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1 Echangeurs de chaleur Cour et exercices corrigés Souheila Mellari Univesité M

1 Echangeurs de chaleur Cour et exercices corrigés Souheila Mellari Univesité Mentouri,Constantine 1,Algérie Département de Génie Climatique Année 2020 2 Sommaire Introduction 03 I. Classification des échangeurs thermiques…………………………………………………. 04 I.1. Les échangeurs continus………………………………………………………………… 04 1. Echangeurs tubulaires……………………………………………………………............... 04 a) Echangeurs à double tubes………………………………………………………………... 04 b) Echangeurs à faisceaux tubulaires………………………………………………………… 05 2. Echangeurs tubulaires à courants croisés………………………………………………….. 07 3. Echangeurs à plaques……………………………………………………………………… 08 a) Echangeurs à plaques soudées ou brasées…………………………………………………. 08 b) Echangeurs à plaques et joints…………………………………………………………….. 08 I.2. Echangeurs par mélange ou à contact direct……………………………………………... 09 I.3. Régénérateurs ou les échangeurs discontinus……………………………………............. 09 I.4. Echangeurs de chaleur avec changement de phase……………………………………… 11 II. Sens de circulation des fluides…………………………………………………………….. 11 1. Courants parallèles………………………………………………………………………… 11 2. Courants croisés…………………………………………………………………………... 12 III. Marché et application des échangeurs de chaleur……………………………….............. 12 VI. Etude des échangeurs thermiques……………………………………………………….. 13 VI.1. Coefficients locaux et coefficient global de transfert de chaleur…………………........ 16 VI.1.1. Coefficients d’échange internes…………………………………………………...... 16 VI.1.2. Coefficients d’échange extenes………………………………………………….. … 18 1. Echangeurs tubulaires…………………………………………………………………….. 18 a). Echangeurs tubulaires à courants croisés (liquide-gaz)…………………………………... 18 b). Echangeurs tubulaires à courants croisés (liquide-liquide)………………………............ 21 c). Echangeurs tubulaires à courants parallèles……………………………………………… 22 d). Echangeur avec chicanes…………………………………………………………............ 24 e). Echangeurs tubulaires à double tubes……………………………………………............. 25 6. Echangeurs à ailettes………………………………………………………………………. 26 VI.1.3. Coefficient d’échange global………………………………………………………… 26 VI.1.4. Encrassement dans les échangeurs thermiques…………………………………....... 29 II. Ordres de grandeurs de coefficient d’échange et d’encrassement………………………… 19 V. Grandeurs caractéristiques des échangeurs thermiques…………………………………… 30 1. Températures et rapports de débits de capacité thermique………………………............... 31 2. Puissance échangée………………………………………………………………............... 32 3. DLMT, efficacité, NUT et facteur de correction………………………………………….. 32 a) Différence logarithmique moyenne de température DLMT………………………………. 32 b) Facteur de correction……………………………………………………………………… 34 c) Efficacité…………………………………………………………………………............... 35 d) Taux de circulation………………………………………………………………... ……… 35 e) Nombre d’unité de transfert (NUT)……………………………………………………….. 36 f) Relation entre NUT et efficacité………………………………………………………….. 38 VII. Intensification de l’échange…………………………………………………………….. 42 1. Surface ailetée……………………………………………………………………............... 42 2. Efficacité de l’ailette………………………………………………………………………. 44 3. Rendement de l’ailette……………………………………………………………………... 45 Exercices corrigés…………………………………………………………………………….. 47 Annexe 1 : Facteur de correction…………………………………………………………….. 73 Annexe 2 : Abaques NUT= f(ε) pour les échangeurs thermiques……………………………. 74 Bibliographie…………………………………………………………………………………. 75 3 Introduction Les échangeurs de chaleur sont des appareils où s’effectue l’échange thermique entre deux fluides à températures différentes sans qu’ils soient mélangés. Au sein d’un échangeur de chaleur, on peut trouver les trois modes d’échange de chaleur , la conduction thermique qui est la propagation de chaleur, de molécule en molécule, dans un corps ou dans plusieurs cors superposés et non réfléchissants ; La convection qui se caractérise par la propagation et le transport de chaleur par des molécules en mouvement qui viennent se réchauffer au contact d’un corps chaud et véhiculent cette énergie calorique pour la céder à un corps froid et le rayonnement où le transfert de chaleur s’effectue par des vibrations électromagnétiques qui se propagent en ligne droit sans aucun milieu, c(est à dire, tout corps même placé dans le vide émit de l’énergie et tout autre corps placé sur son trajet absorbe toute ou une partis de cette énergie. Généralement le rayonnement dans un échangeur de chaleur est négligeable. Les principaux types des échangeurs de chaleur sont les échangeurs continus, les échangeurs par mélange ou à contact direct, les régénérateurs ou les échangeurs discontinus et les échangeurs de chaleur avec changement de phase. Ces échangeurs thermiques interviennent dans des très nombreuses réalisations industrielles comme une chaudière, les radiateurs, les réchauffeurs d’eau, les machines frigorifiques, qu'il s'agisse d'un réfrigérateur , d'un climatiseur ou d'une pompe à chaleur ; les radiateurs automobiles, les centrales nucléaires, les récupérateurs sur air vicié dans une installation de ventilation à double flux … Ce polycopié est composé d’un cours et exercices corrigés. Le cours comporte une classification des échangeurs thermiques où on a cité les principaux types des échangeurs thermiques et le marché et application des échangeurs de chaleur. Comme il porte aussi sur les grandeurs fondamentales des échangeurs thermiques et le dimensionnement de ces derniers. Comme l'échange de chaleur se produit toujours par convection, nous avons sélectionné quelques formules de Nusselt qui conviennent pour la plupart des configurations géométriques des échangeurs qu’on peut rencontrer dans les installations frigorifiques et de climatisation. Seuls les échangeurs tubulaires ou échangeur double tubes, les échangeurs à faisceaux tubulaires ou tube et calandre qui seront abordés ici. Ce polycopié s’achève par des dix exercices corrigés. 