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1 BLAbla Les Échangeurs Thermiques E. Rouland GSI-M1 -2011-2012 2 Références

1 BLAbla Les Échangeurs Thermiques E. Rouland GSI-M1 -2011-2012 2 Références A. LEONTIEV, Théorie des échanges de chaleur et de masse – Édition Mir-Moscou J.F. SACADURA Initiation aux transferts thermiques - Technique et Documentation – Paris H.W. MAC ADDAMS La transmission de la chaleur - Dunod - Paris F. P. INCROPERA, D. P. DEWITT - Fundamentals of Heat and Mass Transfer - Wiley, N.Y. - 2002 A. BONTEMPS, A. GARRIGUE, C. GOUBIER, J. HUETZ, C. MARVILLET, P. MERCIER et R. VIDIL – Échangeur de chaleur – Technique de l’Ingénieur, Traité Génie Énergétique YVES JANNOT, professeur au LEPT-ENSAM de Bordeaux, transfert thermique 3 Sommaire I. Généralité 1. Quadripôle thermique 2. Hypothèse de fonctionnement 3. Principaux types d’échangeurs thermiques II. Évaluation des performances thermiques d’un échangeur 1. Distribution de température dans un échangeur « double tube » 2. Étude d’un échangeur 3. Méthode de la différence logarithmique des températures 4. Évaluation du coefficient d’échange global III. Efficacité d’un échangeur 1. Définition 2. Calcul de l’efficacité 3. Méthode du nombre d’unités de transfert NUT IV. Les échangeurs à faisceaux complexes 1. Généralités 2. Échangeurs 1-2 3. Échangeurs 2-4 4. Échangeurs à courant croisé 5. Échangeurs à plaques 6. Échangeurs frigorifiques 4 I.Généralités 1. Quadripôle thermique 2. Hypothèse de fonctionnement 3. Principaux types d’échangeurs thermiques 5 I.1 Quadripôle thermique Def. Un échangeur de chaleur est un appareil destiné à transmettre la chaleur d’un fluide à un autre. - aspect thermique pure (Te1, Te2, Ts1 , Ts2) - aspects mécaniques (ρe1, ρe2 ,… Qm1,Qm2) Un échangeur = quadripôle thermique ⇔2 entrées et deux sorties Te1 Te2 Ts1 Ts2 E ∆Te ∆Ts Ts1 Ts2 = M Te1 Te2 Aspect externe : échangeur comme quadripôle 6 Mesurer les caractéristiques essentielles du fonctionnement de l’échangeur à l’un de ces quatre pôles, plutôt que de faire des mesures forcément plus délicates à l’intérieur. Paramètres mesurables et mesurés à l’entrée et à la sortie de chacun des deux : > l’état : liquide, gazeux ; > le débit-masse, constant de l’entrée à la sortie ; > la température, variable dans l’échangeur ; > la pression, peu variable. Remarque : On connaît par ailleurs les caractéristiques thermophysiques de chacun des deux fluides et notamment : * la capacité thermique massique (chaleur massique) cp ; * la masse volumique ρ ; * la conductivité thermique λ ; * la viscosité µ ; I.1 Quadripôle thermique Aspect externe : échangeur comme quadripôle f(P,T) 7 I.1 Quadripôle thermique Étude d’un échangeur > Analyse thermique - surface d’échange thermique - flux échangé - distribution des températures des deux fluides (entrée et sortie) > Analyse hydraulique - pertes de charges dans l’appareil > Étude mécanique - efforts et contraintes (f(T,P,…) > Optimisation économique pour une puissance à transférer - surface d’échange faible - vitesse des fluides élevée (pompe) - surface d’échange grande - vitesse des fluides faible (encombrement) 8 I.2 Hypothèses de fonctionnement • Régime permanent (régime transitoire <=> contraintes mécaniques d’origine thermique + néfastes (choc thermique)) • Caractéristiques des fluides (ρ,µ,λ,C) = constantes Référence T et P moyennes entre l’entrée et la sortie de l’échangeur • Le transfert s’effectue au travers d’une paroi Changement de phase : Évaporateurs et condenseurs = transfert de masse •Le transfert thermique ne s’effectue que par convection et conduction Transfert par rayonnement négligeable •Le flux de chaleur reçu par le fluide 1 est intégralement absorbé par le fluide 2 Échangeur adiabatique 9 I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques • Les échangeurs par mélange ou à contact direct Fluide intimement mélangé - les désurchauffeurs de vapeur - les dégazeurs - les tours de refroidissement à convection naturelle ou forcée - les ballons de détente de purges • Les régénérateurs ou les échangeurs discontinus La surface d’échange est alternativement mise en contact avec le fluide froid et le fluide chaud - réchauffeurs d’air rotatifs • Les échangeurs continus Les deux fluides circulent de manière continue de part et d’autre de la surface d’échange - échangeurs tubulaires - échangeurs à plaques - échangeurs à ailettes 10 