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1 2 Remerciement Je tiens à exprimer ma reconnaissance à M. KAMAL Abderrazak ,

1 2 Remerciement Je tiens à exprimer ma reconnaissance à M. KAMAL Abderrazak , qui a consacré son temps à nous guider et dénouer toute difficulté ou ambiguïté rencontrée, il nous a encadré de bon cœur par ses précieuses conseilles au sein d’une ambiance conviviale, nous a donné l’opportunité de découvrir une partie des incontournables de notre domaine, la génie énergétique, et d’en tirer d’avantage de savoir au sein de bonnes conditions. Je le remercie vivement pour les bonnes impressions qu’il nous a donné et finalement pour le bon déroulement de nos minis projets. 3 I. INTRODUCTION : ............ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. II. GENERALITES SUR LES ECHANGEURS : ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. A. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT : ........ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 1. Les échangeurs co-courant : ....................................................................................... 5 2. Les échangeurs contre-courant : ................................................................................ 5 3. Les échangeurs à courants croisés : ........................................................................ 6 B. DIFFERENTS TYPES : ............................................................ 6 1. Echangeurs à faisceau tubulaire ............................................................................... 6 2. Echangeurs tubulaires coaxiaux ................................................................................ 9 3. Echangeurs à plaques ................................................................................................. 10 4. Echangeurs à spirales ................................................................................................ 12 C. DOMAINES D’APPLICATION .................................................. 13 D. AVANTAGES ET INCONVENIENTS ........................................... 13 E. DIMENSIONNEMENT ........................................................... 15 1. Idée générale ................................................................................................................. 15 2. Ses étapes ...................................................................................................................... 16 II. METHODES DE KERN : ..................................................... 19 A. CALCUL DES PARAMETRES COTE TUBES : .............................. 19 B. CALCUL DES PARAMETRES COTE CALANDRE : ......................... 20 C. COEFFICIENT D’ECHANGE GLOBAL ........................................ 22 III. APPLICATION AU REFROIDISSEMENT DU GAZ LIFT .......... 24 A. PROBLEMATIQUE .............................................................. 24 B. RESOLUTION .................................................................... 26 1. Calcul des propriétés thermo-physiques :............................................................ 27 2. Calcul du débit de l’eau de mer : ........................................................................... 27 3. Calculs préliminaires : ............................................................................................... 27 4. Calcul des paramètres coté tubes : ....................................................................... 28 5. Calcul des paramètres coté calandre : ................................................................. 29 6. Coefficient d’échange global et test de validation : ........................................... 29 IV. SIMULATION DU PROBLEME AVEC ASPENS ...................... 31 V. CONCLUSION .................................................................... 37 VI. ANNEXES .......................................................................... 37 VII. NOMENCLATURE : ............................................................ 43 VIII. ABREVIATION : ................................................................. 43 IX. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES : ................................. 44 4 I. Introduction : Il est souvent nécessaire d’apporter une quantité de chaleur à un système. Cette chaleur sera transmise par un dispositif appelé échangeur. Un échangeur de chaleur est, comme son nom l’indique, un dispositif conçu pour transférer de l’énergie thermique d’un fluide à un autre. Très simplement, un échangeur est une boîte dans laquelle circulent deux fluides. En général il s’agit d’un fluide chaud et d’un fluide froid. Nous allons découvrir dans ce qui suit, son fonctionnement, ses types les plus connus, leurs avantages et inconvénients, son domaine d’application et finalement son choix qui sera décidé selon un dimensionnement bien étudié. Cette dernière étape nous ramène à définir l’une des méthodes de dimensionnement et l’appliquer par la suite dans une problématique qui sera simulée par un logiciel à l’essor du projet. II. Généralités sur les échangeurs : A. Principes de Fonctionnement: On cherche en général à transférer un flux de chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid, séparés par une paroi qui peut être plane ou tubulaire. La chaleur est transférée par conduction et/ou convection au sein de chaque fluide, et par conduction au sein du matériau qui les sépare. Il peut également y avoir transfert par rayonnement si le niveau des températures dépasse 100°C. Dans l'échangeur, chacun des fluides s'échauffe, se refroidit, ou change d'état selon ses caractéristiques et les conditions opératoires. Le flux de chaleur résultant, cédé par le fluide chaud et reçu par le fluide froid est proportionnel à:  un coefficient d'échange thermique global noté U, fonction des conditions