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FORMATION INDUSTRIE Centre des Techniques Appliquées de SKIKDA Echangeurs de ch

FORMATION INDUSTRIE Centre des Techniques Appliquées de SKIKDA Echangeurs de chaleur Animateurs: M: M. SILINI A. MENIDJEL Date: du 26 au 29/3/2006 GROUPEMENT «INSTITUT ALGERIEN DU PETROLE, CORPORATE UNIVERSITY» IAP-CU SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 2 SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 3 Notions fondamentales sur la transmission de chaleur Introduction : La transmission de la chaleur ou la théorie d’échange de chaleur est une science qui traite de la propagation de la chaleur dans différents milieux. L’expérience montre que deux corps isolés de l’ambiance et à température différente échangent de l’énergie sous forme de chaleur jusqu’à disparition complète de leur différence de température. On distingue actuellement trois modes de transmission de la chaleur : ● Conduction ● Convection ● Rayonnement ou radiation 1 - CONDUCTION : C’est un processus d’échange de chaleur entre les particules des corps en présence d’un gradient de température. L’essentiel de ce transfert résulte de la transmission d’une énergie cinétique des particules infimes composant le corps (oscillations des molécules, mouvements des électrons, … etc.). La conduction thermique à l’état pur ne se manifeste que dans les corps solides et dans les couches minces et immobiles de liquides ou de gaz. La chaleur est transmise au fluide à travers la paroi de la casserole 2 - CONVECTION : SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 4 Cet échange à pour origine le mouvement d’un fluide. Ce mouvement peut prendre naissance sous l’effet des différences de températures dans le fluide donc de différences de densité par déplacements réciproques de particules chaudes et froides : Il s’agit de convection libre ou naturelle. Ce mouvement peut être provoqué par une cause mécanique (pompe, agitateur, soufflante …etc.) : Il s’agit alors de convection forcée. Dans la casserole d’eau qui chauffe les molécules chaudes ont tendance à monter car moins denses Le mouvement de l'eau qui bout dans une casserole que l'on chauffe relève du phénomène de la convection ; l'eau des zones les plus chaudes (celles qui sont au fond de la casserole) se dilatent et s'élèvent (poussée d'Archimède) tandis que celle des zones les plus froides descendent. Le mouvement d'ensemble des molécules d'eau dû à des différences de température est ce qu'on appelle la convection naturelle. Ce mouvement peut être provoqué par une cause mécanique (pompe, agitateur, soufflante …etc.) : Il s’agit alors de convection forcée. 3 - RAYONNEMENT : Cet échange est caractérisé par l’absence d’un contact direct entre les corps. Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (0°K) rayonne dans toutes les directions une énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Inversement tout corps est susceptible d’absorber ou d’émettre partiellement ou entièrement une énergie. Plus nous éloignons d’un bon feu, moins nous recevons de chaleur SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 5 En réalité tout échange thermique s’effectue sous les trois formes précédentes mais l’une d’elles est prédominante et les autres peuvent être négligée. Enfin, signalons que l’échange de chaleur entre les corps peut s’opérer à des régimes thermiques établis (ou permanents) et non établi (ou transitoire). Pendant le régime établi la température à chaque point du corps reste invariable dans le temps. Lorsque le régime est non établi la température à chaque point du corps varie en fonction du temps : les équations de transfert comportent alors le terme différentiel dt relatif au temps. Dans ce qui suit il est seulement examiné le régime thermique établi vu qu’il est plus simple à décrire et qu’il est d’une grande importance pratique. SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 6 SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 7 Transfert de chaleur 1 – CONDUCTION