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Introduction Les échangeurs de chaleur à plaques sont utilisés partout où de l’

Introduction Les échangeurs de chaleur à plaques sont utilisés partout où de l’énergie thermique (chaleur) doit être transmise d’un fluide à un autre. Ils ont l’avantage de pouvoir maintenir la température du fluide – en fonction de la température du liquide de refroidissement – à un niveau très bas et stable. Les échangeurs à plaques sont composés d’un paquet de plaques de transfert de chaleur nervurées, qui sont brasées entre elles ou comprimées dans un bâti avec des joints. Dans les canaux entre les plaques, circulent en alternance le fluide chaud (à refroidir) et le fluide froid (à réchauffer). Le profil l des plaques génère un flux turbulent nécessaire à un transfert efficace de la chaleur. Echangeurs de chaleur à plaques brasées : Dans les échangeurs à plaques, lachaleur du fl uide à refroidir est transmisà un fl uide de refroidissement. Ilsontl’avantage de pouvoir maintenir latempérature du fl uide - en fonctionde la température du liquide derefroidissement - à un niveau très bas etstable.Les échangeurs de chaleur à plaquesbrasées assurent une transmission dechaleur effi cace avec des dimensions etun poids réduits. Echangeurs à plaques et joints démontables : Les échangeurs de chaleur à plaques et joints démontables conviennent pour de hauts débits et une performance de refroidissement élevée et constituent ainsi un supplémentutile à la version brasée. Fonctionnement : Dans un échangeur de chaleur, les courants entre les fluides primaires et secondaires peuvent être parallèles, opposés ou croisés. Les deux fluides convergent dans des canaux séparés l’un pair et le second impair, à proximité afin que l’un réchauffe ou refroidisse l’autre. Ils peuvent maintenir la température du fluide au niveau souhaité et de façon stable et durable. Les technologies d’échangeurs sont généralement les mêmes, ils fonctionnent selon des principes physique connu, on distingue : La conduction : les échanges se font à travers les parois métalliques en général La convection : les échanges se font entre les fluides et les parois Le rayonnement : les échanges se font entre les fluides et les parois en infrarouge. Il est utilisé uniquement pour un fonctionnement à forte température. Il existe également trois modes d’écoulement différents suivant les applications : Une circulation à co-courants ou anti-méthodique : l’écoulement est parallèle, les fluides convergent vers la même direction. L’entrée des deux fluides se situe du même côté de l’échangeur. Une circulation à contre-courants ou méthodique : l’écoulement est parallèle, mais les fluides traversent les canaux dans des directions inverses. Il s’agit de la meilleure configuration pour optimiser les performances d’un échangeur à plaques. Une circulation à courants croisés : l’écoulement est alors perpendiculaire entre les deux fluides.(1) Dans le cas du principe à contre-courant, le fluide chaud est plus fortement refroidi que pour une utilisation à co-courant car le fluide froid circule à l’inverse du fluide chaud. Les caractéristiques techniques de l’échangeur à plaques Conditions d’utilisation de l’appareil : *La majorité des échangeurs à plaques soudées supportent des pressions maximales d’environ 40 bars et des températures maximales avoisinant les 400°C *D’autre part, les entrées et sorties de l’appareil sont visibles, et ces équipements se nettoient sur les 2 circuits. *Les échangeurs à plaques sont des équipements industriels qui peuvent être fait à partir de divers matériaux tels que l’acier inoxydable et le Duplex. Les domaines d’application de l’échangeur à plaques : La sucrerie : l’échangeur à plaque est utilisé pour réchauffer les jus avant la phase de clarification, ils sont aussi utilisés pour les mélasses et les sirops issus de la cristallisation. La distillerie : il va permettre de refroidir ou encore de réchauffer les jus, en effet, les échangeurs à plaques sont adaptés aux fluides chargés grâce à leurs larges canaux. L’agroalimentaire : là encore l’échangeur thermique à plaque sera nécessaire à la réchauffe ou au refroidissement de divers liquides dans le secteur de l’agroalimentaire. De plus, il est facilement nettoyable, un avantage majeur et nécessaire pour les procédés alimentaires. La pétrochimie : l’échangeur à plaque peut être préféré à l’échangeur tubulaire classique dans le secteur de la pétrochimie car ses performances sont 25% plus efficaces en termes de refroidissement de liquides. Puissance de Refroidissement : La performance de refroidissement d’un échangeur à plaques dépend de Nombreux facteurs : *la température à l’entrée :du fluide chaud et du fluide froid * le débit : Du fluide chaud et du fluide froid * les fluides utilisés. Le transfert de chaleur dans un échangeur à plaques s'effectue essentiellement par convection, suivant la loi de NEWTON : φ = dQ dt =¿h S (θc- θ f ) Le flux de chaleur par unité de surface dépend : - des caractéristiques du fluide : λ coefficient de conductibilité thermique, Cp : chaleur massique, ᵖ:masse volumique, μ, viscosité dynamique, des caractéristiques de l'écoulement u vitesse moyenne, de la géométrie de la surface d'échange : D diamètre (D équivalent pour un échangeur à plaques),-de l'écart de température paroi-fluide : soit φ = f(λ, Cp, ρ, μ, u, D, ∆T) φ= k s ∆TLM φ quantité de chaleur transmise (W), K coefficient global d'échangsur (w/m.2.°C), S surface d'échange (m2), ∆TLM moyenne logarithmique des différences de température(°c) Co courant Contr courant le coefficient de transmission de la chaleur globale K Le coefficient de transfert thermique global est la résultante de la combinaison de cinq coefficients de transfert: e/λ = 3.10-5 m2 K/W pour une plaque en inox (valeur moyenne) hc (h1)et hf (h2)se calculent à partir de la formule expérimentale en se fixant une perte de charge admissible ∆P ρ : la masse volumique en kg/m3 ∆ P : la perte de charge en kPa µ : viscosité dynamique en cP (rappel : 1 N s/m² =103 centipoise) si on a le même fluide et les mêmes débits de part et d’autre on a : ∆ Pce-cs = ∆Pfe-fs La notion de coefficient de transfert thermique est parfois remplacée par la notion de résistance thermique avec l'équivalence suivante: Résistance = 1 / coefficient de transfert l’évolution de K en fonction du ∆P et pour différentes valeurs de températures est représentée sur le graphique . Ces résultats ont été obtenus pour un échangeur eau/eau, en supposant des débits d’eau égaux de part et d’autre de l’échangeur et en utilisant les valeurs de Re et e/λ recommandées par ALFA-LAVAL . Variation du coefficient K en fonction de ∆P et de la température de l’eau Les nombre unidimensionnel Nombre de Reynolds Deq= 4 sectionde passage dufluid perimetremouille dans le cas d’un échangeur à plaques, une valeur approchée de Deq est : Deq = 2 x (espace moyen inter-plaque) = 2 e le nombre de PRANDTL pr=uCp λ le nombre de NUSSELT Nu=h D λ Calculer surface d'échange φ =K S ∆TLM K : coefficient d’échange exprimé en W/°C m2. Il dépend de l’échangeur et est calculé par le fabricant. S : surface de l’échangeur en m2 S= φ k ∆TLM Pour déterminer le nombre de plaques, il faut ensuite déterminer le type d’échangeur correspondant aux valeurs maxi de débit et de NUT. Type Diamètre raccordements ( mm ) Débit maxi eau 3 ( m /h ) Nombre d'unités de transfert mini/maxi Surface d’échange d'une plaque (1 coté) (m²) Surface maxi de l'échangeur (m²) A45 450 4000 1,5/4 2,25 1600 AX35 350 2300 2/5 2,70 1900 A35 350 2300 0,6/1, 8 2 1200 AX30-B 300 1700 1/4,2 1,61 1000 A20-B 200 750 1,5/4 1,07 640 AM20 200 750 0,4/1, 2 0,79 400 AM20-B 200 750 0,6/2, 9 0,89 540 AK2O 200 750 0,3/0, 8 0,50 230 A15-B 150 400 1,2/5, 5 0,75 430 AM10 100 160 0,3/1 0,43 260 A10-B 100 160 1/2,8 0,24 100 Tableau 6 : Caractéristiques des différents modèles d’échangeurs à plaques LE RENDEMENT D’UN ECHANGEUR Le rendement thermique Le rendement thermique représente la proportion de l’énergie de ventilation que le système permet de récupérer. C’est le rapport du transfert réel de chaleur sur le transfert maximum possible . correspond lui la formule suivante :  1 : entrée d’air neuf  2 : pulsion d’air neuf  3 : extraction d’air vicié  4 : sortie d’air vicié En général, le rendement est rapporté au débit d’air neuf. Le rendement est dit total parce qu’il concerne l’énergie sensible et latente, il est donc basé sur le rapport des enthalpies. h = (Man x (h2 – h1)) / (Mmin x (h3 – h1))  h = rendement thermique total,  h = enthalpie en KJ/kgK,  Man = débit massique d’air neuf,  Mav = débit massique d’air vicié,  Mmin = débit massique minimum entre Man et Mav. On passe du débit volumique Q (que l’on pourra mesurer) au débit massique M en multipliant par la masse volumique ρ qui vaut environ 1,2 kg/m³ à 20°C. Pour tous les types de récupérateurs sauf pour la roue hygroscopique, il n’y a pas de transfert de vapeur d’eau entre l’air neuf et l’air vicié. La montée en température de l’air neuf se fait à humidité constante, et physiquement le point 2 ne pourra donc au maximum qu’atteindre le point 2′ (t2‘ = t3). uploads/Finance/ introduction 15 .pdf