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1 الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et

1 الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université BADJI MOKHTAR Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie Mécanique Filière : Master 2 Spécialité : Energétique Présenté par : Madassi Kaouther Proposé et dirigé par : Mr MZAD Année universitaire : 2019/2020 échangeur de chaleur á plaques joints et 2 Introduction..........................................................................................6 I.1 Définition ........................................................................................6 I.2 Technologie des plaques ................................................................7 I.2.1 Plaque à canal large....................................................................7 I.2.2 Plaque à double paroi ................................................................8 I.2.3 Plaque semi-soudée .....................................................................8 I.2.4 Profil d’écoulement .....................................................................8 I.2.5 Auto centrage des plaques ..........................................................9 I.2.6 Joint sans colle .............................................................................9 I.3 Optimisation de l’échange de chaleur .........................................10 I.4 Principe de fonctionnement .........................................................10 I.4.1 Circulation latérale à travers les plaques.................................12 I.4.2Circulation diagonale à travers les plaques...............................12 I.4.3 Nettoyage de l’échangeur ..........................................................12 I.4.3.1 Nettoyage mécanique ..............................................................12 I.4.3.2 Nettoyage chimique ................................................................13 I.4.4 Remplacement d’un joint ou d’une plaque ............................13 I.4.4.1 Remplacement d’un joint .......................................................13 I.4.4.2 Remplacement d’une plaque .................................................13 I.4.4.3 Installation de nouvelles plaques ..........................................13 I.4.4.4 Stockage des pièces de rechanges ..........................................13 a) Plaques ............................................................................................13 b) Joints ...............................................................................................14 Sommaire 3 c) Colle .................................................................................................14 I.4.4.5 installation des plaques........................................................... 14 I.4.4.6 Serrage manuel du paquet des plaques................................. 14 I.4.4.7 Le test hydraulique .................................................................15 I.5 l’encrassement ...............................................................................15 I.5.1 Définition ....................................................................................15 I.5.2 Classification d’encrassement................................................... 16 I.5.2.a : Encrassement particulaire ...................................................17 I.5.2.b Corrosion .................................................................................17 I.5.2.c Entartrage ................................................................................18 I.5.2.d : Encrassement biologique .....................................................19 I.5.2.e Encrassement par réaction chimique ....................................20 I.5.2.f Encrassement par solidification..............................................20 I.7.2.g Modes combines.......................................................................20 I.6 Avantages et inconvénients et utilisation ....................................21 I.6.a Avantage .....................................................................................21 I.6.b Inconvénients .............................................................................22 I.6.c Utilisation.....................................................................................22 II. Calcul d’un échangeur de chaleur à plaque ...............................23 II.1 Les équations d’échange .............................................................24 II.2 Méthode du DTLM (Différence de Température Logarithmique Moyenne)..............................................................................................24 II.3 Méthode du NUT (Nombre d’Unité de Transfert) Principe ...............................................................................................26 Application numérique.......................................................................27 Conclusion générale ...........................................................................31 4 Figure I.1: Échangeur à plaque et joint. 6 Figure I.2: Plaque à canal large.............7 Figure I.3: Plaque à double paroi..........8 Figure I.4: Plaque semi-soudée.............................................................8 Figure I.5: Profil d’écoulement d’une plaque.......................................9 Figure I.6: Représente l’auto centrage dans une plaque.......................9 Figure I.7: Le joint sans colle..............................................................10 Figure I.8: Principe de fonctionnement d’un échangeur à plaques jointé......................................................................................11 Figure I.8.1 : Bâti d’échangeur de chaleur à plaques...........................11 Figure I.9: La circulation des fluides est latérale.................................12 Figure I.10: La circulation des fluides est diagonale...........................12 Figure I.11: Assemblage des plaques...................................................14 Figure I.12 : La corrosion dans un échangeur industriel.....................17 Figure I.13: Entartrage d’un échangeur qui utilise l’eau de mer.........18 Figure I.14 : encrassement biologique à cause de l’attaque des algues (SKH)....................................................................................................19 Figure I.15: Un échangeur a un problème d’encrassement combiné..... ...............................................................................................................21 TABLE DES FIGURES 5 Nomenclature S La surface