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1 Chapitre  Généralités sur les échangeurs de chaleur 2 1. Introduction La plu

1 Chapitre  Généralités sur les échangeurs de chaleur 2 1. Introduction La plus part des réactions se produisant au sein de l’industrie énergétique, font intervenir le phénomène de transfert de chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid. C’est dans ces situations que les échangeurs de chaleurs entrent en jeu. Dans ce premier chapitre, nous allons aborder la notion d’échangeur de chaleur, ainsi que les différents types d’échangeurs existant et les plus couramment utilisés. Un échangeur de chaleur, comme son nom l’indique, est un dispositif permettant le transfert de chaleur d’un milieu fluide vers un autre. Plusieurs technologies d’échangeurs peuvent être rencontrées, mais toutes fonctionnent suivant les mêmes mécanismes de transfert thermique, c'est-à-dire : la conduction à travers les parois (souvent métalliques), la convection qui représente l’échange thermique entre le fluide et les parois, et le rayonnement qui représente les échanges radiatifs entre les fluides et les parois, bien que ce dernier soit souvent négligeable (car il est pris en compte uniquement pour un fonctionnement à hautes températures). Le model le plus simple est celui d’un échangeur tubulaire, qui est constitué de deux tubes coaxiaux, l’un des fluides s’écoule dans le tube central, et l’autre dans l’espace annulaire. Dans certains appareils, le transfert thermique s’effectue par contact direct entre les fluides, c’est le cas des évaporateurs et des tours de refroidissement, où le fluide subit un changement de phases, contrairement aux échangeurs à fluides séparés. Trois modes de fonctionnement sont possibles :  à courant parallèle : L’écoulement est parallèle et les deux fluides circulent dans le même sens. L’écart des températures des fluides chute le long de la surface d’échange. Fig.1.1 : schéma d’un échangeur a courant parallèle 3  à contre-courant : L’écoulement est parallèle et les deux fluides circulent en sens contraire. L’écart des températures des fluides reste important le long de la surface d’échange. Cette configuration donne des échangeurs plus efficaces que ceux à courant parallèle (avec des surfaces d’échange égales). Fig1.1 : schéma d’un échangeur a contre courant  à courants croisés : Les deux fluides s’écoulent perpendiculairement l’un a l’autre. Fig.1.1 : échangeur à courants croisés 4 2. Classification des échangeurs thermiques Le choix d’un échangeur de chaleur peut être crucial car il permet un gain de rendement et d’énergie, celui-ci peut dépendre de plusieurs paramètres, notamment des caractéristiques physiques et dynamiques des fluides utilisés, de la puissance thermique échangée, de la pression et de la température du milieu, ainsi que des différentes normes imposées pour la conception de l’appareil. On peut donc difficilement les classer de manière rigoureuse, sans faire le choix inéluctablement restrictif de certains critères. Cependant, les échangeurs de chaleur sont principalement classifiés de la manière suivante : 2.1. Echangeurs par mélange: L’échange thermique s’effectue par contact direct des deux fluides pour obtenir un mélange à une température intermédiaire, c’est le cas des tours de refroidissement, des dégazeurs,… Fig.1.1 : principe d’une tour de refroidissement 2.2. Echangeurs discontinus : les régénérateurs L’échange thermique s’effectue de sorte que la surface d’échange soit alternativement mise en contact avec le fluide froid et le fluide chaud. L’exemple classique d’un tel échangeur est le réchauffeur d’air rotatif dans les centrales thermiques. 5 Fig.1.1 : schéma d’un régénérateur rotatif 2.3. Echangeurs à fluides séparés : C’est, en principe, le type d’échangeurs le plus répondu dans l’industrie, les deux fluides s’écoulent dans des espaces séparés par une paroi ou une cloison, la chaleur se transfert du fluide chaud au fluide froid a travers la surface de séparation. On distingue plusieurs catégories : 2.3.1. Echangeurs tubulaires :  Echangeurs tubulaires simples : Ils sont constitués de tubes dont la paroi forme la surface d’échange. On distingue différentes catégories : les échangeurs monotube qui comportent un seul tube, généralement en forme de serpentin, et les échangeurs doubles- tubes, formés par deux tubes concentriques, où le transfert thermique s’effectue à travers la surface du tube intérieur. Les fluides peuvent s’écouler en courant parallèle (co-courant) ou en contre-courant. Cette configuration est relativement simple, mais présente un inconvénient de taille, en effet il est difficile d’obtenir d’importantes surfaces d’échange sans recourir a des appareils encombrants, pour cette raison, d’autres géométries d’échangeurs ont été développées. 