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Echangeur de chaleur Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Ener

Echangeur de chaleur Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés I.Généralités 1. définition 2. Hypothèse de fonctionnement 3. Principaux types d’échangeurs thermiques 2 Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés Les échangeurs de chaleur : Sont des dispositifs qui assurent l'échange de chaleur entre deux fluides à des températures différentes sans qu'ils soient mélangés. On trouve les échangeurs de chaleur dans une multitude de procédés industriels : exemple domaine agroalimentaire, dans le but de : - pasteuriser, stériliser un produit sensible - stabiliser une phase - cristalliser - homogénéiser I.1 Définitions Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés I.2 Hypothèses de fonctionnement 4 • 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 Pas de changement de phase au cours du transfert. •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 Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques 5 Échangeur tubulaire Échangeur à co-courant Échangeur à contre courant Co-courant Contre-courant Échangeurs Tubes/Calandre (à faisceaux complexes) Dans ce type d’échangeurs, l’un des fluides circule dans le calandre autour de tubes qui le franchissent tandis que l’autre fluide circule à l’intérieur des tubes. Souvent, il est constitué d’un faisceau de tubes traversant un réservoir de manière longitudinale Échangeurs à courants croisés 2 fluides s’écoulent perpendiculairement l’un à l’autre - non brassé : fluide circule dans des canaux parallèles distincts et de faible section - brassé: fluide ne circule pas dans des canaux parallèles distincts et de faible section Brassage : homogénéiser les températures dans la section droite de  l’échangeur Échangeur à courants croisés : utilisés pour des échanges entre gaz circulant en calandre et liquide circulant dans les tubes, le radiateur de refroidissement des véhicules à moteur est un exemple de cet échangeur. 6 Courant croisés Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques 7 Échangeurs à plaques : Ce type d’échangeurs est constitué de plaques assemblées de façon que le fluide puisse circuler entre elles. Un jeu de joints assure la distribution des fluides entre les plaques de telle sorte que chacun des deux fluides soit envoyé alternativement entre deux espaces inter plaques successifs. Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés I.3 Principaux types d’échangeurs thermiques 8 Échangeurs à plaques : PARTICULARITES - Coefficient de transfert thermique 2 à 3 fois supérieur à celui d'un échangeur tubulaire - Approche de température faible (jusqu'à 1°C) - Faible perte de charge - Faible encombrement - Poids de métal réduit - Absence de volume mort - Vitesse linéaire du fluide élevée - Surface modulable par ajout ou retrait de plaques - Température limitée par la résistance des joints (150°C environ) - Pression limitée à 25 bars. DOMAINES D'APPLICATION - Chauffage de produits thermosensibles (pasteurisation du lait) - Produits corrosifs nécessitants des métaux coûteux - Réfrigération des liquides à des températures inférieures à l'ambiante - Chauffage et refroidissement de produits visqueux Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés II.Évaluation des performances thermiques d’un échangeur 1. Coefficient d’échange global U 2. Distribution de température dans un échangeur 3. Étude d’un échangeur 9 Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés 1 0 II-1 Coefficient de transfert global - Résistances thermiques U Déterminer un coefficient global de l'échange thermiqueU . Il est défini par la relation suivante : Dans un échangeur de chaleur, le transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid provient essentiellement de ces phénomènes : Convection entre le fluide chaud et la face externe de la paroi solide, Conduction à travers cette paroi solide, Convection entre la face interne de la paroi solide et le fluide froid. mur Cylindre 1 U.S = Φ = U.S.(Tc-Tf) Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés 1 1 II-1 Coefficient de transfert global - Résistances thermiques U Dans la formule précédente de U, nous avons supposé la même surface d’échange S côté chaud et côté froid. Dans la pratique, la surface d’échange n’a pas toujours la même étendue au contact des deux fluides. Il faut donc introduire des surfaces d’échange S1 et S2, et rapporter le coefficient d’échange global, soit à l’unité de surface d’échange côté chaud - et on le notera Uc- soit à l’unité de surface d’échange côté froid - et on le notera Uf Avec le fonctionnement les parois d’échange se recouvrent d’un film d’encrassement. Ces dépôts de tartre et de salissures ont une conductivité thermique faible par rapport à celle du métal, et constituent donc des résistances thermiques supplémentaires Rec et Ref s’opposant àl’échange On choisit de rapporter le flux de chaleur échangé à la surface S2 = 2π r2 L, soit d’écrire : Ф = h S2 ΔT . Le coefficient global de transfert h d’un échangeur de chaleur s’écrit donc : Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés II.2 Distribution de température dans un échangeur Distribution des températures dans un échangeur à courants parallèles co-courant Distribution des températures dans un échangeur à contre-courant Echangeur contre -courantfavorable pour l’échangethermique 12 Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés Etude d’un échangeur 13 L’étude des échangeurs à pour objectif de chercher comment obtenir une puissance d’échange donnée avec la plus faible surface d’échange et le moins de perte de charge possible. Autrement dit un meilleur cout d’investissement et d’exploitation. Afin de répondre à cet objectif, deux méthodes sont utilisées : DTLM NUT Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures DTLM 14 Cas d’échangeur à co-courant : Soit Tc et Tf sont les températures des deux fluides chaud et froid de part et d’autre de l’élément de la surface d’échange dS. le débit de chaleur dQ échangé entre les deux fluides à travers dS peut s’écrire ( ) f c T T dS U dQ − = . . Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures DTLM 15 Cas d’échangeur à co-courant : D’autre part si on suppose que l’échange thermique entre les deux fluides se passe sans pertes d’énergie, c’est-à-dire on est en présence d’un échangeur dans lequel la chaleur cédée par le fluide chaud est intégralement transmise au fluide froid. Donc le débit de chaleur dQ transmis du fluide chaud au fluide froid à travers l’élément dS s’écris : f p f c p c dT c m dT c m dQ f c   = − = c p c C c m dQ dT  − = f p f f c m dQ dT  = Flux perdu par le fluide chaud Flux gagné par le fluide froid Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures DTLM 16 Cas d’échangeur à co-courant : La différence de ces deux relations donne : f c p f p c f c c m dQ c m dQ dT dT   − − = − ( )         + − = − f c p f p c f c c m c m dQ T T d   1 1 ( ) f c T T dS U dQ − = . . Le remplacement de ceci dans la dernière relation donne : Or on a ( ) ( )         + − − = − f c p f p c f c f c c m c m T T dS U T T d   1 1 . . . ( ) ( )         + − = − − f c p f p c f c f c c m c m dS U T T T T d   1 1 . . Ecole Supérieure de Technologie Béni Mellal Module M8 Energétique DUT Génie des Procédés II.3 Méthode de la différence logarithmique des températures DTLM 17 Cas d’échangeur à co-courant : Intégrons cette expression entre x=0 et x=L donne : ( ) ( ) ∫ ∫         + − = − − f c p f p c f c uploads/Finance/ echangeurs-de-chaleur 4 .pdf