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É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e

É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e r i n g N e t w o r k E N S I C – N a n c y • 2 0 0 2 Chapitre I: ÉCHANGEURS DE CHALEUR É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e r i n g N e t w o r k C h a p i t r e I E N S I C – N a n c y - 2 0 0 2 1 ÉCHANGEURS DE CHALEUR I. INTRODUCTION L’échange de chaleur entre deux fluides à températures différentes et séparées par une paroi solide intervient dans de très nombreuses réalisations industrielles. Le dispositif utilisé pour effectuer cet échange s’appelle "Echangeur de Chaleur". On le rencontre très fréquemment dans les procédés chimiques, mais il intervient aussi dans les systèmes de conditionnement d’air, dans les engins spatiaux, dans les unités de production d’énergie, etc. Le développement et le perfectionnement des échangeurs de chaleur sont très étroitement liés aux problèmes de l’utilisation rationnelle de l’énergie. Les considérations économiques jouent un rôle primordial dans la conception et le choix de ces appareils. Dans chaque cas, on devra optimiser le système pour obtenir le meilleur accord ou compromis possible entre l’objectif d’efficacité et les impératifs d’encombrement, de poids, de prix de revient, etc. Il s’agit d’ailleurs souvent de cas d’espèce et certains de ces impératifs peuvent imposer le choix d’une solution qui n’est pas forcément la plus économique. C’est ainsi que dans les applications spatiales ou aéronautiques le poids ou la taille sont des paramètres de la plus haute importance qui peuvent faire passer au second plan les considérations financières/ L’étude détaillée de tous ces facteurs sortirait des limites de cet exposé, cependant nous insistons sur leur importance qu’un ingénieur n’a pas le droit d’ignorer. Dans ce qui suit, on se bornera à exposer les méthodes qui permettent de calculer la taille et le type d’échangeur nécessaire pour atteindre un objectif donné en se limitant aux systèmes dans lesquels le transfert de chaleur se fait essentiellement par conduction et par convection. Ceci ne veut pas dire que le rayonnement ne joue aucun rôle dans les échangeurs de chaleur: dans de nombreuses applications spatiales c’est au contraire lui qui constitue le mode de transfert de loin le plus important. On trouvera dans ce cours une première partie (celle-ci) sur les principaux types d’échangeurs suivis d’une seconde sur le calcul général de la puissance échangée ou des coefficients globaux de transfert de chaleur. La troisième partie est consacrée à la description et au calcul des échangeurs tubes-calandre, alors que la quatrième partie concerne les échangeurs à plaques. Dans les deux cas, un exercice d’application permettra d’illustrer et d’appliquer les notions exposées. Les condenseurs et les rebouilleurs seront abordés respectivement dans les cinquièmes et sixièmes parties. Enfin, le cas du transfert thermique dans les réacteurs agités fera l’objet de la septième partie et les règles générales de dimensionnement des autres types d’échangeurs seront abordées dans la huitième et (provisoirement) dernière partie. É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e r i n g N e t w o r k C h a p i t r e I E N S I C – N a n c y - 2 0 0 2 2 II. PRINCIPAUX TYPES D’ECHANGEURS Il existe différents types d’échangeurs de chaleur que l’on peut classer en fonction de la disposition relative des deux fluides. On se limitera, dans tout cet exposé, aux échangeurs par contact indirect, c’est-à-dire dont les fluides échangent de la chaleur à travers une paroi physique. Le fonctionnement et le dimensionnement des échangeurs à contact direct (tour de refroidissement, colonne à plateau ou à garnissage…) seront abordés dans un autre exposé (cf. Cours "Génie des Procédés de séparations"). II. 1. ECHANGEURS A TUBES CO-AXIAUX. La configuration la plus simple est celle dans laquelle les deux fluides se meuvent soit dans le même sens soit en sens contraire. Le cas de loin le plus fréquent est celui où les fluides circulent dans des tubes concentriques ou co-axiaux. Les fluides circulent alors soit dans le même sens (échangeurs à co-courant, figure 1, cas assez rarement rencontré, du fait de sa faible efficacité), soit en sens contraire (échangeurs à contre-courant, figure 2). Fluide froid Fluide chaud Figure 1: Echangeur à co-courant: les écoulements des fluides sont parallèles et de même sens. É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e r i n g N e t w o r k C h a p i t r e I E N S I C – N a n c y - 2 0 0 2 3 Fluide chaud Fluide froid Figure 2: Echangeur à contre-courant: les écoulements sont parallèles mais de sens contraire Ce dernier type d’échangeur (tubulaire, à tubes co-axiaux et à contre courant) est assez fréquemment rencontré dans l’industrie. Il prend généralement une forme compacte, comme l’attestent les clichés (issus de documents industriels) présentés figure 3. Ses principaux avantages sont sa facilité de fabrication et d’entretien, son faible coût, sa gamme étendue de fonctionnement en température et en pression, et sa relative compacité. Toutefois, du fait de leurs faibles rapports "surface d’échange / volume d’échangeur" ces échangeurs seront limités aux faibles puissances échangées. Les principales règles de dimensionnement de ce type d’échangeurs seront présentées chapitre II. É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e r i n g N e t w o r k C h a p i t r e I E N S I C – N a n c y - 2 0 0 2 4 Figure 3: Echangeurs tubulaires à tubes à tubes co-axiaux et à contre courant II. 2. ECHANGEURS MULTITUBULAIRES, OU A FAISCEAU DE TUBES En pratique, les échangeurs à tubes co-axiaux ne permettent pas d’obtenir des surfaces d’échange de grande étendue. C’est pourquoi on dispose fréquemment un faisceau de tube à l’intérieur d’une enveloppe dénommée "calandre", l’un des fluides circulant à l’intérieur des tubes et l’autre autour des tubes, à l’intérieur de la calandre (voir figure 4, ci-dessous). En général, on ajoute des chicanes qui jouent le rôle de promoteurs de turbulence et donnent naissance à une composante de vitesse orthogonale aux tubes. Il en résulte une augmentation du coefficient de transfert à la surface externe des tubes. É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e r i n g N e t w o r k C h a p i t r e I E N S I C – N a n c y - 2 0 0 2 5 Figure 4 : Vue semi-éclatée d’un échangeur tube calandre Animation Echangeur tubes calandre Afin de diminuer l’encombrement des échangeurs tubes calandre (en longueur principalement) et d’améliorer les conditions de transfert, on oblige fréquemment le fluide à traverser successivement plusieurs sections du faisceau de tubes, comme le montre la figure 5-1. On parle alors d’échangeur à 2, 4, 6 ou plus… passes tubes. De la même façon, on peut obliger le fluide à passer successivement dans deux ou plusieurs parties de la calandre (voir figure 5-2), et l’on parle alors d’échangeur à 2, 4… passes calandre. É C H A N G E U R S D E C H A L E U R F r a n c e C h e m i c a l E n g i n e e r i n g N e t w o r k C h a p i t r e I E N S I C – N a n c y - 2 0 0 2 6 Figure 5-1: Echangeur tube calandre à 2 passes tube et 1 passe calandre Figure 5-2: Echangeur tube calandre à 4 passes tube et 2 passes calandre É C H A N G E U R S D E C H A L E uploads/Finance/ echangeur-thermique-chapitre-1.pdf