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RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE AU DÉPARTEMENT DE MÉCANIQUE FACULTÉ DE TÉCHNOLOGIE UNIVERSITÉ DE BATNA Pour l’obtention du diplôme de MAGISTÈRE EN GÉNIE MÉCANIQUE Option: Énergétique Par : Mr Touatit Achour THEME ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE DES ECHANGEURS DE CHALEUR A TRIPLE TUBE CONCENTRIQUE. Soutenue publiquement le 15/01/2014 devant le jury composé de:  Mohamed SI-AMEUR Professeur, Univ. Batna Président  Chérif Bougriou Professeur, Univ. Batna Rapporteur  Hassene CHABANE Professeur, Univ. Batna Examinateur  Abdelmadjide TEMAGOULT Maitre de Conférences A,Univ.Batna Examinateur  Mustapha SAMAI Maitre de Conférences A,Univ.Sétif Examinateur ANNÉE UNIVERSITAIRE : 2013 / 2014 MÉMOIRE Présenté : Remerciements Je tiens tout d’abord à présenter mes sincères remerciements à monsieur MOHAMED SI-AMEUR Professeur, Univ. Batna qui m’a fait l’honneur de présider le jury de soutenance. J’exprime mes profonds remerciements à mon promoteur CHERIF BOUGRIOU Professeur, Univ. Batna pour ses conseils, ses remarques et le temps qu’il m’a consacré. Je remercie également les membres de jury d’avoir accepter d’examiner mon travail, H.CHABANE, A.TEMAGOULT et M.SAMAI. En fin Je tiens à exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes qui ont contribué de prés ou de loin à la réalisation de ce travail. TOUATIT ACHOUR DEDICACES A ma femme Fairouz et mon bébé Amine A tous mes enseignants A toute ma famille A tous mes amis TOUATIT ACHOUR SOMMAIRE : Nomenclature : --------------------------------------------------------------------------------------- 1 Introduction : ---------------------------------------------------------------------------------------- 4 CHAPITRE  - Synthèse bibliographique sur les échangeurs de chaleur (Bitubes (à double enveloppe) et à triple enveloppe) : I-1 - Synthèse bibliographique : ---------------------------------------------------------------------- 6 I-2. Notre étude : ------------------------------------------------------------------------------------- 12 CHAPITRE  - Formulation mathématique du problème pour une circulation (contre –courant et co-courant) : II-1. Introduction : ---------------------------------------------------------------------------------- 14 II-2. Echangeur de chaleur à triple tube concentrique : ----------------------------------- 15 II-3. Calcul d’un échangeur de chaleur à triple tube concentrique : --------------------- 17 II-3.1. Principales Températures : --------------------------------------------------------------- 17 II-3.1.1. Ecart de température dans chaque tube (chaque fluide) ---------------------------- 18 II-3.1.2. Ecart de température à l’entrée ------------------------------------------------------ 19 II-3.1.3. Ecart de température à la sortie ------------------------------------------------------- 20 II-3.1.4. Ecart de température maximum ------------------------------------------------------- 20 II-3.2. Température moyenne et température de paroi : --------------------------------------- 21 II-3.2.1. Température moyenne ------------------------------------------------------------------ 21 II-3.2.2. Température de paroi ------------------------------------------------------------------- 21 II-3.3. Méthode du Nombre d’Unité de Transfert (NUT) : ---------------------------------- 22 II-3.3.1. Flux thermiques maximums -------------------------------------------------------- 24 II-3.3.2. Efficacité de l’échangeur ---------------------------------------------------------- 25 II-3.3.3. Rapport des capacités calorifiques -------------------------------------------------- 25 II-3.3.4. Nombre d’Unité de Transfert NUT -------------------------------------------------- 26 II-3.4. Expression de l’efficacité (E) en fonction de (Z et NUT) : ------------------------- 27 II-4. Transfert de chaleur : --------------------------------------------------------------------- 