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Date de publication : 10 janvier 2014 Mots-clés Chauffage | Refroidissement | T

Date de publication : 10 janvier 2014 Mots-clés Chauffage | Refroidissement | Thermique | Procédés | Energétique Keywords heating | cooling | Thermic | process | energetic Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l’Ingénieur Immeuble Pleyad 1 39, boulevard Ornano 93288 Saint-Denis Cedex Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Réf. : BE9515 V1 Échangeurs de chaleur - Définitions et principes généraux Cet article est issu de : Énergies | Thermique industrielle par André BONTEMPS Résumé L'échangeur de chaleur, instrument clé du thermicien ou de l'énergéticien, permet de contrôler la température d'un système ou d'un produit en échangeant de la chaleur entre deux milieux. Ce principe est mis en oeuvre dans de nombreuses applications courantes : chauffage, climatisation, réfrigération, refroidissement électronique, génie des procédés, stockage d'énergie ou production d'énergie mécanique (ou électrique) à partir d'énergie thermique. Dans l'échangeur classique, un fluide chaud transfère une partie de son enthalpie à un fluide froid. Ce type d'échangeur servira de base pour donner les définitions et les paramètres nécessaires à son dimensionnement, ainsi qu'à la compréhension des phénomènes. D'autres types d'échangeurs sont également évoqués. Abstract The heat exchanger, key instrument for thermal or energy engineers, is a device which allows the temperature of a system or a substance to be controlled when exchanging heat from a medium to another. It is essential in many usual applications: heating, air-conditioning, refrigeration, electronic cooling, in process industries, in energy storage or for mechanical (or electrical) energy production in power plants. In a classical heat exchanger, a hot fluid exchanges a part of its enthalpy to a cold fluid. This type of heat exchanger will serve as a reference in this article to give definitions and parameters required for understanding phenomena and for sizing or rating. Other types of existing heat exchangers will also be mentioned. Document téléchargé le : 05/11/2019 Pour le compte : 7200049459 - universite savoie mont blanc // 130.190.247.203 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés BE 9 515 – 1 Échangeurs de chaleur Définitions et principes généraux par André BONTEMPS Professeur émérite Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI) Université Joseph Fourier, Grenoble, France Actualisation de l’article [B 2 340] écrit par BONTEMPS (A.), GARRIGUE (A.) GOUBIER (Ch.), HUETZ (J.), MARVILLET (Ch.), MERCIER (P.), VIDIL (R.) en 1994 et mis à jour par BONTEMPS (A.) en 2013 ’échangeur de chaleur, instrument clé du thermicien ou de l’énergéticien permet de contrôler la température d’un système ou d’un produit en échangeant de la chaleur entre deux milieux. Il est indispensable dans de nombreuses applications courantes, chauffage, climatisation, réfrigération, refroidissement électronique, en génie des procédés, pour le stockage d’énergie ou la production d’énergie mécanique (ou électrique) à partir d’énergie thermique. Dans l’échangeur classique, un fluide chaud transfère une partie de son enthalpie à un fluide froid. Ce type d’échangeur sert de base pour donner les définitions et les paramètres nécessaires à son dimensionnement ainsi qu’à la compréhension des phénomènes. D’autres types d’échangeurs existent qui sont également évoqués. 1. Définitions générales ........................................................................... BE 9 515 - 3 2. Échangeur élémentaire ........................................................................ — 3 2.1 Aspect externe : échangeur comme quadripôle .................................... — 3 2.2 Aspect interne : échange élémentaire..................................................... — 5 3. Architecture générale de l’échangeur............................................. — 9 3.1 Trois principales configurations d’écoulement ...................................... — 9 3.2 Conséquences ........................................................................................... — 9 3.3 Échangeur industriel : combinaison des trois configurations élémentaires .............................................................................................. — 11 4. Relations entre les mesures aux entrées-sorties et le fonctionnement interne ............................................................. — 14 4.1 Hypothèse du coefficient d’échange global K constant......................... — 14 4.2 Grandeurs classiques définissant l’échangeur....................................... — 15 5. Analyse énergétique globale.............................................................. — 19 6. Conclusions et perspectives .............................................................. — 20 Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. BE 9 515 L Parution : janvier 2014 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200049459 - universite savoie mont blanc // 130.190.247.203 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200049459 - universite savoie mont blanc // 130.190.247.203 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200049459 - universite savoie mont blanc // 130.190.247.203 tiwekacontentpdf_be9515 v1 ÉCHANGEURS DE CHALEUR ___________________________________________________________________________________________________________ Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés BE 9 515 – 2 Notations et symboles Symbole Unité Définition m2 Surface d’échange entre deux fluides : si indicée 1 ou 2, surface d’échange en contact avec les fluides 1 ou 2 respectivement At m2 Section droite de passage d’un fluide (pouvant avoir l’indice 1 et 2) cp J/(kg · K) Capacité thermique massique à pres- sion constante (si indicée 1 ou 2 con- cerne le fluide 1 ou le fluide 2 respectivement) W/K Débit de capacité thermique d’un fluide (anciennement débit calorifique) W/K Débit de capacité thermique du fluide 1 W/K Débit de capacité thermique du fluide 2 CEPE nombre Coefficient d’Évaluation de Performance Énergétique Dh m Diamètre hydraulique DTML K (ou oC) Différence des Températures de mélange Moyenne Logarithmique : e m Épaisseur F nombre Facteur de correction du DTML g m/s2 Accélération gravitationnelle h W/(m2 · K) Coefficient d’échange convectif fluide/paroi H J/kg Enthalpie massique K W/(m2 · K) Coefficient d’échange global L m Longueur de l’échangeur kg/s Débit-masse Nu nombre Nombre de Nusselt NUT nombre Nombre d’unités de transfert : p Pa Pression Pr nombre Nombre de Prandtl Pm m Périmètre mouillé Q J Énergie thermique Qv m3/s Débit-volume m2 · K/W Résistance thermique globale (= 1/K) R nombre Rapport des débits de capacité thermique R = min(R1 , R2) R1 nombre Rapport des débits de capacité thermique R2 nombre Rapport des débits de capacité thermique Re nombre Nombre de Reynolds Re = ρVqDh/µ s m Coordonnée curviligne t s Temps Aℓ C mc A V c p t q p = ρ C1 C2 DTML T T T T T = ∆ ∆ −∆ ∆ ∆ ML L L 0 0 ln m NUT K A C = ℓ min R C C 1 1 2 = / R C C 2 2 1 = / T K (ou oC) Température locale ; par extension, température de mélange dans une section donnée u, v, w m/s Composantes du vecteur-vitesse en coordonnées orthonormées Vq m/s Vitesse débitante de l’écoulement dans une section donnée (= Qv/At) x nombre Titre de vapeur (rapport entre débit- masse de vapeur et débit-masse total) x, y, z m Coordonnées en repère orthonormé β K–1 Coefficient de dilatation volumique du fluide ∆T K (ou oC) Écart de température ε nombre Efficacité de l’échangeur ε = max (ε1, ε2) = max (∆T1, ∆T2)/∆Tmax ε1 nombre Efficacité calculée côté chaud ε2 nombre Efficacité calculée côté froid θ rad Angle λ W/(m · K) Conductivité thermique Λ nombre Coefficient de frottement ou coefficient de Darcy µ PI = Pa · s Viscosité dynamique ν m2/s Viscosité cinématique (ν = µ/ρ) ξ nombre Facteur de perte de pression ρ kg/m3 Masse volumique τ m3 Volume (dτ volume élémentaire) W/m2 Densité de flux thermique, puissance thermique surfacique Φ W Flux thermique, puissance Indices e entrée ext extérieur f fluide i intérieur linéique L en x = L m mouillé meca mécanique M maximum s sortie t thermique 0 en x = 0 1 concernant le fluide 1 (fluide chaud) 2 concernant le fluide 2 (fluide froid) Notations et symboles (suite) Symbole Unité Définition C C T T 1 2 1 1 , max ε = ∆ ∆ / C C T T 1 2 2 2 , max ε = ∆ ∆ / ϕ ℓ Parution : janvier 2014 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200049459 - universite savoie mont blanc // 130.190.247.203 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200049459 - universite savoie mont blanc // 130.190.247.203 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200049459 - universite savoie mont blanc // 130.190.247.203 tiwekacontentpdf_be9515 v1 Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés BE 9 515 – 3 ___________________________________________________________________________________________________________ ÉCHANGEURS DE CHALEUR 1. Définitions générales La définition la plus générale que nous puissions donner d’un échangeur thermique est celle d’un appareil permettant de transfé- rer la chaleur d’une source à un puits. La source et le puits peuvent être constitués d’un écoulement fluide (cas le plus fréquent) ou d’un fluide et d’un solide (cas fréquent en refroidissement électro- nique). Dans chacun des cas, le ou les fluides échangent de la cha- leur avec une paroi d’échange qui peut être la paroi séparant les fluides ou la surface du solide en contact avec le fluide. Il existe aussi des échangeurs à contact direct entre les fluides. Deux grandes classes peuvent être distinguées [1] [2] [3] : – les récupérateurs. Par ce terme, nous désignons les échan- geurs dans lesquels la chaleur est instantanément transmise d’un fluide chaud à un fluide froid. On néglige donc l’inertie thermique des parois d’échanges ; – les régénérateurs. Ce sont les uploads/Finance/ echangeurs-de-chaleur-definitions-et-principes-generaux.pdf