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وزارة التــــــــــعليم العالي والبحث العــــــــــــــلمي Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique كليــــــــة العـــــــلوم والتكنــــولــــــوجيا Collège des sciences et technologies طرائـــــــق قـــــــسم هندســـــــة Département génie des procédés group :1ER MASTER g1 Préparation: Elfatmi moussa OULAD BRAHIM Abdl djalil TALEB AHMED Nadjat TALEB AHMED Imane Année universitaire: 2020/202 Etude des appareils d'échange de chaleur avec changement de phase. 1 Contents CHAPITER I ............................................................................................................................. 2 1. DEFINITIONS GENERALES .............................................................................................. 2 2. PRINCIPAL BUT ET FONCTIONS D’UN ECHANGEUR THERMIQUE ................... 2 3. ECHANGEURS AVEC UN FLUIDE CHANGEANT DE PHASE .................... 3 3.1 ÉVAPORATEURS TUBULAIRES .................................................................................... 3 ÉVAPORATEURS A L’INTERIEUR DE TUBES .................................................................. 3 CHAPITER II ............................................................................................................................ 4 I CLASSIFICATION DES EVAPORATEURS ....................................................................... 4 1.1 ÉVAPORATEURS AVEC EBULLITION DU LIQUIDE DANS LA ZONE D’ECHANGE ............................................................................................................................ 4 1.1.1 ÉVAPORATEURS TUBULAIRES A GRIMPAGE ....................................................... 4 1.1.2 ÉVAPORATEURS A DESCENDAGE ........................................................................... 5 1.1.4 ÉVAPORATEURS A SURFACE RACLEE ET CENTRIFUGE.................................... 6 1.2 ÉVAPORATEURS SANS EBULLITION DU LIQUIDE DANS LA ZONE D’ECHANGE ............................................................................................................................ 7 1.2.1 ÉVAPORATEURS À CIRCULATION FORCÉE EXTERNE ....................................... 7 3.CONCLUSION ...................................................................................................................... 9 2 CHAPITER I 1. DEFINITIONS GENERALES La définition la plus générale que nous puissions donner d’un échangeur฀thermique est celle d’un appareil permettant de transférer 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 électronique). Dans chacun des cas, le ou les fluides échangent de la chaleur 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: – les récupérateurs. Par ce terme, nous désignons les échangeurs 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 échangeurs dans lesquels on utilise l’inertie thermique pour stocker la chaleur avant qu’elle soit transférée au milieu froid. Ce stockage peut être réalisé en utilisant la chaleur sensible d’un milieu, sa chaleur latente ou encore une réaction thermochimique réversible. Les échangeurs à contact direct n’entrent dans aucune des catégories ci-dessus. Ce sont des échangeurs qui n’utilisent pas de paroi d’échange pour séparer deux fluides. Les fluides sont donc non miscibles. Une nouvelle classe d’échangeurs est devenue un sujet d’étude important : il s’agit des échangeurs-réacteurs qui combinent à la fois les avantages d’un échangeur de chaleur classique et celles d’un réacteur chimique [4]. Ils seront évoqués dans les articles Échangeurs de chaleur. Description [BE 9 516] et Intensification des échanges thermiques [BE 9 518]. La question qui se pose pour tous les appareils signalés ci-dessus est leur régime de fonctionnement. Le régime de fonctionnement d’un récupérateur est essentiellement stationnaire bien qu’il puisse fonctionner en instationnaire en particulier lors des démarrages- arrêts. Les deux aspects sont étudiés bien que leur dimensionnement soit effectué généralement en régime stationnaire. Le régime instationnaire sera traité dans l’article Fonctionnement en régime transitoire [BE 9 520]. Quant aux régénérateurs, si leur fonctionnement relève quelquefois du régime stationnaire, la plupart, par leur principe de fonctionnement, ont un régime instationnaire. Dans ce qui suit, nous étudions d’abord, dans le détail, l’échangeur-récupérateur en régime stationnaire, ce qui nous permet de définir les grandeurs caractéristiques et de donner les éléments nécessaires au dimensionnement thermique et hydraulique. Pour simplifier, nous parlons d’échangeur. 2. PRINCIPAL BUT ET FONCTIONS D’UN ECHANGEUR THERMIQUE a fonction principale de l’échangeur thermique est de transférer de l’énergie thermique d’un fluide vers un autre à des niveaux de températures distincts. Les fonctionnalités des échangeurs thermiques sont extrêmement diverses et variées : les principales en sont les suivantes Préchauffeur ou refroidisseur d’un liquide ou d’un gaz (air par exemple) pour lesquels de très nombreux exemples pourraient être rappelés et qui se caractérise par une fonction simple : le contrôle de la température du fluide en un point particulier du procédé. 