29 II-4.1. Coefficient d’échange de chaleur global : ---------------------------------------------- 29 II-4.2. Coefficient d'échange surfaciques pour des tubes et annulaires : ------------------ 31 II-4.3. Nombres adimensionnels : -------------------------------------------------------- 32 II-4.3.1. Nombre de Reynolds ----------------------------------------------------------------- 32 II-4.3.2. Nombre de Prandtl ------------------------------------------------------------------ 32 II-4.3.3. Nombre de Nusselt ------------------------------------------------------------------- 33 II-5. Calcul de la perte de charge : ------------------------------------------------------------ 34 II-5.1. Perte de charge par frottement --------------------------------------------------------- 34 II-5.2. Pertes de charge dues à l’entrée et la sortie des fluides ----------------------------- 35 II-5.3. Pertes de charges totales ---------------------------------------------------------------- 35 II-6. Optimisation de l’échangeur de chaleur (calcul des coûts) : ------------------------- 36 II-6. 1. Coût total ---------------------------------------------------------------------------------- 36 II-6.2. Coût d’investissement ---------------------------------------------------------------------- 36 II-6.3. Coût de l’énergie ------------------------------------------------------------------------- 37 II-7.Calcul des propriétés thermophysiques du fluide utilisé : ------------------------------- 40 II-7.1. Propriétés thermophysiques de l’eau ------------------------------------------------ 40 II-7.2. Propriétés thermophysiques du propylène glycol ------------------------------------- 42 CHAPITRE III - Implémentation numérique : III- Programme et Organigramme : --------------------------------------------------------- 45 III-1. Programme : ---------------------------------------------------------------------------------- 45 III-1.1. Programme principal ------------------------------------------------------------------- 45 III-1.2. Sous programmes ---------------------------------------------------------------------- 48 III-1 .2.1. Sous programme « Subroutine » « convection » ----------------------------------- 48 III-1.2.2. Sous programmes « function » ---------------------------------------------------- 48 III-2. Organigramme : ----------------------------------------------------------------------------- 49 CHAPITRE IV - Résultats et interprétations : IV-1. Résultats : ------------------------------------------------------------------------------ 52 IV-2. Interprétations et discussions des résultats : ---------------------------------------- 80 CHAPITRE V – Conclusion : V -1. Conclusions et Recommandations : ------------------------------------------------------- 83 Références bibliographiques : ------------------------------------------------------------------- 84 NOMENCLATURE 1 NOMENCLATURE a1 : Constante (DA) a2 : Constante (DA/m2) a3 : Constante C : Capacité calorifique en (WK). Coût de l’énergie (DA) : Coût d’investissement (DA) Cons : Consommation électrique (KWh). Cp : Chaleur massique a pression constante (J/kg. K) : Coût total d’une tranche électrique (DA/kW h) : Coût total (DA) DF : Droit fixe (DA). : Diamètre hydraulique en (m) di, de : Diamètres interne et externe (m) E : Efficacité H: Période du temps (h) h : Coefficient d’échange de chaleur par convection (W/m2.K) hi et he : Coefficient d’échange de chaleur par convection interne et externe (W/m2.K) i : Actualisation du prix d’électricité I: Prime fixe (DA) J : Taux (%). K : Coefficient d’échange de chaleur global (W/m2.K) L : Longueur de l’échangeur de chaleur en (m) m : Débit du fluide en (kg/s) : Nombre des tranches NUT : Nombre d’unité de transfert P : Puissance électrique consommée par la pompe en (W) m : Périmètre mouillé en (m). Prix : Prix unitaire (DA/kWh). : Résistance thermique de la paroi métallique séparatrice en (m2.K/W). NOMENCLATURE 2 S : Surface de l’échangeur (m2). Se et Si : Surfaces externe et interne de la paroi d’échange en (m2) Sm : surface moyenne de la paroi d’échange en ( ) : Section de passage en (m2) TA : Taxe d’habitation (DA) Te, Ts : Températures d’entrée et de sortie (°C) THTVA: Coût hors TVA (DA) Timbre: Timbre payé sur état (DA) Tm : Température moyenne (°C) Tp: Température de paroi (°C) TR : Coût de la première tranche (DA) TVA: Coût de TVA (DA) V : Vitesse d’écoulement (m/s)  : Rapport des capacités calorifiques Lettres grecques ; ΔP: Perte de charge du fluide en (Pa) PT : Perte de charge totale (Pa) Pf : Perte de charge par frottement (Pa) T : Ecart de température dans chaque tube (°C) Te,Ts : Ecart de température à l’entrée et à la sortie (°C) ΔTmax : Ecart de température maximum (°C) Pe : Pertes de charge dues à l’entrée et la sortie des fluides (Pa)  : Conductivité thermique (W/m.K) µ : Viscosité dynamique du fluide en (Pa.s) ou en (kg/m.s) é à é NOMENCLATURE 3 π : 3.14159 radians. η : Rendement des pompes en (%) f : Coefficient de frottement Ω : Coefficient de Darcy  : Masse volumique du fluide en (kg/m3)  : Flux de chaleur (W) max : Flux thermique maximum transférable (W) Nombres adimensionnels : Nu : Nombre de Nusselt Re : Nombre de Reynolds Pr : Nombre de Prandtl Indices : e : entrée, externe j : nombre entier m : moyenne max : maximum min : minimum n : nombre entier p : paroi s : sortie 1 : (fluide ou paroi) du tube interne, échangeur inférieur 2 : (fluide ou paroi) du tube intermédiaire, échangeur supérieur 3 : (fluide ou paroi) du tube externe Introduction Générale 4 INTRODUCTION L’idée de créer une structure de recherche propre aux échangeurs de chaleur est née de la nécessite d’aider et de coordonner les efforts de l’industrie. Les échangeurs thermiques sont en effet le point de passage obligé de tous les flux d’énergie, et tout effort de maîtrise de cette énergie doit s’appuyer sur des échangeurs de chaleur bien conçus et bien utilisés. Le domaine croissant et l’utilisation rationnelle de l’énergie exigent un emploi de plus en plus adapté à ses appareils. Surtout ceux qui sont d’une importance industrielle primordiale tels que les échangeurs de chaleur. L’échangeur de chaleur est un appareil thermique de grande importance dans les installations thermiques. On rencontre au mois un échangeur de chaleur dans une installation thermique. La transmission de chaleur dans ces appareils est réalisée par : - Echange de chaleur entre le fluide chaud et la paroi séparatrice par convection de chaleur. - Echange de chaleur par conduction thermique dans la paroi. - Echange de chaleur entre la paroi séparatrice et le fluide froid par convection de chaleur. A la différence des autres appareils thermiques, l’échangeur de chaleur ne contient aucune pièce mécanique mobile. Le calcul de cet appareil est très complexe, on doit connaître exactement : sa géométrie (surface d’échange et section de passage des fluides), ses caractéristiques thermophysiques, les vitesses d’écoulements des fluides, les températures d’entrées des fluides, etc. Introduction Générale 5 Dans le domaine des échangeurs de chaleur les résistances thermiques par conduction et par rayonnement sont souvent négligées devant la résistance convective globale de deux fluides. La majorité des échangeurs existants fonctionnent à une température inférieure à 600°C. Le domaine des échangeurs de chaleur peut être considéré comme une synthèse des domaines suivants : Transferts thermiques, Mécanique des fluides, Corrosion, Encrassement, etc. Dans ce présent travail, on va vous présenter une nouvelle géométrie qui est celle d’un échangeur de chaleur à triple tube concentrique. Cette géométrie est plus efficace qu’un échangeur de chaleur à double tube concentrique d’au moins 70%. Le plan de travail de notre présent projet est structuré principalement de la manière suivante : - On commence par une uploads/Finance/ ing-touatit-achour.pdf