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2 République Algérienne démocratique et populaire Université de Ghardaia Univer

2 République Algérienne démocratique et populaire Université de Ghardaia Université de GhardaiaFaculté de Sciences et technologie Faculté de Sciences et technologie Département de génie des procèdes Département de génie des procèdes Exposé sur l’tude de l’échangeur de chaleur à plaques Exposé sur l’tude de l’échangeur de chaleur à plaques Module : Transfert thermique et échangeurs de chaleur Enseignant : Mell.TRABELSI Les étudiants de 1er année master génie chimique  DJILLALI amani  ABCIR faffa année universitaire 2021/2022 3 Sommaire Introduction …………………………………………………………………………………4 I. Définition d’un échangeur thermique : .................................................................5 i. Types classiques des échangeurs de chaleur : ......................................................5 ii. Critères de classement des échangeurs : ...............................................................5 1) Classement technologique : ...................................................................................5 2) C lassement suivant le mode de transfert de chaleur : .........................................5 3) Classement fonctionnel :........................................................................................5 II. Echangeurs tubulaires : ..........................................................................................6 III. Les échangeurs à plaques : ....................................................................................7 VI. Principe de fonctionnement : .................................................................................7 VII. Types des échangeurs à plaque : ...........................................................................8 X. Conception optimale des échangeurs de chaleur à plaque .................................12 a. Première méthode : Conception optimale avec spécification de la chute de pression .................................................................................................................12 b. Deuxième méthode : La conception optimale sans spécification de la chute de pression .................................................................................................................15 XI. Calcul d’un échangeur de chaleur à plaque ........................................................18 a) Les équations d’échange ......................................................................................18 c) Méthode du NUT (Nombre d’Unité de Transfert) Principe ...............................20 Conclusion……………………………………..……………………………………………21 Référence ……………………………………….…………………………………………..22 4 Introduction : Dans les sociétés industrielles, l’échangeur de chaleur est un élément essentiel dans toute politique de maîtrise de l’énergie. Une grande partie (90%) de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, aussi bien dans les procédés eux- mêmes que dans les systèmes de récupération de l’énergie thermique de ces procédés. Le choix d’un échangeur de chaleur, pour une application donnée, dépend de plusieurs paramètres : domaine de température et pression des fluides, propriétés physiques et agressivité des fluides, maintenance et encombrement. La fonction principale d’un échangeur à plaques est de permettre de transférer l’énergie thermique d’un fluide vers un autre alors que ceux–ci sont à des gradients de températures différents. Ce type d’échangeur de chaleur grâce à sa grande surface d’échange possède une grande efficacité énergétique tout en aillant une taille réduite. Par contre il est particulièrement sensible à l’encrassement et les pertes de charges internes sont parfois importantes. 5 I. Définition d’un échangeur thermique : Un échangeur de chaleur est un appareil destiné à assurer un transfert de chaleur entre deux ou plusieurs fluides. Cet appareil réchauffe un fluide de procédé et en refroidit un autre souvent sans changement de phase.de l’un et l’autre . Les échangeurs thermiques permettent des échanges de chaleur entre : deux liquides, deux gaz, ou un gaz et un liquide. En cas de transfert de chaleur accompagné de changement de phase, les échangeurs thermiques peuvent assurer une fonction d’évaporation ou de condensation. i. Types classiques des échangeurs de chaleur : Pour résoudre des problèmes d’échanges thermiques, l’utilisateur se trouve devant une grande variété de produits, dont les principales catégories sont les échangeurs à plaques et les échangeurs tubulaires. ii. Critères de classement des échangeurs : Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs de chaleur, ces derniers peuvent être classés comme suit : 1) Classement technologique : Les principaux types d’échangeurs rencontrés dans ce type, sont les suivants [1] :  Les échangeurs à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires.  Les échangeurs à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire.  Les échangeurs d’autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé. 2) C lassement suivant le mode de transfert de chaleur : Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.), il y a souvent un mode de transfert prédominant. Pour tout échangeur avec transfert de chaleur à travers une paroi, la conduction intervient [1]. 