sans dimension – Analyse dimensionnelle En appliquant l’analyse dimensionnelle au En appliquant l’analyse dimensionnelle au transfert de chaleur en convection forcée à l’intérieur d’un tube MC ADAMS a établit la relation suivante: Nu= Introduction au calcul des échangeurs de chaleur 27 Nombres sans dimension – Analyse dimensionnelle Nu est le nombre de Nusselt uploads/Finance/ cours-echangeur-de-chaleur.pdf