I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques • Les échangeurs tubulaires Parallèle à co-courant Parallèle à contre-courant Échangeur « double tubes » liquide - liquide + le plus simple - surface d’échange importante 11 I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques • Les échangeurs tubulaires Échangeur à faisceaux tubulaires 1. Faisceau tubulaire 2. Enveloppe (calandre) 3. Intérieur tube 4. Chicane 5. Raccord évent 6. Intérieur boite à eau 7. Plaque tubulaire 8. Raccord vidange 9. Intérieur enveloppe liquide - liquide + compacité maximum (500 m²/m3) + turbulence - pertes de charge importantes 12 I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques • Les échangeurs tubulaires Échangeur à faisceaux tubulaires Échangeur à faisceau tubulaire à simple passe Échangeur à faisceau tubulaire À deux passages 13 I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques • Les échangeurs à plaques liquide - liquide + compacité maximum (500 m²/m3) + turbulence - pertes de charge importantes 14 I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques • Les échangeurs compacts à ailettes liquide liquide - gaz + compacité maximum (1000 m²/m3) - Dimensionnement complexe gaz 15 II.Évaluation des performances thermiques d’un échangeur 1. 1. Distribution de temp Distribution de tempé érature dans un rature dans un é échangeur changeur 2. 2. É Étude d tude d’ ’un un é échangeur changeur 3. 3. M Mé éthode de la diff thode de la diffé érence logarithmique des temp rence logarithmique des tempé ératures ratures 4. 4. É Évaluation du coefficient d valuation du coefficient d’é ’échange global change global 16 II.1 Distribution de température dans un échangeur Tce Tfe Tfs Tcs Distribution des températures dans un échangeur à courants parallèles co-courant Distribution des températures dans un échangeur à contre-courant Tce Tfs Tfe Tcs Tfe Tfe Tce Tfs Tfe Tcs Cf > Cc Cc> Cf Echangeur contre -courant favorable pour l’échange thermique ∆T0 ∆TL ∆T1 ∆T2 ∆T1 ∆T2 17 II.2 Étude d’un échangeur objectif: fournir une puissance donnée avec la plus faible surface d’échange et le moins de pertes de charge possible Étude de l’échangeur = différentes disciplines - thermique - mécanique des fluides - technologie des matériaux - architecture Thermique (régime permanent) : deux méthodes de calculs : 1. Moyenne Logarithmique de la Différence de Température (DTLM) 2. Nombre d’Unités de Transfert (NUT) 18 II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures Si Tc et Tf sont les températures des deux fluides au droit de l’élément dS de la surface d’échange. le flux thermique dΦ échangé entre les deux fluides à travers dS peut s’écrire: Tce Tfe Tfs Tcs Tfe ∆T1 ∆T2 x x+dx dS d = k (T - T ) dS c f Φ Tf Tc Coefficient d’échange global (k=k(x)) (W/(m².°C)) -échange fluides-parois - conduction -échange fluides-parois dTc <0 dTf >0 dx Élément de surface d’échange dS (1) • Les échangeurs à co-courant 19 II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures Hypothèse : échangeur sans pertes, c’est-à-dire un échangeur dans lequel la chaleur cédée par le fluide chaud est intégralement transmise au fluide froid. Dans ces conditions, le flux de chaleur dΦ transmis du fluide chaud au fluide froid à travers l’élément dS s’écrira, dans le cas de l’échangeur à courants parallèles : d = - m C dT = m C dT Flux perdu Flux gagné par le fluide par le fluide chaud froid c pc c f pf f Φ & & & mc et sont les débits massiques respectifs des fluides chauds et froids, en kg/s. Cpc et Cpf sont leurs chaleurs massiques à pression constante, en J/(kg.°C). & m f dT = - d m C et dT = d m C c c pc f f pf Φ Φ & & (2) (3) (2) • Les échangeurs à co-courant 20 II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures D’ou la différence : ( ) dTc - dT = d T - T = - 1 m C + 1 m C d f c f c pc f pf & &         Φ ( ) ( ) d T - T = - 1 m C + 1 m C k T - T dS c f c pc f pf c f & &         (4) (5) (1) (5) ( ) d T - T T - T = - 1 m C + 1 m C k dS c f c f c pc f pf & &         (6) Hypothèse : k= constante le long de l’échangeur => intégration de (6) de S=0 à S ( ) [ ] Log T T = - 1 m C + 1 m C k S c f c pc f pf −         = S S 0 & & (7) • Les échangeurs à co-courant 21 II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures •A l’entrée de l’échangeur (x=0) Tc-Tf = Tce-Tfe •À la sortie de l’échangeur (x=L) Tc-Tf = Tcs-Tfs (8) uploads/Finance/ cours-iup-me-echangeurthermique-2 1 .pdf