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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/274710463 Echangeurs de Chaleur ; Cours & Exercices corrigés. Book · January 2014 CITATION 1 READS 20,277 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: An Open Forum for Expert Opinions and Open Discussion View project Gamified Study of the Primordial Algorithms View project Fateh Mebarek-Oudina Université 20 août 1955-Skikda 21 PUBLICATIONS 28 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Fateh Mebarek-Oudina on 20 February 2017. The user has requested enhancement of the downloaded file. Docteur Fateh Mebarek-Oudina LMD Master en Mécanique Energétique, Physique Energétique Echangeurs de Chaleur Cours & Exercices corrigés Editions Al-Djazair Echangeurs de Chaleur Cours & Exercices corrigés Conformément au Programme LMD Master en Mécanique Energétique, Physique Energétique Docteur Fateh Mebarek-Oudina Maître de Conférences Editions Al-Djazair 1 Avant-propos Ce chapitre de la matière, Échangeurs de chaleur et de matière, est consacré à la théorie des échangeurs de chaleur où le fluide caloporteur ne subit aucun changement de phase. Le document n'est pas destiné aux étudiants de physique énergétique, mais aussi à tous les scientifiques (pétrochimie, génie mécanique, génie climatique, génie civil, génie des procédés, chimie industrielle, ... etc.) confrontés à des problèmes de thermiques. Cet ouvrage contient 43 équations, 19 figures et 7 tableaux. Il a été conçu en exploitant 30 références bibliographiques. 1 Sommaire Avant-propos. 1 Sommaire 2 Théorie des échangeurs de chaleur 4 1. Description générale. 4 1.1. Type d’échange 4 2. Principe général. 5 3. Configurations géométriques. 5 3.1 Échangeurs tubulaires coaxiaux (simple) 5 3.2 Échangeurs Tubes / Calandre (à faisceaux complexes) 6 3.2.1 Échangeurs 1-2 9 3.2.2 Échangeurs 2-4 9 3.3 Échangeurs à courants croisés 10 3.4 Échangeurs à plaques 11 4. Calcul des échangeurs 14 4.1 Notations 15 4.2 Coefficient global d'échange thermique, U 16 4.2.1 Résistances d’encrassement, �̈ 19 4.2.2 Détermination des coefficients d’échange par convection hc et hf 19 4.3 Méthode DTLM (Moyenne logarithmique de la température) 21 4.3.1 Échangeur à courant parallèle/co-courant (EACP) 22 4.3.2 Échangeur à contre courants (EACC) 23 4.3.3 Comparaison entre EACP et EACC 24 4.3.4. Facteur de correction 27 4.4 Efficacité d'un échangeur 29 2 4.4.1 Définition 29 4.5 Méthode NUT 30 4.5.1 Nombre d’unités de transfert (Définition-Calcul). 30 4.5.2 Relation ε − NUT 31 4.6 Dimensionnement 42 4.6.1 Coté Tube 42 4.6.1.1 Calcul de la puissance d’un échangeur 42 4.6.1.2 Calcul de la surface d’échange 42 4.6.1.3 Calcul du nombre de tubes 43 4.6.1.4 Calcul de la longueur des tubes 44 4.6.2 Coté Calandre 44 Liste des figures. 51 Liste des tableaux. 52 Références bibliographiques. 53 4 Théorie des échangeurs de chaleur 1. Description générale 1.1 Type d’échange 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. Au sein d’un échangeur de chaleur on peut trouver les modes d’échange suivants : Conduction : c’est la propagation de la chaleur dans la matière, sans transfert de masse. À travers les solides, la conduction assure un bon transfert de chaleur. Convection : ce mode de transfert de chaleur apparaît entre deux phases dont l'une au moins est mobile, en présence d'une différence de température. Le mouvement des phases peut être provoqué par des différences de densité dans le fluide, le transfert de chaleur est dit de convection naturelle ou libre. Le mouvement peut être provoqué par une dégradation d'énergie mécanique, le transfert de chaleur est dit de convection forcée. Cette dernière est essentielle pour ces appareils (échangeurs). Rayonnement : c’est l’émission d’énergie par les surfaces des corps sous forme de radiation. Elle correspond à un échange de chaleur par l'intermédiaires d'une onde de nature électromagnétique et qui ne nécessite aucun support matériel (cas du vide, certains gaz plus ou moins transparent et de certains solide). Donc, le transfert de chaleur qui a lieu au sein d’un échangeur fait intervenir le mode convectif dans chacun des deux fluides et le mode conductif à travers la paroi qui les séparent. Généralement, le rayonnement est faible et sera négligé. En général, Il existe trois classes d'échangeurs de chaleurs : 1. Échangeurs à transferts directs, 2. Échangeurs de stockage thermique, 3. Échangeurs à contacts directs. 