3 Récupérateur thermique qui permet d’introduire la récente notion de valorisation de l’énergie thermique d’un procédé. La fonction de cet échangeur est alors d’assurer le transfert d’une capacité thermique maximale afin de permettre une valorisation maximale du rejet thermique sur des critères énergétiques et économiques. Réfrigérants (et aéro-réfrigérant lorsque le vecteur de refroidissement est l’air, réfrigérant sur eau) qui assure la dissipation de l’énergie thermique non valorisable d’un procédé vers le milieu extérieur – fonction essentielle dans de nombreux process. Capteurs ou émetteurs thermiques dont les équipements ont pour fonction, respectivement, d’associer réception d’énergie thermique et transmission vers l’usage. Les exemples les plus courants sont les capteurs solaires thermiques ainsi que les radiateurs domestiques qui assurent le confort thermique dans un bâtiment. Des humidificateurs ou condenseurs partiels qui assurent la condensation d’une vapeur en mélange avec un gaz incondensable pour obtenir, en fin d’opération, un gaz appauvri en vapeur : l’exemple rencontré fréquemment est le déshumidificateur d’air humide qui permet d’assurer un contrôle de l’humidité de l’air en sortie de centrale de traitement d’air (CTA).D’autres exemples industriels peuvent être cités comme la captation de vapeurs organiques dans les cryo-condenseurs ou les condenseurs de buées fréquemment rencontrés dans les installations de génie chimique. On notera qu’un même échangeur peut assurer plusieurs fonctions dans des domaines applicatifs variés. 3. ECHANGEURS AVEC UN FLUIDE CHANGEANT DE PHASE L’un des deux fluides peut subir un changement de phase à l’intérieur de l’échangeur. C’est le cas des évaporateurs si le fluide froid passe de l’état liquide à l’état gazeux, ou des condenseurs si le fluide chaud se condense de l’état de vapeur à l’état liquide. Les différents types d’évaporateurs et de condenseurs recoupent la classification générale des échangeurs ; nous décrirons donc les évaporateurs et condenseurs tubulaires et les évaporateurs et condenseurs à plaques. 3.1 ÉVAPORATEURS TUBULAIRES Ces appareils sont généralement utilisés pour concentrer une solution, refroidir un fluide, ou produire de la vapeur. Le fluide chauffant peut être une phase liquide qui transmet sa chaleur sensible ou de la vapeur cédant sa chaleur latente de condensation sur la paroi. Il existe deux types d’évaporateurs, ceux où l’évaporation se produit à l’intérieur des tubes et ceux où elle se produit à l’extérieur des tubes. ÉVAPORATEURS A L’INTERIEUR DE TUBES On distingue les évaporateurs à tubes verticaux et ceux à tubes horizontaux. Évaporations à tubes verticaux Ces appareils sont utilisés pour concentrer une solution, fournir de la vapeur nécessaire au réchauffement d’un fluide à distiller (rebouilleurs à colonnes) ou comme évaporateurs cristallisateurs. Les tubes sont généralement chauffés extérieurement par de la vapeur qui se condense. 4 CHAPITER II I CLASSIFICATION DES EVAPORATEURS On peut distinguer 2 catégories d’évaporateurs : avec ébullition du liquide dans la zone de transfert de chaleur ; avec transfert de chaleur dans l’échangeur sans ébullition du liquide, puis séparation de la vapeur émise dans une zone de moindre pression. 1.1 ÉVAPORATEURS AVEC EBULLITION DU LIQUIDE DANS LA ZONE D’ECHANGE La plupart des évaporateurs de cette catégorie sont des évaporateurs tubulaires, mais on trouve également des évaporateurs à plaques et à surface raclée. On distingue les évaporateurs « à grimpage » dans lesquels le liquide monte naturellement dans les tubes sous l’effet de l’émission de vapeur, et les évaporateurs « à descendage » où le liquide est alimenté à la partie supérieure de l’évaporateur. 1.1.1 ÉVAPORATEURS TUBULAIRES A GRIMPAGE Ce fut longtemps le type le plus classique d’évaporateurs dans l’industrie alimentaire. Il est également connu sous le nom d’évaporateur « Robert » . Le liquide, sous l’effet de l’échange de chaleur, bout dans les tubes avec ébullition nucléée (cf. [F 3 003] § 2.3.4) et la formation des bulles de vapeur crée un entraînement du liquide vers le haut et donc une circulation naturelle de celui-ci. La vapeur formée étant la seule force motrice pour l’ascension du film liquide, il convient de signaler que : – il est important qu’une ébullition du liquide avec nucléation soit générée dès l’entrée, en bas du tube. Pour cette raison, il faut maintenir un écart de température moyen entre la température de condensation de la vapeur de chauffage et la température d’ébullition du liquide en sortie de 5 oC minimum. Un préchauffage de l’alimentation est donc indispensable pour le bon fonctionnement de ce type d’évaporateur. La nécessité d’assurer un ∆θ important à chaque corps limite le nombre d’effets qu’il est possible d’intercaler pour un ∆θ utile total (cf. § 2.1.1) ; – le grimpage ne fonctionne pas bien avec les liquides visqueux Figure 1 – Schéma d’un évaporateur à grimpage 5 Figure 2 – Schéma d’un évaporateur à grimpage type thermosiphon Ces évaporateurs ont l’avantage de ne pas nécessiter de pompe de circulation de liquide et ils s’équilibrent facilement lorsqu’ils sont mis en œuvre en multiple effet (cf. plus loin). La hauteur des tubes est limitée à environ 4 m pour que la hauteur hydrostatique n’induise pas une augmentation trop élevée de la température d’ébullition du liquide au bas des tubes. La hauteur équivalente de liquide dans les tubes est d’environ 1/3 de la hauteur. Les surfaces d’échange peuvent aller jusqu’à uploads/Finance/ etude-des-appareils-d-x27-echange-de-chaleur-avec-changement-de-phase.pdf