6 Fig.1.2 : principe d’un échangeur tubulaire simple Fig.1.3 : échangeur double tubes  Echangeurs à faisceaux complexes :  Echangeurs multitubes : Ils sont composés d’un faisceau de tubes en acier ou en cuivre, à une ou plusieurs passes, immergé dans un cylindre. Capable de supporter de fortes températures, ce type d’échangeurs est généralement utilisé dans le secteur de la réfrigération. 7 Fig.1.1 : principe d’un échangeur multitubulaire  Echangeurs à tube et calandre : Notés également échangeurs à faisceau de tubes, ce type d’échangeurs est de loin le plus répondu dans les sociétés industrielles, il est constitué d’un faisceau de tubes enfermé dans une enveloppe appelée calandre, l’un des fluides circule dans les tubes, et l’autre dans la calandre. L’appareil dispose également de chicanes, qui ont pour rôle d’augmenter la rigidité du faisceau, ainsi que la vitesse du fluide, ce qui aboutit à une meilleure efficacité de l’échange. Fig.1.4 : échangeur a tube et calandre 8  Echangeurs à tubes en U : C’est la géométrie la plus courante, le faisceau est constitué de tubes coudés en forme d’épingle, ce système permet la libre dilatation du faisceau. Fig.1.1 : schéma d’un échangeur à tubes en U  Echangeurs à ailettes : Ce sont des échangeurs à courants croisés, ils sont formés d’un conduit cylindrique ou rectangulaire sur lequel sont fixées des lames métalliques de différentes formes. La chaleur est transférée du fluide chaud circulant dans le conduit principal aux lames métalliques par conduction thermique, ces lames se refroidissent au contact de l'air. Ces échangeurs assurent un bon rendement, ils sont particulièrement utilisés dans la climatisation, et dans les installations de chauffage. Fig.1.5 : échangeur à tubes et ailettes 9 2.3.2. Echangeurs à plaques : Ces échangeurs fonctionnent en contre-courants, ils sont constitués d'un ensemble de plaques en aluminium, ou en acier inoxydable qui forme, après assemblage, des canaux de circulation pour les fluides, les plaques sont de faibles épaisseurs, assemblées en général à l’aide de joints en polymère qui assure l’étanchéité de la pièce. Du fait de sa compacité, ce système permet d’obtenir de grandes surfaces d’échange dans un volume assez limité, cependant, il présente d’importantes pertes de charge. En raison de leurs très bons coefficients d’échange thermique et leur compacité, les échangeurs à plaques, notamment à plaques jointées, se sont imposés sur le marché comme étant une alternative aux échangeurs multitubes.  Echangeurs à plaques jointées :  Echangeurs à plaques brasées : Contrairement aux échangeurs à plaques jointées, le système à plaques brassées ne nécessite aucun joint, ni équipement de support (environs 90% des matériaux servent au transfert de chaleur), d’où son efficacité plus élevée. Les plaques, en acier inoxydable, sont assemblées par la technique du brasage tendre dans un four sous vide, cette technique assure la longévité des plaques et permet un fonctionnement sous hautes températures et pressions. Fig.1.6 : schéma d’un échangeur à plaques jointées 10 Fig.1.1 : échangeur a plaques brasés Fig.1.1 : échangeur a plaques et joints Fig1.1 : schéma d’un échangeur a plaques brasées 11 2.4. Echangeurs à passes : On désigne par passe, une traversée de l’échangeur par l’un des fluides. En général, les échangeurs a passes sont des échangeurs à faisceau de tubes et calandre de type P-N, où P représente le nombre de fois qu’un des deux fluides traverse la calandre, et N est le nombre de passes qu’effectue l’autre fluide circulant dans les tubes (il fait N/2 aller-retour). Cependant, l’efficacité de l’échangeur 1-2 se limite à 0.75, pour cette raison, l’échangeur 2-4 a été développé, celui-ci comporte une chicane longitudinale permettant au fluide en enveloppe (calandre) d’effectuer 2 passages, le fluide circulant dans les tubes effectue 4 passages. Fig.1.7 : schéma d’un échangeur 1-2 Fig.1.6 : schéma d’un échangeur 2-4 12 2.5. Echangeurs diphasiques : Ce sont des appareils où l’un des fluides (ou les deux) subit un changement de phase, ils sont généralement des échangeurs tubulaires, utilisés pour produire de la vapeur ou du liquide, ou encore pour accroitre le transfert thermique en utilisant la chaleur latente de changement d’état. Le changement de phase se produit a température constante, ce sont donc des échangeurs à fluide isotherme. C’est le cas d’un condenseur et d’un évaporateur, dans le condenseur, le fluide froid provoque un changement de phase du fluide chaud, ce dernier passe de l’état de vapeur à l’état liquide. Inversement, un évaporateur utilise la chaleur du fluide chaud, pour faire passer le fluide froid de l’état liquide à l’état de vapeur. uploads/Finance/ generalites-sur-les-echangeurs.pdf