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Faculté d'ingénierie ULC-Icam Titulaire du cours : Valerie WADI Présenté par(G5

Faculté d'ingénierie ULC-Icam Titulaire du cours : Valerie WADI Présenté par(G5) : IRENGE Archippe (A3) KAMABALA Meschac (L3PN) NDAHE Paul (L3PN) LUTENZILA Joël (L3PN) LISAMBA Roland (L3PN) KANTA Andrea (A3) Date : 18 janvier 2023 ECHANGEURS DE CHALEUR DIMENSIONNEMENT I. Introduction II. But et fonction d'un échangeur thermique III. Téchnologie des échangeurs IV. Fonctionnement général d'un échangeur Au sommaire V. Critère de performance d'un échangeur VI. Bonus ViI. Conclusion Introduction Quelles sont les principales fonctions, les principales technologies et les méthodes de dimensionnement d’un échangeur thermique ? Presque tous les systèmes industriels dépendent tu transfert de l'Energie thermique pour produire de l'électricité BUT ET FONCTIONS Transférer l’énergie calorifique d’un fluide vers un autre, ceci sans les mélanger. Dans le cas d’un système de chauffage ou de production d’eau chaude, un premier fluide dit « chauffant », considéré comme le fluide primaire, sert à chauffer le fluide secondaire. Pour effectuer le transfert de chaleur, l’échangeur thermique a besoin d’un matériau qui soit assez conducteur afin d’optimiser l’échange, tout en limitant le plus possible les déperditions de chaleur. Dès lors que le transfert de chaleur s’effectue entre les deux fluides, alors l’échangeur thermique a pleinement accompli sa mission Technologie des échangeurs encyclopedie-energie.org les principales classes d’échangeurs suivant des critères strictement technologiques Fonctionnement général - Dimensionnement • Plusieurs technologies d'échange - 3 processus physiques d'échange _ Conduction _ Convection _ Rayonnement _ • 3 processus physiques d'échange - 3 modes d’écoulement différents _ co-courants _ contre-courants _ courants croisés _ Fonctionnement général - Dimensionnement • GIF FONCTIONNEMENT TURBINE A GAZ 12.01.2022 Fonctionnement général - Dimensionnement ULC-Icam Fonctionnement général - Dimensionnement • Calcul de la puissance thermique d’un échangeur : le bilan thermique _PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE_ • Calcul de la puissance thermique d’un échangeur : le bilan thermique _PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE_ La puissance échangée (P en Watt) entre deux fluides à l’état monophasique, dépend essentiellement des trois critères suivants : • Le débit massique des fluides (qm en [kg/s]), • Les propriétés thermophysiques des fluides (masse volumique (ρ en [kg/m3]) et chaleur spécifique (Cp en [J/kg-K])), • L’écart de température que vont subir les fluides (∆T en [K] ou en [°C]), l’échangeur étant représenté (configuration co- courant) sur la Figure 3. Echange Monophasique • Calcul de la puissance thermique d’un échangeur : le bilan thermique _PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE_ La puissance échangée (P en [W]) entre deux fluides qui vont changer de phase dépend essentiellement des trois critères suivants : • Le débit massique des fluides (qm en [kg/s]), • La chaleur latente ou enthalpie de changement de phase (liquide/vapeur le plus couramment) qui est une propriété thermophysique des fluides (noté Lv ou ∆hlv en [J/kg]). • Le titre massique (noté xv) d’une des phases (en général la phase vapeur pour un mélange liquide/vapeur). Ce titre massique est définit comme le rapport du débit massique de la phase vapeur au débit massique des deux phases (c’est-à-dire le débit massique total de fluide), il est donc compris entre 0 (phase totalement liquide) et 1 (phase totalement vapeur) : Échange diphasique • Calcul de la puissance thermique d’un échangeur : le bilan thermique _PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE_ • A COMPLETER Échange diphasique - Monopahsique METHODES DE DIMENSIONNEMENT METHODES DE DIMENSIONNEMENT Le dimensionnement d’un échangeur consiste à calculer la surface d’échange nécessaire pour obtenir les performances désirées (puissance, température de sortie). Il faudra par la suite déterminer les pertes de charge (pertes de pression) que va engendrer la circulation des fluides (par la friction contre les parois du fait de la viscosité) afin de vérifier la concordance avec le cahier des charges qui impose souvent une limite haute en terme de valeur d’une perte de charge. Cette valeur haute correspondant, la plupart du temps, à une capacité de pompage existante et donc à ne pas dépasser Pour connaitre la surface d’échange de l’échangeur, il faut dans un premier temps connaitre les grandeurs dimensionnantes telles que la puissance, les températures, les débits (par les bilans thermiques). Ensuite, il faut calculer, et ce quelle que soit la méthode de dimensionnement utilisée, les coefficients d’échanges thermiques partiels et le coefficient d’échange thermique