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Introduction Les échangeurs de chaleur sont présents dans la plupart des sociét

Introduction Les échangeurs de chaleur sont présents dans la plupart des sociétés industrielles. Une grande part (90 %) de l'énergie thermique utilisée dans les procédés et systèmes de récupération transite au moins une fois par un échangeur de chaleur. On les utilise principalement dans les secteurs de l'industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire, production d'énergie, etc.), du transport (automobile, aéronautique, marine), mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, etc.). 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 consommée des procédés. Un échangeur de chaleur 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. La plupart du temps, on utilise cette méthode pour refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu'il est impossible ou difficile de refroidir ou chauffer directement, par exemple l'eau d'un circuit primaire de refroidissement, d'une centrale nucléaire. L’appareil est constitué d’un faisceau de tubes, disposés à l’intérieur d’une enveloppe dénommée calandre. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre à l'intérieur de la calandre, autour des tubes. On ajoute en général des chicanes dans la calandre, qui jouent le rôle de promoteurs de turbulence et améliorent le transfert à l'extérieur des tubes.  À courant co-courant : les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens.  À contre-courant : idem, mais les courants vont dans des sens opposés. But du TP  Evaluer les performances thermiques d’un échangeur multitubulaire  Evaluer quel type d’échangeur est le plus efficace pour transmettre de la chaleur entre deux fluides, l’échangeur de type co-courant ou contre-courant.  Montrer et faire comprendre des concepts importants comme : Profiles de température Ecoulements en co-courant et en contre-courant Rendement de l’échangeur Coefficient global du transfert de chaleur Moyenne logarithmique 1 Partie expérimentale Présentation de l'installation L'installation consiste essentiellement en deux échangeurs industriels (multitubulaire et à plaques), montrés sur une charpente avec leurs organes de contrôle et de mesure. Le banc d'expérimentation permet d'utiliser ces échangeurs à (co-courant ou à contre- courant). Le banc d’expérimentation comprend :  Échangeur multitubulaire  Échangeur à plaques  Vanne de réglage du débit de fluide thermique VR1  Vanne de réglage du débit d'eau froide VR2  Vanne de mise en ligne des différents éléments et circuit V1 à V21  Débitmètre à flotteur 200 2000L/h débit de fluide chaud F1  Débitmètre à flotteur 200 2000L/h débit de fluide froid F2  Groupe de chauffe/ froid : alimentation en fluide thermique  16 secondes de mesure de température  5 indicateurs de pression types manomètres Fonctionnement du banc d'expérience Circuit d'eau froide  Les circuits sont remplis et purgés l'un après l'autre  Partir toutes vannes fermées et ouvrir V16 et V11 ouvrir la vanne d'arrivée d'eau générale de la salle reliée au circuit d'eau froide.  Pour remplir l’échangeur multitubulaire ouvrir V 19 et V14. Ouvrir la vanne de réglage du débit VR2 et laisser se remplir l'échangeur. Si le remplissage se fait difficilement, fermer légèrement V14 et ouvrir une ou deux vannes de purge sur le dessus de la calandre. Lorsque la calandre est remplie Rouvrir V14  Le circuit froid est prêt à être utilisé Circuit d'eau chaude  Ouvrir la vanne d’arrivée d’eau générale de la salle relié au groupe de chauffe ainsi que la vanne de barrage situé à l'arrière du groupe de chauffe (Entrée Refroidissement)  Partir toutes vannes fermées sur le circuit chaud ouvrir V9  Mettre l'armoire électrique sous tension en Commutant le sectionneur général sur « I » Réarmer en appuyant sur le bouton vert « En Service »  Mettre le groupe de chauffe sous tension en commutant son sectionneur général sur « I » 2  Lorsque tous les circuits sont pleins ; arrêter le groupe de chauffe  Le circuit chaud