d’échange de la chaleur (m2) Cp La chaleur spécifique (J/ (kg K)) f Facteur de friction / k Constantes dans l’équation / DTLM La différence de température logarithmique doyenne (°C) ˙ m Le débit massique (kg/s) NUT Nombre de transfert des unités / E L’efficacité thermique / φ : Flux de chaleur [KW] T La température (°C) ηth: L’efficacité thermique / Qréel : La quantité de chaleur échangée réel (w) Qmax : La quantité de chaleur échangée max (w) qmc : Le débit massique du fluide chaud, (Kg/s) Cpc : La chaleur spécifique du fluide chaud, (J/ (Kg K)) Tce : Température d’entrée du fluide chaud, (°C) Tcs : Température de sortie du fluide chaud, (°C) qmf : Le débit massique du fluide froid, (Kg/s) Cpf : La chaleur spécifique du fluide froid, (J/ (Kg K)) Tfs : Température de sortie du fluide froid, (°C) Tfe : Température d‘entrée du fluide froid, (°C) qt : capacité thermique W/K U : Coefficient d’échange global [W/m2K] 6 Introduction Les échangeurs à plaques et joints sont très utilisés dans la géothermie car La performance de l’échangeur placé dans une installation de géothermie est Caractérisée par la différence entre les températures à l’entrée de la boucle Géothermale et la sortie du circuit géothermique. Les meilleures performances sont obtenues avec des échangeurs à plaques et joints. Ils se distinguent par une compacité remarquable due en partie à leur Coefficient de transfert de chaleur élevé, une grande facilité de nettoyage et la Possibilité d’ajuster leur surface à la demande. I.1 Définition : La surface d’échange est alors 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. Figure I.1: Échangeur à plaque et joint. 7 I.2 Technologie des plaques : Les plaques d’un échangeur de chaleur sont en général en forme de chevron pour augmenter la turbulence et ménager des points d’appuis pour résister à la pression. Leur faible épaisseur permet d’utiliser des matériaux de bonne qualité ayant une bonne tenue à la corrosion (acier inox, titane, etc.). De plus, les joints en polymères assurent un double rôle dans l’échangeur de chaleur à plaque jointé:  étanchéité,  répartition des fluides dans l’échangeur. Parmi les techniques de fabrication des plaques d’un échangeur de chaleur, nous citons les plus répondus dans le marché. I.2.1 Plaque à canal large Avec des canaux de 12 mm sans points de contact, cette plaque est idéale pour les fluides contenant des fibres ou des particules de grande taille. Chaque canal a été conçu pour éliminer le passage des solides dans la zone d’entrée. La figure ci contre représente une plaque à canal large. 8 Figure I.2: Plaque à canal large. I.2.2 Plaque à double paroi : Composée de plaques comprimées simultanément et soudées au laser sur le port, cette plaque est conçue pour les applications nécessitant une fiabilité totale contre le brassage. La défaillance d’une plaque entraîne une détection externe sans fuite interne. La seconde paroi assure une double barrière entre les fluides, répondant aux normes sanitaires locales. Figure I.3: Plaque à double paroi. I.2.3 Plaque semi-soudée : La Figure suivante présente deux plaques semi-soudée, séparés avec des joints. 9 Figure I.4: Plaque semi-soudée. I.2.4 Profil d’écoulement : Le profil optimisé assure une bonne répartition des fluides sur toute l’épaisseur de la plaque. Ceci conduit aux meilleurs taux de transfert de chaleur pour la plus faible perte de charge Figure I.5: Profil d’écoulement d’une plaque. I.2.5 Auto centrage des plaques : L’Auto centrage des plaques. Il en résulte un jeu de plaques stable et parfaitement aligné, les joints étant situés directement au-dessus l’un de l’autre ce qui permet une longévité accrue 10 Figure I.6: Représente l’auto centrage dans une plaque. I.2.6 Joint sans colle : Le nouveau joint sans colle permet un remplacement des joints rapide et simple. Figure I.7: Le joint sans colle. I.3 Optimisation de l’échange de chaleur : Les échangeurs de chaleur à plaques sont conçus pour optimiser le transfert de chaleur, car les plaques cannelées fournissent de loin la plus importante surface à travers laquelle la chaleur peut être transférée d’un gaz ou d’un liquide à un autre. Malgré l’importance de cette zone de transfert thermique, les échangeurs de chaleur à plaques sont généralement assez compacts. La conception des canaux assure également une turbulence maximale lors de chaque passage de fluide, ce qui permet d’obtenir une efficacité maximale dans le transfert de chaleur d’un milieu à l’autre. 11 I.4 Principe de fonctionnement : Un échangeur de chaleur à plaques consiste pour l’essentiel en une série de fines plaques cannelées assemblées et/ou soudées, en fonction des liquides qui circuleront dans les plaques et de l’éventuelle possibilité de séparer les plaques pour une raison quelconque. Les plaques sont ensuite embouties ensemble dans un bâti rigide afin de créer une circulation de flux parallèles. L’un des fluides se déplace dans les canaux impairs, l’autre fluide dans les canaux pairs. Figure I.8: Principe de fonctionnement d’un échangeur à plaques jointé 12 ALFA LAVAL. Figure I.8.1 : Bâti d’échangeur de chaleur à plaques I.4.1 Circulation latérale à travers les plaques Figure I.9: La circulation des fluides est latérale I.4.2Circulation diagonale à travers les plaques 13 Figure I.10: La circulation des fluides est diagonale I.4.3 Nettoyage de l’échangeur : I.4.3.1 Nettoyage mécanique : Desserrer le paquet de plaques, ôter les tirants, déplacez le fond mobile contre le pied et faites glisser les plaques suivant des parts pour permettre de les nettoyer séparément avec une brosse ou de l'eau sous pression. Quand vous utilisez de l'eau sous pression, les plaques doivent être posées à plat pour éviter de la abîmées. N'utilisez jamais de brosse métallique qui pourrait créer des amorces de corrosion des plaques. Soyez prudent de ne pas endommager les joints et de s'assurer qu'ils sont en bon état avant de les remonter sur l'échangeur. I.4.3.2 Nettoyage chimique : Le nettoyage des plaques sans démonter les plaques de l'échangeur est possible. Monter un système de nettoyage en place sur les orifices de l'échangeur et faites circuler sur chaque circuit un produit de nettoyage approprié. Assurez-vous de la bonne tenue des plaques et des joints par rapport à ce produit. I.4.4 Remplacement d’un joint ou d’une plaque : I.4.4.1 Remplacement d’un joint : 14 Retirer la plaque de l'échangeur thermique et ôter le joint. Si le joint pose des difficultés à s'enlever, utilisez un pistolet à air chaud uploads/Finance/ echangeur-a-plaque-et-joints.pdf