global. METHODES DE DIMENSIONNEMENT COEFFICIENT D'ECHANGE GLOBAL & PARTIEL On peut exprimer par l’équation qui suit la relation entre le flux de chaleur transféré P, l’écart de température ∆T des deux fluides (le chaud (indice c) et le froid (indice f)) et l’aire S de la paroi d’échange: loi de Newton, caractérise le transfert de chaleur entre les deux fluides et introduit ainsi de nouvelles grandeurs : • le facteur U [W/m²-K] qui exprime la qualité du transfert de chaleur entre les deux fluides s’écoulant de part et d’autre de la paroi ; ce facteur est désigné comme le coefficient d’échange thermique global entre les deux fluides (CETG) ; • le facteur Rg, inverse du produit U.A, dont l’unité est en [K/W] appelé résistance thermique globale (RTG) dont le concept est issu directement de l’analogie avec la résistance électrique de la loi d’Ohm dans le domaine du génie électrique ; cette analogie associe la différence de température à la différence de potentiel et le flux de chaleur à l’intensité électrique. La loi de Newton est alors analogue à la loi d’Ohm. • d’évaluer le nombre d’unités de transfert ; • de calculer l’efficacité de l’échangeur à partir des équations numériques ou des abaques ; • de déterminer les températures de sortie des fluides dans le cas où l’efficacité est connue. Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) Efficacité qmc, qmf: débit massique des fluides respectivement chaud et froid en Kg/S Cpc, Cpf: chaleur spécifique à pression constante des fluides respectivement chaud et froid t, en J/(Kg.K) ; ΔTc, ΔTf: écart de température des fluides respectivement chaud et froid, en K ou en °C Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) ΔTc, ΔTf: écart de température des fluides respectivement chaud et froid, en K ou en °C ΔTc = Tce - Tcs ΔTf = Tfe - Tcf Tce, Tfe : températures d’entrée des fluides respectivement chaud et froid , en K ou en °C ; Tcs, Tfs : températures de sortie des fluides respectivement chaud et froid, en K ou en °C ; Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) La puissance d’échange maximum théoriquement possible Pmax est le produit du débit de capacité thermique le plus faible Cmin d’un fluide , [W/K] et de la température égale à l’écart maximal existant dans l’échangeur soit (Tce - Tfe) Pmax = Cmin ( Tce - Tfe) Le débit de capacité thermique massique minimale Cmin est le produit du débit massique (qm) par la chaleur spécifique (Cp ) du fluide : Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) L’efficacité de l’échangeur thermique s’écrit : si le côté chaud présente le produit (qm . Cp) minimum: L’efficacité de l’échangeur thermique s’écrit : si le côté froid présente le produit (qm . Cp) minimum: Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) Lorsque les températures de sortie des fluides sont inconnues (ce qui est souvent le cas dans le cadre d’une simulation), l’efficacité d’un échangeur se détermine par les équations suivantes : Pour une circulation des fluides à contre-courants : Pour une circulation des fluides à co-courants : Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) Lorsque les températures de sortie des fluides sont inconnues (ce qui est souvent le cas dans le cadre d’une simulation), l’efficacité d’un échangeur se détermine par les équations suivantes : Pour une circulation des fluides à contre-courants : Pour une circulation des fluides à co-courants : NUT : nombre d’unités de transfert qui est représentatif du pouvoir d’échange de l’échangeur : Dans le cas où les températures de sorties sont connues, le calcul d’un échangeur par la méthode du nombre d’unité de transfert (NUT) consiste à : Calculer l’efficacité de l’échangeur E et le rapport des débits de capacité thermique C = Cmin/Cmax. Déterminer le nombre d’unités de transfert NUT par l’utilisation des formules ou des abaques. Déterminer la surface d’échange S par l’équation suivante : Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) Dans le cas où les températures de sortie sont inconnues, le calcul consiste à : Calculer le nombre d’unités de transfert NUT et le rapport des débits de capacité thermique à l’aide des formules : Méthode de l’efficacité et du nombre d’unité de transfert (NUT) Déterminer l’efficacité de l’échangeur E à l’aide des formules ou des abaques. Déterminer les températures de sortie par la résolution complexe du système d’équations (bilan énergétique et équation de transfert de chaleur) : Exercices sur NUT On désire installer un échangeur de chaleur de type coaxial en contre-courant (surface d'échange de 5 m pour distribuer l'énergie dans un bâtiment. Dans le circuit primaire circule de l’eau chaude (le débit est de 5400 kg/h et la température d'arrivée et d retour d’eau est respectivement de 90°C et 75°C). Du côté du circuit secondaire où le uploads/Finance/ g5-presentation-thermotherm-dim-echangeurs.pdf