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Les échangeurs de chaleur Introduction : Dans le contexte énergétique actuel, la hausse des prix de l’énergie et la raréfaction des sources d’énergies fossiles poussent la société industrielle contemporaine à devenir de plus en plus performante aussi bien sur l’aspect financier et environnemental que sur l’aspect maitrise de l’énergie. Ce dernier point essentiel aujourd’hui, conduit les industriels dans une recherche des meilleurs rendements de leurs processus et une baisse de leur consommation énergétique devenus indispensables. L’objectif de performance énergétique par la maitrise et la rationalisation de l’énergie pour une meilleure efficacité passe en particulier par l’optimisation des différents organes process. À partir d’une situation bien définie, la rentabilité ne peut être garantie que par le recours à des solutions techniques optimales offrant le meilleur rendement possible par une gestion dynamique des systèmes. C’est là qu’intervient encore, et ceci depuis toujours, l’échangeur de chaleur. Celui-ci est un élément essentiel de la stratégie de performance énergétique. Sans conteste l’échangeur de chaleur occupe une place primordiale et indispensable dans tous les systèmes thermiques, qu’il soit pour un usage industriel (chimie, on s’accorde à dire que plus de 90% de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur. Dans ce qui suit, on va citer les principales fonctions qu’un échangeur thermique peut assurer, les principales technologies et les méthodes de dimensionnement. Le choix et le dimensionnement d’un échangeur de chaleur, pour une application donnée, dépendent de nombreux paramètres tels que : les propriétés physiques des fluides, leur agressivité, les températures ainsi que leur pressions de service ou les matériaux. Les contraintes d’encombrement et de maintenance doivent également être prises en compte, ainsi que les considérations économiques. Finalement pour des raisons de vérification on recourt à une simulation numérique mais cette fois ci la simulation va être faite par le logiciel HTRI. Les principales fonctions d’un échangeur thermique : La fonction principale de l’échangeur thermique est de transférer de l’énergie thermique d’un fluide vers un autre à des niveaux de températures distincts. Les fonctionnalités des échangeurs thermiques sont extrêmement diverses et variées: les principales en sont les suivantes :  Préchauffeur ou refroidisseur d’un liquide ou d’un gaz ce qui implique le contrôle de la température du fluide en un point particulier du procédé.  Récupérateur thermique qui permet d’accentuer la nouvelle notion de valorisation de l’énergie thermique d’un procédé. Cette récupération est assurée par un transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid ; de cette façon la perte thermique sera réduite.  Réfrigérants qui assure la dissipation de l’énergie thermique non valorisable d’un procédé vers le milieu extérieur.  Capteurs ou émetteurs thermiques dont les équipements ont pour fonction, respectivement, d’associer réception d’énergie thermique et transmission vers l’usage. Les exemples les plus courants sont les capteurs solaires thermiques ainsi que les radiateurs domestiques qui assurent le confort thermique dans un bâtiment.  Déshumidificateurs ou condenseurs partiels qui assurent la condensation d’une vapeur en mélange avec un gaz incondensable pour obtenir, en fin d’opération, un gaz appauvri en vapeur.  Evaporateurs qui assurent l’évaporation complète ou partielle d’un liquide dans différents procédés notamment de production d’énergie mécanique et de production frigorifique.  Equipements qui permettent la congélation et la fusion d’une phase liquide ou vapeur grâce à une paroi refroidie en dessous du point triple du fluide. Ces dispositifs sont utilisés pour assurer la séparation de plusieurs corps, assurer le stockage d’énergie thermique (stockage de glace ou stockage par MCP), produire une phase solide pour divers usage. Fonctionnement général d’un échangeur thermique. Il existe de nombreuses technologies d’échangeurs de chaleur, mais tous fonctionnent suivant les mêmes processus physiques d’échanges, c'est-à-dire: -la conduction qui représente les échanges à travers les parois (le plus souvent métalliques). -la convection qui représente les échanges entre les fluides et les parois. -le rayonnement qui représente les échanges radiatifs entre les fluides et les parois (principalement infra rouge) bien que ce dernier soit souvent négligeable (car pris en compte uniquement pour un fonctionnement à haute température). On distingue également trois modes d’écoulement différents: -celui à Co-courants : écoulements