5 2. Principe général Le principe est de faire circuler deux fluides à travers des conduits qui les mettent en contact thermique. Ces fluides sont mis en contact thermique à travers une paroi métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. En général, le fluide chaud cède de la chaleur au fluide froid. Le principal problème consiste à définir une surface d’échange suffisante entre les deux fluides pour transférer la quantité de chaleur nécessaire dans une configuration donnée. La quantité de chaleur transférée ne dépend pas seulement de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètres. Les flux de chaleurs transférées dépendent aussi : - des températures d’entrée, - des caractéristiques thermiques des fluides (chaleurs spécifiques, conductivité thermique), - des coefficients d’échange par convection. 3. Configurations géométriques 3.1 Échangeurs tubulaires coaxiaux (simple) Un des fluides circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes tandis que l’autre circule dans le tube central. Pour cette configuration, deux types de fonctionnements sont distingués : les deux fluides circulent dans le même sens ou en sens opposé. Le premier est un échangeur co-courant (ou courant- parallèle). Dans le deuxième cas, c’est un échangeur contre-courant. Ce type d’échangeur est souvent rencontré dans l’industrie frigorifique en particulier pour les condenseurs à eau ou dans les groupes de production d’eau glacée. Figure 1 : Échangeur tubulaire simple. [27] Fluide chaud (entrée) Fluide froid (entrée) Fluide froid (sortie) Fluide chaud (sortie) 6 C'est le plus simple échangeur que l'on puisse concevoir, mais il est difficile avec ce type d'échangeur d'obtenir des surfaces d'échange importantes sans aboutir à des appareils très encombrants. Pour cela on a besoin de trouver d'autres géométries d'échanges. 3.2 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, appelé échangeur multitubulaire. La circulation du fluide à travers les tubes est forcée par l’emplacement des parois, de manière à ce qu’il effectue un ou plusieurs aller-retours. Figure 2 : Principe d’un échangeur de chaleur tubes/calandre. [11] Le principe est schématisé dans la figure 2. Ces échangeurs sont constitués soit d’un tube unique (serpentin), soit d’un faisceau de tubes branchés en parallèle enfermés dans une enveloppe appelée calandre. Calandre Sortie de calendre Chicanes Entrée de calandre Sortie des tubes Entrée des tubes Tubes 7 L'emplacement des chicanes dans la calandre augmente la turbulence et l’efficacité de l’échange. Généralement, le rôle des chicanes peut être résumé en deux points : 1. Augmenter la rigidité du faisceau, pour éviter des phénomènes de vibration, 2. Augmenter la vitesse du fluide. Le passage du fluide chaud dans les tubes métalliques (acier, cuivre, inox, etc.) minimise les pertes de chaleur. Figure 3 : Schématisation d’un échangeur de chaleur multitubulaire : réchauffeur d'Ethylène, démontage du côté tubes et côté calandre pour test de réépreuve. (CP/2K, Sonatrach de Skikda) Dans la figure 3, une schématisation réelle d'un échangeur multitubulaire de fabrication espagnole utilisé au sein de la zone industrielle de Skikda. Cet échangeur est un réchauffeur d'Ethylène (l'Ethylène est un gaz utilisé comme monomère dans la réaction de polymérisation). En outre, sur chaque équipement industriel on trouve une plaque d'identification. À partir de cette plaque on peut déduire ses caractéristiques tels que: - la nature du fluide coté tubes et coté calandre, - la pression de fonctionnement de chaque fluide, - la température de fonctionnement, - la pression d'épreuve hydrostatique, - le poids des tubes...etc. 8 Figure 4 : Plaque d'identification fixée sur le réchauffeur d'Ethylène présenté dans la figure 3. On distingue trois classes d’appareils : Les échangeurs à plaque tubulaire fixes : soudées sur la calandre, ils ne peuvent être utilisés que si la différence de température entre les fluides chaud et froid est suffisamment faible pour que la dilatation du faisceau soit acceptable. Les échangeurs à tête flottante : l’une des plaques tubulaires est fixe, la seconde plaque à un diamètre inférieur, porte la boite de retour et peut coulisser librement de l’intérieur du capot qui ferme la calandre. Ces appareils permettent l’expansion thermique du faisceau ainsi que son nettoyage mécanique, constituent presque la totalité des échangeurs utilisées en raffinerie de la zone industrielle de Skikda. Les échangeurs à tubes en U : la plaque tubulaire est supprimée avec l’utilisation de tubes coudés, tout en conservant les propriétés d’expansion de la tête flottante. L’économie 9 réalisée par le coût d’une plaque tubulaire est compensée par l’impossibilité de nettoyage mécanique de l’intérieur des tubes, ces faisceaux seront surtout utilisés dans les rebouilleurs à vapeurs. 3.2.1 Échangeur 1-2 Ce type est le plus simple échangeur à faisceau: le fluide qui circule dans la calandre effectue un seul passe tandis que uploads/Finance/ echangeurs-de-chaleur.pdf