est prêt à être utilisé  Ouvrir les arrivées d'eau connectées au groupe de chauffe et à l'arrivée d'eau froide sur le pilote  Mettre sous tension le coffret électrique puis appuyer sur le bouton vert de mise en service les afficheurs se mettent sous tension  Mettre sous tension le groupe de chauffe en commutant son sectionneur général sur « I » Etude de l'échangeur multitubulaire : Échangeur multitubulaire : virole en acier inoxydable 304L, faisceau multitubulaire composé de 7 tubes en acier inoxydable 304 L (diamètre intérieur 14 mm, longueur de 0,526m) 1 passe, 2 chicanes en acier inoxydable 304L. Circuit chaud : ouvrir V2 et V7. Ouvrir VR1 et V9 mettre en route le groupe de chauffe et régler la température de consigne à la valeur souhaitée  Circuit froid : sur le coffret électrique positionner le commutateur « Echangeur » sur la position « 1-un Multitubulaire », sélectionner le sens de circulation en commutant le bouton « Sens De Circulation » sur la position souhaitée : « 1- co-courant » ou « 2- contre-courant »  En co-courant : ouvrir les vannes V16 V19 V14 et V11. Ouvrir la vanne VR2 et régler le débit d'eau froide souhaité dans l'échangeur  En contre-courant : ouvrir les vannes V10 V14 V19 et V21. Ouvrir la vanne VR1 et régler le débit d'eau froide souhaité dans l'échangeur. Figure 1 : Echangeur de chaleur multitubulaire. 3 Figure 2 : Banc d’expérimentation. A. Mode co-courant On règle l’échangeur multitubulaire en mode co-courant. On ajuste la température d’eau chaude à 50°c, et attendre jusqu’à la stabilisation et on note les valeurs de température. Tableau 1 : Résultat de circulation à co-courant. Débit (L/h) Eau chaude Eau froide N ° Eau chaud e Eau froide Températur e d’entrée (Tce) Températur e de sortie (Tcs) Températur e d’entrée (Tfe) Température de sortie (Tfs) 1 800 1500 50 44.5 15 18.1 B. Mode contre-courant On règle l’échangeur multitubulaire en mode contre-courant. On ajuste la température d’eau chaude à 50°c, et on attendre jusqu’à la stabilisation et on note les valeurs de température. 4 Tableau 2 : Résultat de circulation à contre-courant. Débit (L/h) Eau chaude Eau froide N ° Eau chaude (qc) Eau froide (qf) Température d’entrée (Tce) Température de sortie (Tcs) Température d’entrée (Tfe) Température de sortie (Tfs) 2 800 1500 50 44.2 15.6 18.6 1. Calcul de DTLM (différence de température logarithmique moyenne) a. Mode co-courant DTLM= (TcsTfs)(TceTfe) ln (TcsTfs) (TceTfe) *F avec : F= 0.98 AN: DTLM=¿¿ * 0.98 DTLM =29.9°c b. Mode contre-courant DTLM= (TceTfs)(TcsTfe) ln (TceTfs) (TcsTfe) *F AN: DTLM=¿¿ *0.98 DTLM =29.4°c 2. Calcul d’efficacité de l’échangeur  : (q.Cp)c = 800*4178 = 3.34.106 J/h.k (q.Cp)f = 1500*4180 = 6.3.106 J/h.k (q.Cp)c est faible, donc le fluide chaud qui commande le transfert. a. Mode co-courant :  =50−44.5 50−15 = 0.16 b. Mode contre-courant :  =50−44.2 50−15.6 = 0.17 5 3. Calcul de coefficients d’échange global de transfert de chaleur K : K = ❑ S. DTLM avec: S=0.196 m2 a. Mode co-courant:  = c = f f = (q .Cp)f.(Tfs_ Tfe) avec : qf = 1500L /h /3600= 4.167.10-1 kg/s Cpf = 4180 J/kg.k donc: f = 4.167.10-1.4180.(18.1_15) f = 5399.6 J/s K = 5399.6 0.196.29,9 = 921.4 w/m2°C b. Mode contre-courant: f = (q .Cp)f.(Tfs_ Tfe) AN : f = 4.167.10-1.4180 (18.6_15.6) f = 5225.4 J/s K = 5225.4 0.196.29,4 =906.8 w/m2°C Remarque : Le coefficient d’échange global en mode contre-courant est inférieur à celui en mode co- courant ça revient aux erreur durant l’expérience (lecture des température, problème dans le capteur de T, …). Conclusion Ce TP nous a permis de connaître l’influence du mode de circulation sur les paramètres d’un échangeur, notamment le coefficient d’échange et l’efficacité thermique. Il est facile de comprendre que grâce à l'inversion du sens de circulation d'un des deux fluides, l'échangeur à contre-courant transfère plus de chaleur que celui à co-courant. L’efficacité en mode contre-courant est grande; ce qui explique pourquoi l’échangeur de ce type est le plus utilisé dans le monde des industries. 6 uploads/Finance/ echangeur.pdf