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FORMATION PROFESSIONNALISANTE PRO/RCP1 GROUPE 2 Hassi Messaoud -‐ Centre IAP –

FORMATION PROFESSIONNALISANTE PRO/RCP1 GROUPE 2 Hassi Messaoud -‐ Centre IAP – 25-‐30 avril 2015 M. Christophe HAGOPIAN / Mme Mathilde MERCIER Ingénieurs Procédés en Raffinage et Pétrochimie Génie Chimique Appliqué - Écoulement et machines tournantes - Transfert thermique et énergétique Transmission de chaleur © 2014 - IFP Training BA TCH - 00566_A_F - Rév. 3 24/03/2014 Raffinage-Chimie ——— TRANSMISSION DE LA CHALEUR A - GÉNÉRALITÉS SUR LA TRANSMISSION DE CHALEUR I - MODES DE TRANSMISSION DE LA CHALEUR ....................................................................... 1 II - FLUX THERMIQUE .................................................................................................................... 3 1 - Définition ...................................................................................................................................................... 3 2 - Exemples de valeurs du flux thermique ....................................................................................................... 4 B - TRANSMISSION DE CHALEUR EN CONDUCTION ET CONVECTION I - EXPRESSION GÉNÉRALE DE LA TRANSMISSION DE CHALEUR ....................................... 5 II - TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONDUCTION ............................................................... 6 1 - Conduction au travers d’une paroi simple .................................................................................................... 6 2 - Conduction au travers de parois accolées ................................................................................................... 9 3 - Répartition des températures dans les différentes parois .......................................................................... 10 III - TRANSMISSION DE CHALEUR PAR CONVECTION ............................................................. 13 1 - Mécanisme de l’échange - Notion de coefficient de film ............................................................................ 13 2 - Paramètres influençant la valeur du coefficient de film .............................................................................. 15 IV - CONDUCTION ET CONVECTION SIMULTANÉES ................................................................. 21 1 - Résistance - flux thermique ....................................................................................................................... 21 2 - Répartition des températures - Températures de la paroi ......................................................................... 22 3 - Effets d’un salissement de la paroi ............................................................................................................ 24 4 - Amélioration de l’échange en conduction et convection ........................................................................... 25 C - TRANSMISSION DE LA CHALEUR PAR RAYONNEMENT I - CARACTÉRISTIQUES DE L’ÉMISSION DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT .................... 27 1 - Émission thermique du corps noir .............................................................................................................. 28 2 - Émission thermique d’un corps quelconque .............................................................................................. 29 3 - Émissivité des gaz de combustion ............................................................................................................. 30 II - CARACTÉRISTIQUES DE L’ABSORPTION DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT .............. 31 III - ÉCHANGE DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT DANS LA ZONE DE RADIATION D’UN FOUR TUBULAIRE ......................................................................................................... 32 1 - Expression globale de l’échange de chaleur par rayonnement ................................................................. 32 2 - Flux thermique moyen absorbe par le faisceau ......................................................................................... 32 3 - Répartition du flux thermique sur les tubes en zone de radiation .............................................................. 34 4 - Température de peau des tubes ................................................................................................................ 36 1 00566_A_F © 2014 - IFP Training A - GÉNÉRALITÉS SUR LA TRANSMISSION DE CHALEUR I - MODES DE TRANSMISSION DE LA CHALEUR On distingue conventionnellement trois modes de transmission de la chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement. • La conduction Ce mode de transmission de chaleur s’applique plus particulièrement aux solides, mais concerne aussi les fluides au repos. Il correspond à une propagation de la chaleur de proche en proche au sein de la matière, le passage de la chaleur se faisant par contact entre particules (atomes ou molécules) voisines. La matière se comporte véritablement comme un conducteur de la chaleur. • La convection La transmission de chaleur par convection met en jeu le mouvement des fluides (gaz ou liquides). Ce mouvement permet l’échange de chaleur entre le fluide et une paroi et facilite la diffusion de la chaleur au sein de l’ensemble du fluide grâce à l’agitation produite. Dans la transmission de chaleur par convection, le fluide se comporte comme un véhicule de la chaleur. La convection est dite naturelle ou libre lorsque le mouvement du fluide est créé par les différences de masse volumique existant au sein du fluide du fait des différences de températures. Lorsque le mouvement est communiqué par