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وزارة التــــــــــعليم العالي والبحث العــــــــــــــلمي Ministère de l'ensei

وزارة التــــــــــعليم العالي والبحث العــــــــــــــلمي Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique كليــــــــة العـــــــلوم والتكنــــولــــــوجيا Collège des sciences et technologies قـــــــسم هندســـــــة طرائـــــــق Département génie des procédés group :1ER MASTER g1 Préparation: BEN ABDERRAHMANE ABDERRAOUF LAIB MARWA HIBA KARIMA DEBAA SOUMIA Année universitaire: 2020/202 Etude des appareils d'échange de chaleur avec changement de phase. Introduction générale Les échanges thermiques interviennent dans de nombreux secteurs d’activités humaines. Dans la plupart de ces activités, le transfert de chaleur doit s’effectuer sans altération des milieux intervenant dans le transfert thermique. L’utilisation d’équipements spécifiques d’échange est alors nécessaire. Ces équipements sont connus sous la dénomination d’échangeurs de chaleur. Ce sont des systèmes thermodynamiques présents dans toutes les unités industrielles dans lesquelles interviennent les processus d’extraction de chaleur. Situation de l’étude : L’échangeur de chaleur est un équipement qui permet d’assurer un transfert de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid sans contact direct entre les deux. Le même fluide peut conserve sont état physique liquide ou gazeux, ou se présenter successivement sous les deux phases : c’est le cas des condenseurs, évaporateur, bouilleurs, ou des tous le refroidissement. Le souci technologique majeur des échangeurs de chaleur est l’amélioration de l’échange thermique entre les deux fluides tout en générant le moins de pertes de charges ou de leur réduire à leur plus bas niveau possible. Ces dernier temps, l’optimisation des performances portes plus particulièrement sur la circulation de l’air caloporteur pour extraite et transporter le maximum de calories vers le point d’utilisation. La convection forcée est un phénomène de transfert thermique liée aux fluides, sons présence influe simultanément sur les champs thermiques et hydrodynamiques de l’écoulement, le problème ainsi couplé, trouve on importance dans nombreuse application industrielle et plus particulièrement dans les réacteurs nucléaire, les échangeurs de chaleurs, les capteurs solaires, le rebroussement des turbomachines et composant électroniques. Dans ce travail, nous présentons une étude numérique pour étudier le champ dynamique et thermique d’un écoulement de fluide stationnaire en convection forcée passant dans un échangeur de chaleur. Objectifs spécifiques de la présente étude Les objectifs principaux de la présente mémoire qui traite le comportement dynamique et thermique d’un écoulement en convection forcée pour deux fluides pour améliorer les performances des échangeurs de chaleur. Organisation de travail Les échanges thermiques interviennent dans de nombreux secteurs d’activités humaines. Dans la plupart de ces activités, le transfert de chaleur doit s’effectuer sans altération des milieux intervenant dans le transfert thermique. L’utilisation d’équipements spécifiques d’échange est alors nécessaire. Ces équipements sont connus sous la dénomination d’échangeurs de chaleur. Ce sont des systèmes thermodynamiques présents dans toutes les unités industrielles dans lesquelles interviennent les processus d’extraction de chaleur. Situation de l’étude : INTRODUCTION : Les échangeurs de chaleurs sont des dispositifs très utilisés dans l’industrie pour cela l’objectif de ce chapitre est de donné quelques généralités sur ces équipements. I.1. DEFINITION : Un échangeur de chaleur est un système qui permet d’échanger la chaleur entre deux fluides ou plus. Dans un échangeur thermique, le fluide chaud et le fluide froid sont 1 séparés par une paroi bien adaptée et par principe la transmission de la chaleur se fait du fluide chaud vers le fluide froid. I.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT: Dans un échangeur, la chaleur est transmise d'un fluide à un autre. Le même fluide peut être conservé son état physique ou se présenter successivement sous les deux phases I.3. CRIETRES DE CLASSEMENT DES ECHANGEURS : Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs. Énumérons les principaux. I.3.1 Type de contact : Échangeurs à contact direct : Le type le plus simple comprend un récipient ou canalisation dans lequel les deux fluides sont directement mélangés et atteignent la même température finale. Échangeurs à contact indirect : les deux fluides s'écoulent dans des espaces séparés par une paroi. I.3.2 classement suivant les types d’échange : Échangeur sans changement de phase : Les échangeurs de chaleur sans changement de phase correspondent aux échangeurs dans lesquels l'un des fluides se refroidit pour réchauffer le deuxième fluide sans qu'il y ait changement de phase .les températures des fluides sont donc variables, tout le long de l'échangeur. Échangeur avec changement de phase: Les échanges avec changement de phase sont caractérisés par trois cas différents: 1- l'un des fluides se condense alors que l'autre se vaporise : ces échangeurs sont rencontrés dans les machines frigorifiques. 