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Echangeurs & applications Master GEE 19/20 1 SOMMAIRE Chapitre I : Description

Echangeurs & applications Master GEE 19/20 1 SOMMAIRE Chapitre I : Description des échangeurs Chapitre II : Définitions et architecture générale Chapitre III : Détermination des coefficients d’échange Echangeurs & applications Master GEE 19/20 2 Chapitre I Description des échangeurs I. Introduction Un échangeur de chaleur est un appareil destiné à transmettre la chaleur d’un fluide à un autre que l’on ne veut pas mélanger et qui sont à températures différentes. On citera par exemple : - la ventilation des bâtiments, air conditionné ... - les radiateurs d’appartements et de moteurs de véhicules - les échangeurs de chaleur (centrale nucléaire/ thermique). 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. 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. Généralement pour assurer efficacement cet échange de chaleur, au moins un des fluides est mis en mouvement à l’aide d’une pompe ou d’un ventilateur. Pour augmenter cet échange, et donc le transfert d’énergie, il peut être fait appel au changement de phase (condenseurs, évaporateurs, bouilleurs…) qui est couramment utilisé dans les machines thermiques. Selon qu’il y ait ou non la présence d’une paroi séparant ces deux milieux, on distingue les échangeurs : • A fluides séparés : Deux fluides séparés, comme le cas d’un radiateur de chauffage central (eau et air). • A contact direct : Tour de refroidissement, où a lieu un échange entre l’eau chaude issue d’une centrale thermique et le flux d’air ascendant. Echangeurs & applications Master GEE 19/20 3 I. 1. Principe général Le principe général consiste à faire circuler deux fluides à travers des conduits qui les mettent en contact thermique, à travers une paroi qui est le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. On a en général un fluide chaud qui cède de la chaleur à un fluide froid. En d’autres termes, le fluide chaud se refroidit au contact du fluide froid et le fluide froid se réchauffe au contact du fluide chaud. Ainsi, les deux fluides échangent de la chaleur à travers la paroi d’où le nom de l’appareil. Ce principe général est simple, mais il donne lieu à un grand nombre de réalisations différentes par la configuration géométrique. 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. Cette 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 chaleur transférés vont aussi dépendre des températures d’entrée et des caractéristiques thermiques des fluides (chaleurs spécifiques, conductivité thermique, …) ainsi que des coefficients d’échange par conduction et convection (transfert par rayonnement est négligeable). D’après ce qui précède, on voit bien qu’il y a différentes manières de traiter le problème. Une étude fine doit prendre en compte tous les paramètres et résoudre les problèmes de mécanique des fluides qui peuvent être très compliqués. Une telle approche est possible par des méthodes numériques à travers un logiciel approprié. Cette approche est très coûteuse mais tend à se répandre avec le développement des outils informatiques. Par ailleurs, il existe des méthodes d’études globales, qui moyennant quelques hypothèses simples, peuvent donner des résultats approximatifs qui seront suffisants dans la plupart des cas. Echangeurs & applications Master GEE 19/20 4 II. Modes de transferts II. 1. Transferts de chaleur La conduction : apparaît toujours dans la paroi, qui a pour fonction de séparer les deux fluides qui doivent échanger de la chaleur. Cette paroi, généralement métallique et de faible épaisseur a en conséquence une résistance thermique faible. La convection : en raison des fluides mis en jeu, est sans doute le mode le plus important et le plus délicat à estimer. Elle dépend fortement du type de fluide à utiliser, des vitesses mises en jeu et de la géométrie de l’échangeur. Le rayonnement : quand à lui, en raison des niveaux de températures faibles est le mode de transfert le moins prépondérant. Toutefois, pour certaines applications, comme la chaudière avec brûleur, il est loin d’être négligeable. II. 2. Transferts de masse Afin d’assurer le transfert d’énergie, les fluides étant en mouvement. Ce transfert de masse est l’élément moteur de l’analyse thermique d’un échangeur. Nous verrons comment le mettre en œuvre dans les applications. II. 3. Fluides utilisés Les échangeurs de chaleurs mettent en jeu deux fluides qui peuvent avoir des propriétés très différentes. Par exemple le radiateur d’un local a pour fluide interne de l’eau et est situé dans de l’air. Le choix des fluides est conditionné par des critères de coût (l’eau et l’air sont les plus intéressants), de tenue aux températures (élevées ou négatives), de performance de transfert d’énergie (forte capacité calorifique), et aussi de compatibilité avec les matériaux utilisés par l’échangeur (éviter la corrosion, …). Suivant le type de fluide utilisé, et sa vitesse relative par rapport à la paroi d’échange, les valeurs des coefficients d’échange peuvent prendre des valeurs très diverses. II. 4. Critères de classement des échangeurs Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs :  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 - autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé. Echangeurs & applications Master GEE 19/20 5  Classement suivant 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.  Classement suivant le procédé de transfert de chaleur Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur : - Classement fonctionnel Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase. On rencontre alors les différents cas suivants : - les deux fluides ont un écoulement monophasique - un seul fluide à un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs - les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapo-condenseurs. - Classement suivant 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. On peut considérer qu’un échangeur est considéré comme compact si sa compacité est supérieure à 700 m2/m3, cette valeur est susceptible de varier de 500 à 800 m2/m3. Une classification en fonction de la compacité est donnée ainsi :  Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange On retiendra deux types : - 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. Echangeurs & applications Master GEE 19/20 6 Ces différents groupes peuvent se recouper, aussi nous choisirons pour décrire les échangeurs : - tout d’abord, les échangeurs tubulaires et à plaques pour des raisons technologiques - puis, les évaporateurs et condenseurs pour leurs applications - et, enfin, quelques autres types d’échangeurs en fonction de la nature de la paroi. 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. I. 2. Échangeurs tubulaires I. 2. 1. Différentes catégories existantes Pour des raisons historiques et économiques, les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les plus répandus. 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 : - échangeur monotube (figure 1a), dans lequel le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin - échangeur coaxial (figure 1b), dans lequel les tubes sont le plus souvent cintrés, en général, le fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur - échangeur multitubulaire, existant sous quatre formes : • échangeur à tubes séparés (figure 1c) : 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 uploads/Finance/ cours-echangeurs-et-applications19.pdf