Remerciez-le!

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

1 Département Génie Energétique et Environnement DUT Génie Thermique et Energie

1 Département Génie Energétique et Environnement DUT Génie Thermique et Energie Cours Echangeurs Thermiques Responsable: Pr:O.ANSARI Année Universitaire 2017/2018 2 Introduction : Echangeur thermique 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. Les échangeurs de chaleur sont des composants incontournables dans les systèmes énergétiques et des procédés industriels, de même que dans le domaine des transports (automobile ou autre). Les deux principaux types d’échangeur que l’on trouve sont : – les échangeurs à faisceaux tubulaires – les échangeurs compacts à plaques La compacité de ces derniers (et leur faible poids) a pour corollaire un faible encombrement et donc des puissances transférées plus importantes, ramenées en volume de l’échangeur et généralement des constantes de temps en transitoire plus faible, ce qui est intéressant en contrôle commande. Classement d’échangeurs thermiques : Pour classer les échangeurs thermiques on trouve plusieurs critères : a) Classement technologie : - les échangeurs à courants parallèles Les échangeurs à courants parallèles ou échangeur anti-méthodique ⇒ les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens. Dans un échangeur anti-méthodique la température de sortie du fluide froid est nécessairement moins élevée que la température de sortie du fluide chaud. ΘEF : Température entré du fluide 1 ΘSF : Température sorti du fluide 1 ΘECH : Température entré du fluide 2 ΘSCH : Température sorti du fluide 2 3 - les échangeurs à contre-courant Les échangeurs à contre-courant ou échangeur méthodique ⇒ les courants vont dans des sens opposés. Dans un échangeur méthodique, le coefficient d'échange est sensiblement supérieur à celui d'un échangeur anti-méthodique et la température de sortie du fluide froid peut être plus élevée que la température de sortie du fluide chaud. ΘEF : Température entré du fluide 1 ΘSF : Température sorti du fluide 1 ΘECH : Température entré du fluide 2 ΘSCH : Température sorti du fluide 2 - les échangeurs à courants croisés. Les échangeurs à courants croisés avec ou sans brassage ⇒ écoulement des 2 fluides perpendiculairement l’un par rapport à l’autre. b) 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. Pour tout échangeur avec transfert de chaleur à travers une paroi, la conduction intervient. 4 c) classement suivant la nature du paroi d’échange : On trouve deux types de parois : -les échangeurs à parois métalliques : acier, cuivre, aluminium, ou métaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires. -les échangeurs non métalliques: plastique, céramique, graphite, verre. 2. Type des échangeurs thermiques : Figure 3 2.1 Les échangeurs thermiques de surface. a) Échangeurs double tube : Ces échangeurs sont constitués par des éléments rectilignes de deux tubes concentriques raccordés à leurs extrémités par des coudes (fig. 1). Les divers éléments sont tous assemblés par des raccords à démontage rapide, et un remplacement des tubes est possible. Les problèmes de dilatation thermique et d'étanchéité entre le tube intérieur et le tube extérieur sont résolus par l'utilisation de presse étoupe ou de joint torique. Les tubes sont généralement en acier et les longueurs courantes sont de 3,6 - 4,5 ou 6 m. On utilise également quelquefois des tubes en verre et en graphite. 5 Figure 1 Ces appareils sont intéressants pour les facilités qu'ils offrent pour le démontage et l'entretien (fig. 1). Ils peuvent fonctionner en contre courant pur, ce qui permet d'obtenir de bons rendements. Par contre, ils présentent les inconvénients suivants :  risque de fuites aux raccords.  flexion du tube intérieur si la longueur est importante.  surface d’échange faible pour le volume global de l'appareil par suite du rayon minimal des coudes reliant les longueurs droites des tubes. Ces échangeurs utilisés depuis l'origine conviennent aux produits sales, pour des débits faibles, des températures et des pressions élevées. b) Échangeurs à faisceau et calandre : Ce type des échangeurs (fig.2, 3) est de loin le plus répandu dans les unités de transformations des industries chimiques et pétrochimiques. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre à l'intérieur de la calandre, autour des tubes. Cette conception se retrouve également dans les condenseurs, les rebouilleurs et les fours multitubulaires. Le faisceau est monté en deux plaques en communication avec des boîtes de distribution qui assurent la circulation du fluide à l'intérieur du faisceau en plusieurs passes (fig. 2). Le faisceau muni de chicanes est logé dans une calandre possédant des tubulures d'entrée et de sortie pour le deuxième fluide circulant à l'extérieur des tubes du faisceau selon un chemin imposé par les chicanes. La calandre est généralement réalisée en acier au carbone et les brides portant les boîtes de distribution et le couvercle sont soudées. Les tubes du faisceau répondent à des spécifications très sévères. Le choix du matériau dépend de l'utilisation :  acier au carbone pour usage courant.  laiton amirauté pour les appareils travaillant avec l'eau de mer.  aciers alliés pour les produits corrosifs et les températures élevées.  aluminium et cuivre pour les très basses températures. 6 Les tubes sont fixés dans les plaques par mandrinage et la perforation des trous dans les plaques est réalisée selon une disposition normalisée, soit au pas triangle, soit au pas carré. Le pas triangle permet de placer environ 10 % de plus de tubes que le pas carré sur une plaque tubulaire de diamètre donné, mais, en contre partie, la disposition des tubes rend difficile le nettoyage des tubes par insertion de grattoirs. Les chicanes qui permettent d'allonger le chemin du fluide circulant dans la calandre sont souvent constituées par un disque de diamètre légèrement inférieur à celui de la calandre comportant une section libre représentant 20 à 45 % de la section (fig. 2). Figure 2 Les boîtes de distribution et de retour sont cloisonnées. Ce cloisonnement permet au fluide de traverser successivement plusieurs sections du faisceau, ce qui a pour objet d'accroître la vitesse du fluide et d'augmenter le coefficient de transfert à l'intérieur des tubes. Cette disposition correspond toujours à un nombre pair de passages (ou passes) dans le faisceau (fig 3) . Figure 3 7 c) Echangeur à plaques : L'échangeur à plaques est un type d'échangeur de chaleur qui connaît un usage croissant dans l’industrie (fig. 4). Il est composé d'un grand nombre de plaques disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d'un petit espace (quelques millimètres) où circulent les fluides. Le périmètre des plaques est bordé d'un joint qui permet par compression de la structure d'éviter les fuites. Figure 4 Avantages Inconvénient Utilisation  Compact  Très bons coefficients de transfert  Prix compétitifs  Peu de pertes thermiques  Modulable  Faible écart de T possible  Régulation  Perte de charge importante  Pression de travail limitée  Vapeur BP/eau  Eau/eau  Huile/eau  Eau surchauffée/eau d) Echangeur à ailettes Un échangeur à ailettes est un échangeur relativement simple (fig. 5) : Il consiste en un conduit cylindrique ou rectangulaire sur lequel sont fixées des lames métalliques de différentes formes. Le fluide de refroidissement est en général l'air ambiant. La chaleur est transférée du fluide chaud circulant dans le conduit principal aux lames métalliques par conduction thermique ; ces lames se refroidissent au contact de l'air. Ce type d'échangeur est utilisé pour le chauffage dans les bâtiments: de l'eau est chauffée dans l'installation de chauffage et circule dans des radiateurs qui sont des échangeurs à ailettes. On utilise également ce type d'installation pour refroidir les moteurs de voiture ou encore les moteurs en tout genre. Dans ce dernier cas, la chaleur due aux frottements et à l'induction magnétique (cas d'un moteur électrique) est directement transférée à la protection extérieure du moteur qui possède des ailettes fixées à sa surface. Le transfert thermique est limité 8 notamment du côté du fluide de refroidissement par manque d'un système de circulation: l'air circule principalement par convection naturelle autour de l'échangeur. Cette limitation peut toutefois être supprimée par ajout d'un système de ventilation. Cet échangeur est très simple et peut prendre des formes particulières, ce qui le rend intéressant dans l'électronique [1]. Figure 5 Avantages Inconvénients Utilisation  Bon rendement  Peut prendre des formes précises  Craint les chocs  eau/air  huile/air  solide/air II. Calculs de flux échangés, cédés, reçus Dans un échangeur de chaleur, on cherche en général à transférer un flux de chaleur Φéchangé (en W) entre un fluide chaud et un fluide froid séparés par une paroi qui peut être plane ou tubulaire. Dans tous les cas, le moteur du transfert de chaleur est l'écart de température entre fluide chaud et fluide froid, noté ΔT. Ce flux transféré est également proportionnel au coefficient global d'échange thermique K (ou U, en W.m-2.°C-1), et à la surface d'échange S (en m2), soit la formule suivante: Φéchangé uploads/Finance/ cours-echangeurs-thermiquesv.pdf