4 I. Classification des échangeurs thermiques La classification d’un échangeur de chaleur se fait en fonction de : - nature des deux fluides (liquide, gaz, condensation, évaporation) ; - critères technologique (tubes, à plaques, canaux, caloducs,…), - mode de circulation des fluides (co-courants, contre courants, courants croisé) ; - mode de transfert de chaleur (convection, rayonnement) ; - fonctionnement i.e. contact direct ou indirect entre les deux - avec ou sans stockage temporaire de la chaleur (régénérateurs) ; - application. Les échangeurs thermiques peuvent être : des échangeurs avec ou sans changement de phase -Sans changement de phase : chaleur sensible seule -Avec changement de phase: chaleur latente et/ou sensible - Evaporateur : le fluide froid s’évapore ; - Condenseur : le fluide chaud se condense. Les principaux types sont : I.1. Echangeurs continus Les deux fluides circulent de manière continue de part et d’autre de la surface d’échange, on va détailler : 1. Echangeurs tubulaires + Plus simple - Surface d’échange importante Utilisation Liquide – liquide (eau/eau, huile/eau, eau surchauffée/eau). Parmi lesquels on a : a) Echangeurs à double tubes Parallèle à co-courant 5 Parallèle à contre-courant b) Echangeurs à faisceaux tubulaires (tube et calandre) + Compacité maximum (500 m²/m3) + Turbulence - pertes de charge importantes Utilisation Liquide – liquide (eau/eau, huile/eau, eau surchauffée/eau) Gaz – liquide (vapeur/eau) Parmi lesquels on a : Echangeurs 1-1 Une passe dans la calandre Une passe dans les tubes Chicane verticale Entrée de tubes Sortie de calandre Calandre Tubes Entrée de calandre Sortie des tubes Figure 1 : Echangeurs 1-1 6 Echangeurs 1-2 (tubes en U) Une passe dans la calandre Deux passes dans les tubes Echangeurs 1-4 Une passe dans la calandre Quatre passes dans les tubes Echangeurs 2-4 Deux passes dans la calandre Quatre passes dans les tubes 1 passage en calandre 2 passages en tube Figure 2 : Echangeurs 1-2 4 passages en tube 1 passage en calandre Figure 3 : Echangeurs 1-4 7 2. Echangeurs tubulaires à courants croisés (Liquide-Gaz) Les échangeurs à courants croisés sont utilisés pour des échanges entre gaz circulant en calandre et liquide circulant dans les tubes. L’écoulement autour des tubes est presque perpendiculaire au faisceau de tubes. Note : - non brassé : fluide circule dans des canaux parallèles distincts et de faible section - brassé: fluide ne circule pas dans des canaux parallèles distincts et de faible section. Chicane horizontale 2 passages en calandre 4 passages en tube Figure 4 : Echangeurs 2-4 Un fluide brassé et un fluide non brassé Deux fluides non brassés Liquide froid ou chaud Liquide froid ou chaud Gaz Gaz Figure 5 : Echangeurs tubulaires à courants croisés 8 3. Echangeurs à plaques + Compacité maximum (500 m²/m3) + Turbulence - Pertes de charge importantes Utilisation Liquide– liquide (eau-eau) Gaz – gaz (air-air) Parmi lesquels, on a : a) Echangeurs à plaques soudées ou brasées Ils sont utilisés en récupération de chaleur, dans les domaines de la chimie, de la pétrochimie, de l’agro-alimentaire. b) Echangeurs à plaques et joints La surface d’échange est composée de plaques métalliques, équipées de joints, serrées les unes contre les autres à l’aide de tirants entre deux flasques, l’un fixe, l’autre mobile. On trouve dans ce genre d’échangeurs avec circulation des fluides est latérale et avec circulation des fluides est diagonale. Plaques Joint Entrée fluide froid Sortie fluide froid Sortie fluide chaud Entrée fluide froid Figure 6 : Echangeurs à plaques et joints Plateau mobile Plateau fixe 9 Figure 7 : Échangeurs à plaques et joints avec circulation des fluides est latérale Figure 8: Échangeurs à plaques et joints avec circulation des fluides est diagonale I.2. Echangeurs par mélange ou à contact direct Certaines applications impliquent une forme de "mélange" des deux fluides : le contact direct, où les deux fluides sont intimement mélangés. - désurchauffeurs de vapeur ; - dégazeurs ; - tours de refroidissement à convection naturelle ou forcée ; - ballons de détente de purges… I.3. Régénérateurs ou les échangeurs discontinus Milieu poreux t = 0 t = t’ Fluide 1 Fluide 2 Figure 9: Régénérateurs ou échangeurs discontinus Joint Chevron 10 Ce sont des échangeurs dans lesquels est organisé le stockage temporaire de la chaleur du fluide chauffant avant de la transmettre au fluide chauffé. La surface d’échange est alternativement mise en contact avec le fluide froid et le fluide chaud. La chaleur est transférée d'un gaz chaud à un gaz froid à travers un cylindre rotatif de feuilles de métal densément assemblées, appelées des lamelles. Ces lamelles sont assemblées dans des conteneurs et tournent lentement dans un flux gazeux et dans l'autre. Un gaz chaud fluit sur la surface des lamelles métalliques, élevant leur température. Lorsque le rotor tourne, à environ 1 tr/min., les lamelles chauffées déplacent dans le flux de gaz froid, accroissant sa température. Ce type des uploads/Finance/ cours-echangeurs-de-chaleur.pdf