une machine - agitateur, pompe, compresseur ou ventilateur - la convection est dite forcée. • Le rayonnement La transmission de chaleur par rayonnement correspond au transport d’énergie thermique sous forme d’ondes électromagnétiques analogues à celle de la lumière. En effet, tout corps, même placé dans le vide, émet de l’énergie thermique sous forme d’un rayonnement qui est véhiculé sans support matériel. Cette émission est d’autant plus importante que la température du corps émetteur est élevée. Elle n’est cependant notable qu’à partir de 700 à 800°C. Dans le cas du soleil, dont la température superficielle est de l’ordre de 6000°C, l’émission thermique est particulièrement importante. Parallèlement, tout autre corps placé sur le trajet de ce rayonnement en absorbe une partie et, de ce fait, est un récepteur de chaleur. Dans la pratique des procédés industriels, la mise en œuvre des échanges de chaleur fait appel simultanément aux différents modes de transmission de la chaleur. C’est en particulier le cas pour les fours tubulaires comme le montrent les exemples présentés ci-après. 2 00566_A_F © 2014 - IFP Training Dans le cas d’un tube situé en zone de radiation, les 3 modes de transmission sont conjugués. - les gaz de combustion transmettent de la chaleur à la paroi extérieure du tube par rayonnement et par convection. - la chaleur est ensuite transmise au travers du tube par conduction. - et par convection de la paroi interne du tube au fluide. Pour un tube situé en zone de convection et qui ne voit pas la flamme, on rencontre les modes de transmission sont les suivants : - transmission de la chaleur des fumées (à haute température) à la paroi extérieure du tube par convection et par rayonnement. - par conduction à travers l’épaisseur du tube. - et par convection à nouveau de la paroi interne du tube vers le fluide. Dans les échangeurs de chaleur par surface, conçus pour permettre un échange entre 2 fluides séparés par une paroi, le processus de transmission fait appel simultanément à la convection et à la conduction. D MTE 173 B Radiation Flamme Conduction Convection Convection INT. CONVECTION CONDUCTION EXT. CONVECTION FUMÉES D MTE 172 B 3 00566_A_F © 2014 - IFP Training II - FLUX THERMIQUE 1 - DÉFINITION Les échanges de chaleur dans les procédés industriels sont réalisés le plus souvent dans des appareils tubulaires dont les principales caractéristiques de fonctionnement sont : - le débit de chaleur échangée, noté Q, qui exprime la quantité de chaleur transmise par unité de temps. Il s’agit donc d’une puissance thermique dont l’unité dans le système international est le watt (W). On l’exprime encore en kcal/h ou th/h. 1 th/h = 1162 W = 1,162 kW 1 kW = 0,860 th/h Le débit de chaleur échangée est aussi appelé charge thermique ou “duty” de l’appareil d’échange thermique. - la surface d’échange qui correspond à la surface extérieure totale des tubes ou plaques constituant l’appareil. On la note habituellement A et elle s’exprime dans le système international en m2 Pour caractériser la mise en œuvre de l’échange de chaleur, on utilise habituellement la notion de flux thermique Φ (phi) qui mesure le débit de chaleur échangée au travers de 1 m2 de surface d’échange. On a ainsi : Φ = Flux thermique = Débit de chaleur échangée Q Surface d’échange A Selon l’unité choisie pour le débit de chaleur, le flux thermique s’exprime en W/m2 (dans le système international) ou en kcal/h.m2 ou encore en th/h.m2. 4 00566_A_F © 2014 - IFP Training 2 - EXEMPLES DE VALEURS DU FLUX THERMIQUE Le tableau ci-dessous présente des exemples de valeurs moyennes de flux thermiques dans des appareils industriels. APPAREIL D’ÉCHANGE FLUX THERMIQUE MOYEN W/m2 kcal/h.m2 Zone de radiation de four tubulaire • distillation atmosphérique 35000 à 45000 30000 à 40000 • reformage catalytique 31000 27000 • vapocraquage 70000 60000 Écrans de chaudières jusqu’à 230000 200000 Échangeurs • train d’échange de distillation atmosphérique 6000 à 12000 5000 à 10000 • charge/effluent de reformage catalytique 23000 à 35000 20000 à 30000 Matériels (capacités, tuyauteries) calorifugés 100 à 400 90 à 350 Les valeurs indiquées permettent de distinguer 3 types d’équipements : - hauts flux thermique : fours et chaudières - flux moyens : échangeurs - flux faibles : équipements calorifugés 5 00566_A_F © 2014 - IFP Training B - TRANSMISSION DE CHALEUR EN CONDUCTION ET CONVECTION I - EXPRESSION GÉNÉRALE DE LA TRANSMISSION DE CHALEUR Le flux thermique transmis dans l’échange de chaleur entre deux fluides au travers d’une paroi (conduction au travers de la paroi et convection de part et d’autre) dépend des conditions dans lesquelles est réalisé l’échange. Les deux facteurs essentiels qui gouvernent l’échange thermique sont : • l’écart de température Δt qui existe entre le fluide chaud et le fluide froid. Celui-ci constitue l’élément moteur de la transmission de chaleur qui ne peut, bien entendu, avoir lieu que si les températures des fluides sont différentes. On l’appelle aussi potentiel thermique et le flux thermique qui s’établit est d’autant plus grand que le potentiel thermique est plus élevé. • les résistances que la chaleur rencontre dans la circulation entre les deux fluides. Elles sont caractéristiques des modes de transmission de la chaleur : convection pour chacun des fluides et conduction pour la paroi qui les sépare. Regroupées, elles se traduisent par une résistance globale R à la transmission de chaleur et il va de soi que plus la valeur de celle-ci est élevée, plus le flux thermique est faible pour un même potentiel thermique. Fluide chaud Température T Résistance de convection du fluide chaud Résistance de conduction de uploads/Finance/ ecoulement-et-machines-tournantes-pdf.pdf