2- le fluide secondaire se vaporise en recevant de la chaleur du fluide primaire, lequel ne subit pas de changement d'état. Ils sont appelés évaporateurs. 3- le fluide primaire se condense en cédant sa chaleur latente au fluide secondaire plus froid, lequel ne subit pas de transformation d'état. I.3.3 Classement suivant la disposition des écoulements : Dans les échangeurs à fluide séparés, les modes de circulation des fluides peuvent se ranger en deux catégories : Même sens « co-courants ». Sens contraire « contre-courant ». Ou bien les vecteurs vitesses sont perpendiculaire l’un à l’autre ; il s’agit cette fois de «courant croisés » I.3.4 Classement fonctionnel 2 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 : 9 les deux fluides ont un écoulement monophasique ; 9 un seul fluide a un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs ; II. DIFFERENTS TYPES D’ECHANGEUR Il existe une très importante variété de modèles d'échangeurs, les quatre principales catégories utilisées dans les systèmes énergétiques sont les suivantes :  Echangeurs tubulaires.  Echangeurs à tube et calandre.  Echangeurs à ailettes.  Echangeurs à plaque. II.1. Echangeurs tubulaires Pour des raisons historiques et économiques, les échangeurs utilisant des tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les plus répandus. On peut distinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réalisés pour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée (Voir figure I.1). a) Echangeur monotube (figure a), dans lequel le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin ; b) Echangeur coaxial (figure b), dans lequel les tubes sont le plus souvent cintrés ; en général, le fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur. c) Echangeur multitubulaire, existant sous quatre formes : échangeur à tubes séparés (figure c) : à l’intérieur d’un tube de diamètre suffisant se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être soit rectiligne, soit enroulé,  Echangeur à tubes rapprochés (figure d) : Pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour le fluide extérieur au tube, on place un ruban enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. Les tubes s’appuient les uns sur les autres par l’intermédiaire des rubans,  Echangeur à tubes ailettes (figure e) : Ces tubes permettent d’améliorer le coefficient d’échange thermique.  Echangeur à tubes et calandre (figure f) : C’est l’échangeur actuellement le plus répandu dans le dessalement d’eau de mer [2]; 3 Critères de choix généraux Modes d’évacuation de la chaleur de condensation l faut évacuer la chaleur du réfrigérant vers l’air ambiant. On distingue deux techniques :  soit refroidir directement le fluide frigorigène par l’air : c’est le rôle du condenseur à air.  soit refroidir le fluide frigorigène par de l’eau : la machine frigorifique sera équipée par un condenseur à eau. Mais cette eau doit alors être elle-même refroidie en toiture, via une tour de refroidissement. Pour accroître la puissance de refroidissement, on peut profiter de l’énergie de vaporisation d’une eau pulvérisée au travers du courant d’air. Le principe est le même que lorsque nous nous aspergeons la figure par temps très chaud : la vaporisation de l’eau refroidit notre peau. Soit la pulvérisation est celle de l’eau qui circule dans le condenseur, soit c’est de l’eau indépendante de l’eau du circuit de condensation qui est pulvérisée. Cela conduit aux 5 technologies développées dans la technologie des condenseurs. Critères de choix globaux Refroidissement direct par l’air Energétiquement, la solution d’un refroidissement direct du fluide frigorigène par l’air extérieur possède des avantages, puisque tous les intermédiaires (et leurs consommations) sont évités et ainsi que la maintenance coûteuse de la tour de refroidissement. Aujourd’hui, la pression de condensation des condenseurs à air est bien gérée par l’utilisation de la variation de vitesse électronique des ventilateurs des condenseurs. C’est la solution couramment adoptée lorsque l’on peut placer le groupe frigorifique sur la toiture ou, de manière générale, à l’extérieur dans un endroit ombragé et ventilé. Condenseurs en toiture. 4 Condenseurs contre une façade et à l’ombre. En toute logique, on retrouvera donc le condenseur à air en toiture. Mais la machine frigorifique est parfois située en cave. Dans ce cas, il est exclu de faire confiance à des “ventilations naturelles”, des “soupiraux “, … la température dans la cave risquerait de monter fortement et le condenseur se retrouverait balayé par de l’air déjà réchauffé. La pression de condensation uploads/Finance/ introduction-generale 1 .pdf