3) Classement fonctionnel : Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase, suivant le cas, on dit que l’on a un écoulement monophasique ou diphasique. On rencontre alors les différents cas suivants [1] :  Les deux fluides ont un écoulement monophasique.  Un seul fluide a un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs.  Les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapocondenseurs. 6 II. Echangeurs tubulaires : Les échangeurs tubulaires utilisant des tubes comme constituant principal de la paroi Sont largement répandus. On distingue 3 catégories :  Echangeur monotube, dans lequel le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir. Il a généralement la forme d’un serpentin.  Echangeur coaxial, dans lequel les tubes sont le plus souvent contrés ; en général, le fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur.  Echangeur multitubulaire, existant sous quatre formes :  Echangeur à tubes séparés  Echangeurs à tubes rapprochés  Echangeurs à tubes ailettes  Echangeur à calandre Figure I.1 : Les différents types d’échangeurs tubulaires 7 III. Les échangeurs à plaques : Ils sont constitués par un empilement de plaques garnies de joints d’étanchéité à leur périphérie; les fluides s’écoulent entre ces plaques dans des canaux plats ou la circulation peut être soit diagonale ou latérale. Il y a alternance du fluide froid et du fluide chaud d’un canal au suivant, globalement, la distribution des fluides entre les canaux se fait en U, en Z ou un schéma multi-passes. Ils sont surtout recommandés lorsqu’il s’agit de transférer de la chaleur entre deux liquides, d’une part parce que la surface d’échange est importante par rapport au volume de l’appareil et d‘autre part parce que les fluides se trouvent en turbulence au cours de la traversée de l’appareil. Figure I.2 : Distribution en U mono passe dans un échangeur à plaque Figure I.3 : Distribution en Z mono passe dans un échangeur à plaque Figure I.4: Les échangeurs à plaques 6 IV. ÉTUDE D’UN ECHANGEUR A PLAQUE Les échangeurs à plaques sont constitués par un assemblage de plaques cannelées indépendantes. Les plaques sont encastrées et serrées dans un bâti. Chaque paire de plaques adjacentes forme un canal et les deux fluides (produits et fluide caloporteur) circulent alternativement dans les canaux. Des profils spéciaux sont utilisés pour augmenter la turbulence, augmenter ainsi le coefficient de convection. Les plaques sont équipées de joints permettant d’éviter tout mélange des fluides. L’échangeur à plaques est un appareil qui permet un transfert de chaleur entre deux liquides ayant des températures différentes et ce, sans contact direct entre les liquides. Ce sont des plaques d’acier inoxydable qui assurent le passage de la chaleur d’un liquide à l’autre (voir fig II-1). Figure II.1 : Echangeur à plaques 7 V. Structure de l’échangeur à plaques : Le schéma ci-dessous présente la structure de base d’un échangeur de chaleur à plaques. La réalisation finale est spécifique à chaque application : Figure II.2 : Structure de l’échangeur à plaques VI. Principe de fonctionnement : L'échangeur de chaleur à plaques comprend des plaques profilées et empilées présentant des orifices de passage et formant un paquet de fentes d'écoulement. Les canaux (créés par l’empilement des plaques) sont parcourus, à raison d’un sur deux, par les deux fluides participant à l’échange de chaleur. Les canaux sont formés entre les plaques et les passages de coins sont disposés de façon que les deux milieux circulent par des canaux alternatifs. La chaleur est transférée à travers la plaque entre les canaux et le flux à contre-courant est créé pour assurer une plus grande efficacité. L'ondulation des plaques fournit le passage entre elles, supportent chaque plaque contre adjacente, et augmente la turbulence, donnant lieu à un transfert de chaleur plus efficace . Figure II.3 : schéma d’un échangeur à plaques avec écoulement des fluides 8 VII. Types des échangeurs à plaque : 1) Échangeurs à surface primaire : Les échangeurs à surface primaire sont constitués de plaques corruguées, nervurées ou picotées. Le dessin du profil de plaques peut être assez varié mais il a toujours un double rôle d’intensification du transfert de chaleur et de tenue à la pression par multiplication des points de contact. 2) Échangeurs à plaques et joints : La surface d’échange est alors composée de plaques métalliques, équipées de joints, serrées les unes contre les autres à l’aide de tirants entre deux flasques, l’un fixe, l’autre mobile. 3) Échangeur Packinox : C’est un échangeur à plaques soudées de grandes dimensions. Le faisceau est constitué d’un empilement de plaques formées par explosion et insérées dans une calandre pouvant atteindre une longueur de plus de 10 m. Cet échangeur peut fonctionner jusqu’à des températures de l’ordre de 600 °C et des pressions de 50 bar. Figure II.5: Échangeur Packinox [1]. VIII. Utilisation : Ils sont particulièrement utilisés dans le domaine de la cryogénie où leur efficacité est élevée avec des niveaux de températures compris entre -269 et + 65 oC et des niveaux de pression pouvant atteindre 75 bars. Pour certaines applications spécifiques touchant au domaine de l’aéronautique, uploads/Finance/ expose-sur-l-x27-tude-de-l-x27-echangeur-de-chaleur-a-plaques.pdf