d'écoulement, des conductivités thermiques de chaque fluide, des viscosités, du changement d'état, etc...  un écart de température (en général une moyenne logarithmique des écarts de température entre les deux fluides à chaque extrémité de l'échangeur) 5  la surface d'échange thermique utilisée. Q = U S Δθml Il existe 3 genres de géométrie possible pour les échangeurs : 1. Les échangeurs co-courant: Ils ont pour particularité d’avoir les 2 fluides dans la même direction et même sens de circulation. Avantage : Plus simple à réaliser qu’un échangeur à courants croisés Δθml=[(Tec-Tef)-(Tsc-Tsf)] / ln [(Tec-Tef)/(Tsc-Tsf)] 2. Les échangeurs contre-courant : Ils ont pour particularité d’avoir les 2 fluides dans la même direction mais en sens inverse. Avantages : Ils sont plus performant que les échangeurs co-courant et sont plus simple à réaliser que les échangeurs à courants croisés. Inconvénient : La paroi qui sépare les deux fluides subit des contraintes mécaniques plus importantes dues à une plus grande variation de température. Dans ce cas, on dit que la température de paroi est non-homogène. Tef Tec Tsf Tsc 6 Δθml=[(Tec-Tsf)-(Tsc-Tef)] / ln [(Tec-Tsf)/(Tsc-Tef)] 3. Les échangeurs à courants croisés : Les deux fluides se croisent perpendiculairement. Avantage: Les échangeurs à courants croisés sont plus compacts et plus efficace pour un même volume donné. Il faut savoir qu’il existe de nombreux échangeurs dans le domaine de l’industrie. Les échangeurs à tubes et calandres, tubulaires coaxiaux, à plaques et joints, à spirales et plusieurs d’autres. On parle dans ce qui suit de quelques types d’échangeurs. B. Différents types : 1. Echangeurs à faisceau tubulaire Tef Tsc Tsf Tec 7 Fig.1 Échangeur tubes et calandre Ce type d'échangeurs est de loin le plus répandu dans les unités de transformations des industries chimiques et pétrochimiques. Un faisceau de tubes est situé à l'intérieur d'une calandre dans laquelle circule le deuxième fluide. Cette conception se retrouve également dans les condenseurs, les rebouilleurs et les fours multitubulaires. Le faisceau est monté en deux plaques en communication avec des boîtes de distribution qui assurent la circulation du fluide à l'intérieur du faisceau en plusieurs passes. Le faisceau muni de chicanes est logé dans une calandre possédant des tubulures d'entrée et de sortie pour le deuxième fluide circulant à l'extérieur des tubes du faisceau selon un chemin imposé par les chicanes. Ces dernières forcent la circulation du fluide à travers tout le réservoir sans quoi le fluide aurait tendance à prendre le plus court chemin entre l’entrée et la sortie. Nous avons intérêt à ce faire vu que le volume important entraine parfois des vitesses de circulation faibles, préjudiciable au coefficient d'échange entre autres. On a alors recours à des chicanes permettant d'augmenter la longueur du parcours entre l'entrée et la sortie côté calandre. Sortie du fluide 2 de la calandre Entrée du fluide 1 dans les tubes 8 Tous les éléments entrant dans la construction de ces échangeurs ont fait l'objet d'une normalisation, tant par la T.E.M.A. (Tubular Exchangers Manufacturer's Association) que l'A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers) ou l'A.P.I. (American petroleum institute). La calandre est généralement réalisée en acier au carbone et les brides portant les boîtes de distribution et le couvercle sont soudées. Les tubes du faisceau répondent à des spécifications très sévères. Le choix du matériau dépend de l'utilisation :  acier au carbone pour usage courant.  laiton amirauté pour les appareils travaillant avec l'eau de mer.  aciers alliés pour les produits corrosifs et les températures élevées.  aluminium et cuivre pour les très basses températures. Les tubes sont fixés dans les plaques par mandrinage et la perforation des trous dans les plaques est réalisée selon une disposition normalisée, soit au pas triangle, soit au pas carré. Le pas triangle permet de placer environ 10 % de plus de tubes que le pas carré sur une plaque tubulaire de diamètre donné, mais, en contre partie, la disposition des tubes rend difficile le nettoyage des tubes par insertion de grattoirs. Les chicanes qui permettent d'allonger le chemin du fluide circulant dans la calandre sont souvent constituées par un disque de diamètre légèrement inférieur à celui de la calandre comportant une section libre représentant 20 à 45 % de la section. Les boîtes de distribution et de retour sont cloisonnées. Ce cloisonnement permet au fluide de traverser successivement plusieurs sections du faisceau, ce qui a pour objet d'accroître la vitesse du fluide et d'augmenter le coefficient de transfert à l'intérieur des tubes. Cette disposition correspond toujours à un nombre pair de passages (ou passes) dans le faisceau. 9 2. Echangeurs tubulaires coaxiaux fig.2 Échangeur à tubes coaxiaux Ces échangeurs sont constitués par des éléments rectilignes de deux tubes concentriques raccordés à leurs extrémités par des coudes. L’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes. Les divers éléments sont tous assemblés par des raccords à démontage rapide, et un remplacement des tubes est possible. Les problèmes de dilatation thermique et d'étanchéité entre le tube intérieur et le tube extérieur sont résolus par l'utilisation de presse étoupe ou de joint torique. Les tubes sont généralement en acier et les longueurs courantes sont de 3,6 - 4,5 ou 6 m. On utilise également quelquefois des tubes en verre et en graphite. Ces appareils sont intéressants pour les facilités qu'ils offrent pour le démontage et l'entretien. Ils peuvent fonctionner en contre courant pur, ce qui permet d'obtenir de bons rendements. Par contre, ils présentent les inconvénients uploads/Finance/ introduction.pdf