parallèles des fluides et dans la même direction. -celui à contre-courants : écoulements parallèles des fluides mais dans des directions inverses. -celui à courants croisés : écoulements perpendiculaires entre les deux fluides. Le mode de circulation influe également sur la qualité et l’efficacité du transfert. Un échangeur dit anti-méthodique (ou à Co-courants) signifie que l’entrée des deux fluides (chaud et froid) se situe du même coté de l’échangeur. La configuration dite méthodique est celle ou les fluides circulent à contre-courants. On l’appelle méthodique car c’est cette configuration qui permet d’obtenir les meilleures performances d’échangeurs. En effet, pour une circulation à co-courant des fluides, la température de sortie du fluide chaud ne pourra pas être plus basse que la température de sortie du fluide froid tandis qu’à contre courant, il est possible d’abaisser la température du fluide chaud à une valeur qui tendra vers la température d’entrée du fluide froid. Méthode de dimensionnement. Le dimensionnement d’un échangeur consiste à calculer la surface d’échange nécessaire pour obtenir les performances désirées (puissance, température de sortie). Il faudra par la suite déterminer les pertes de charge (pertes de pression) que va engendrer la circulation des fluides (par la friction contre les parois du fait de la viscosité). La configuration la plus simple est celle d’un échangeur tubulaire. Cet échangeur est le plus simple mais peut nécessiter des surfaces d’échange importantes. Pour simplifier le problème de calcul de dimensionnement à traiter ici, nous posons les hypothèses suivantes : Nous considérerons que l’échangeur fonctionne en régime permanent La puissance cédée par le fluide chaud est entièrement reçue par le fluide froid (système adiabatique) Seuls les transferts de chaleur par conduction et par convection sont pris en compte (pas de rayonnement). Seules les pertes de pression par frottement seront prises en compte La résistance thermique due à l’encrassement des surfaces sera négligée Evaluation du coefficient d’échange global Uglobal. Parmi les deux méthodes permettant d’évaluer les performances d’un échangeur en régime permanent: la méthode DTLM (moyenne logarithmique de la différence de température) et la méthode NUT (nombre d’unité de transfert), nous utiliserons la méthode DTLM car nous avons en données les débits, les températures d’entrée et la puissance échangée. Cela nous permet sans difficulté d’estimer les températures de sortie des deux fluides. Méthode DTLM pour l’échangeur à contre-courant : Diagramme de variation des températures Tc et Tf Les variations des températures Tc et Tf deviennent négatives quand on augmente la surface d’échange. En tenant compte des hypothèses faites ci-dessus, le bilan énergétique s’écrira de la manière suivante: La puissance thermique totale échangée Q. est : Q.= Uglobal ∆TLM Séch A partir de l’expression de Q., on voit bien que la puissance échangée est proportionnelle à la surface d’échange Séch et à la différence de température ∆TLM entre le fluide chaud et le fluide froid. Le coefficient global d’échange Uglobal est le coefficient de proportionnalité. Alors on peut écrire : dQ.= Uglobal ∆T Séch On sait que le transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid résulte de trois étapes : La convection entre le fluide chaud et la surface externe de la paroi solide des tubes: Cette convection est régie par un coefficient de convection αc permettant de définir une résistance thermique convective 1/ (Séch*αc). La conduction à travers cette paroi : La paroi a une épaisseur e=Dext- Dint et une conductivité λparoi alors on a une résistance thermique paroi e/ (λparoi*Séch). La convection entre le fluide froid et la surface interne de la paroi solide des tubes. Là aussi, la convection est régie par un coefficient d’échange de convection αf cela permet de définir une résistance thermique convective 1/ (Séch*αf). Alors l’expression du flux total échangé devient : Q .= ∆T 1 (Séch∗α c) + e λ paroi∗Séch + 1 (Séch∗α f ) De là on voit que la résistance globale est : �� = �� + �� + �� + �� + � �� Schématisation des différentes résistances thermiques d’une paroi On néglige les résistances d’encrassement l’expression devient comme suit : R= 1 1 (α c )+ e λ paroi + 1 (α f ) Rappelons que nous supposons que la surface d’échange côté chaud est le même que la surface d’échange côté froid. Pour une bonne évaluation du coefficient global de l’échangeur et les autres paramètres de l’échangeur, l’estimation des coefficients d’échange côté chaud et côté froid est nécessaire. http://encyclopedie-energie.org [échangeur] uploads/Finance/ les-echangeurs-de-chaleur 1 .pdf