Fourier dés 1822, écrit l’expression du flux élémentaire de chaleur pendant le temps dt sous la forme suivante : q = dl dT dt ds dQ λ − = . Où : dQ : quantité de chaleur dt : temps dT : température dl : épaisseur du matériau traversé par le flux de chaleur ds : section traversée par le flux de chaleur λ : coefficient de conductivité thermique du matériau Le signe moins signifie que le flux calorifique va du chaud au froid. Le signe du gradient de température est opposé à celui du flux. 1 – 1. Conduction à travers une paroi plane : – Paroi à une seule couche : La variation de la température suivant l’épaisseur de la paroi est régie par une relation linéaire. La quantité de chaleur passant à travers la paroi est exprimée par la loi de Fourier: Q = λ s e t t ) ( 2 1 − Où Q : la quantité ou débit de chaleur en W λ : coefficient de conductivité thermique du matériau en W /m.°C t1 : température de la surface extérieure de la paroi en °C SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 8 t2 : température de la surface intérieure de la paroi en °C e : épaisseur de la paroi en m s : surface de la paroi en m2 Le coefficient de conductivité thermique est en général déterminé par voie expérimentale. La valeur de λ dépend de la nature de la substance du corps, de sa structure, et varie en fonction de la température. Dans le tableau ci- dessous il est donné les valeurs de λ pour différents corps solides, liquides et gazeux. D'une façon générale, les métaux sont beaucoup plus conducteurs de chaleur que les substances non métalliques. Les gaz sont plutôt mauvais conducteurs : le caractère isolant de la laine de verre est dû à la présence de l'air emprisonné entre les fibres. Reprenons l’équation : Q = λ s e t t ) ( 2 1 − En divisant : S Q On aura q = S Q = λ e t t ) ( 2 1 − en W /m2 La grandeur q = S Q est appelée densité spécifique du flux thermique ou flux de chaleur. q = ) ( 2 1 t t e − λ en W /m2 La grandeur e λ est appelée conductivité (ou conductance) thermique. Et sa valeur inverse λ e résistivité (ou résistance) thermique exprimée en W C m ° . 2 En posant R = λ e on obtient : Q = s R t t ) ( 2 1 − Et : q = R t t 2 1 − – Paroi à plusieurs couches (murs composés) : Matériau λ (W /m. degré) Matériau λ (W /m. degré) Aluminium 204 Verre 0,78 Cuivre 386 Liége 0,17 Fer (pur) 16 Laine de verre 0,038 Acier au carbone 50 Eau 0,556 Fonte 60 Air 0,0262 Argent 419 Tartre de chaudière 0,70 Laiton 100 Suie 0,08 Béton 1,30 Brique réfractaire 0,75 SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 9 Considérons une paroi constituée par trois couches de matériaux différents adhérant intimement l’une à l’autre. Le flux de chaleur q est constant pour toutes les couches de la paroi. C’est pourquoi pour chacune des couches nous pouvons écrire l’équation suivante : 1ére couche : ) ( 2 1 1 1 t t e q − = λ 2éme couche : ) ( 3 2 2 2 t t e q − = λ 3éme couche : ) ( 4 3 3 3 t t e q − = λ En additionnant ces trois équations membre à membre nous obtenons : 2 3 3 2 2 1 1 4 1 / m w en e e e t t q λ λ λ + + − = Si le mur est constitué par l’accolement de n couches d’épaisseurs e1, e2, …en et de conductivités thermiques λ1, λ2,…λn, le flux reste toujours constant et l’on a : ∑ + − = i i n i e t t q λ 1 Si : R = Σ ei /λi = Σ Ri On aura : ∑ + − = i n i R t t q 1 Où SH / IAP SKIKDA ECHANGEURS DE CHALEUR Réalisé par : M.SILINI et A.MENIDJEL 10 Σ Ri : Est la somme de toutes les résistivités thermiques des différentes couches de la paroi 1 – 2. Conduction à travers une paroi cylindrique : Outre les parois planes, dans le domaine pratique de l’échange de chaleur il est souvent utilisé des parois cylindriques (parois de tubes) qui sont soit à une seule couche soit à plusieurs couches. – Paroi à une seule couche : La valeur de la quantité de chaleur passant à travers une paroi cylindrique à une seule couche est : Q = 1 2 2 1 ln 2 1 d d l t t πλ − en w Où : L : longueur du tube en m d1 et d2 les diamètres intérieur et extérieur en m t1, t2 uploads/Finance/ echangeurs-de-chaleur 2 .pdf