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1 Support de cours : 2eme année Génie Energétique 2017/2018 Mme.J.Sghaier 1 Les

1 Support de cours : 2eme année Génie Energétique 2017/2018 Mme.J.Sghaier 1 Les échangeurs thermiques Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir 2 Chapitre I: Généralités sur les échangeurs I.1. Introduction I.2. Critères de classement des échangeurs de chaleur I.3. Technologie générale Chapitre II: Performances thermiques d’un échangeur II.1. Utilisation de la méthode de DTLM II.2. Utilisation de la méthode de NUT II.3. Évaluation du coefficient d’échange global Chapitre III: Dimensionnement d’un échangeur III.1. Utilisation de la méthode de Kern (Références: Chemical Engineering Chap12) III.2. Simulation et dimensionnement avec le Logiciel ASPEN Sommaire 2 3 Chapitre I: Généralités sur les échangeurs Quelle est l’utilité des échangeurs dans l’industrie? (Voir la vidéo) Description d’un échangeur:  Un échangeur de chaleur est un système permettant de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid à travers une paroi sans contact direct entre eux (c.à.d. sans mélange).  Les mécanismes de transfert thermique intervenant lors de cette échange ? conduction - convection - rayonnement Domaines d’application des échangeurs thermiques dans l’industrie: la pétrochimie, la chimie, l’environnement , l’agroalimentaire, la papeterie,… 4 I.1. Introduction: 3 5 Exemples Figure 1: échangeur dans un radiateur d’automobile Figure 2: échangeur dans un évaporateur de climatiseur 6 Les échangeurs existant dans l’industrie sont en général classées suivant des critères bien déterminées. I. 2.1. Classement technologique Les principaux types d’échangeurs sont les suivants :  Echangeurs à tubes : coaxiaux, multitubulaires, monotubes, ... Echangeurs à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire. Echangeurs : à contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé. I.2.2. Classement suivant le mode de transfert de chaleur Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection et rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications mais souvent il y a un mode de transfert prédominant. I.2.3. Classement suivant le procédé de transfert de chaleur Suivant qu’il y a ou non stockage de la chaleur, on définit un fonctionnement en tant que récupérateur ou en régénérateur de chaleur :  transfert sans stockage, donc en récupérateur.  transfert avec stockage, donc en régénérateur. I.2. Critères de classement des échangeurs 4 7 I. 2.4. Classement fonctionnel Le passage des fluides dans l’échangeur peut se faire avec ou sans changement de phase. Suivant le cas, on dit qu’on a un écoulement monophasique ou diphasique. Les cas sont :  les deux fluides ont un écoulement monophasique.  un seul fluide a un écoulement avec changement de phase (cas des évaporateurs ou des condenseurs).  les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase (cas des évapo- condenseurs). I.2.5.Classement suivant la compacité de l’échangeur La compacité est donnée par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur: Critère important dans la conception (à étudier son effet dans la partie dimensionnement). I. 2.6. Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange On distingue deux types de paroi :  les échangeurs métalliques: en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires. 8  les échangeurs à paroi non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc. Remarque: A faire une recherche bibliographique sur l’effet de la nature de matériau utilisé sur l’échange thermique.  En conclusion: Quels sont les critères et les paramètres sur lesquels se basent le choix d’un échangeur pour une application industrielle ?  Travail demandé : faire une recherche bibliographique sur les différents types d’échangeurs et leurs caractéristiques techniques. 5 9 Différentes catégories existantes  échangeur monotube  échangeur coaxial  échangeur multitubulaire Les échangeurs tubulaires sont les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange et qui sont les plus répandus. Dans cette configuration, l’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes. On distingue deux types de fonctionnement selon que les 2 fluides circulent dans le même sens ou en sens contraire.  Dans le premier cas, on parle de configuration en co-courant.  Dans le deuxième cas, on parle de configuration en contre-courant. On trouve souvent ce type d’échangeurs dans l’industrie frigorifique (en particulier pour les condenseurs à eau ou encore les groupes de production d’eau glacée). On peut avoir trouver trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, pour une meilleure efficacité. I. 3.1 Echangeurs tubulaires coaxiaux I.3. Technologie des échangeurs 10 Co-courant Contre-courant Les échangeurs à faisceau de tubes et calandre (Tubes et Calandre, Shell and Tube) Echangeurs « double tube » I.3.2. Exemples: quelques types d’échangeur Fig.3 Echangeur double tube Fig.4 échangeur tubes et calandre 6 11 Échangeur à spirale (doc. Spirec) Échangeur Packinox (doc. Packinox) Échangeur lamellaire (doc. Alfa-Laval) Exemples d’échangeurs Tubes et Calandre commercialisés 12 Échangeurs à tubes et calandre: différents types (à voir les vidéos sur ce type d’échangeur: interpréter la différence entre les caractéristiques. Fig. 5 échangeur tubes et calandre 7 13 Dans ce type d’échangeurs à faisceau de tubes et calandre, chacun des fluides peut traverser une ou plusieurs fois le volume d’échange. Le mot <<passe>> désigne une traversée de l’échangeur par l’un des fluides. Si le fluide qui circule dans la calandre passe P fois dans le volume d’échange et le fluide circulant dans les tubes le traverse N fois (c.-à-d qu’il effectue N/2 allée –retour), on dit que l’échangeur est à P passe côté calandre et à N passe côté tubes (Fig6). On les nome les modèles de type P-N. Schéma d’échangeur P-N ( P =2, N=4) Schéma d’échangeur P-N (P=1, N=2) ( Fig. 6 diffèrent type d’échangeur (P-N) (Tristan BERNARD (S.F.T)) De même on utilise des chicanes pour ce type d’échangeur. Interpréter l’effet des chicanes sur les transferts ??? 14 Ces types d’échangeurs représentent les cas des échangeurs gaz-liquide et liquide-gaz utilisés dans la récupération thermique (fumées ou gaz chauds). On le trouve aussi dans les différents systèmes thermodynamiques tels que pompes à chaleur ou groupes de réfrigération. En génie climatique, ces échangeurs sont appelés batteries à ailettes. I.3.3 Échangeurs tubes à ailettes 8 I.3.4. Les échangeurs compacts à ailettes 15 16 I.3.5. Échangeurs à plaques 9 17 I.3.6 Échangeurs avec un fluide changeant de phase L’un des deux fluides peut subir un changement de phase à l’intérieur de l’échangeur. •Si le fluide froid passe de l’état liquide à l’état gazeux, on parle des évaporateurs . •Si le fluide chaud se condense de l’état de vapeur à l’état liquide, on parle des condenseurs. Quelques exemples d’évaporateurs tubulaires tirés de la bibliographie On trouve : - les évaporateurs à tubes verticaux et ceux à tubes horizontaux - Évaporateurs noyés - Évaporateurs à tubes arrosés 18 Évaporateurs tubulaires 10 19 20 Condenseurs tubulaires 11 21 Les échangeurs à caloducs ( Fig.7) sont le plus souvent utilisés pour des échanges gaz-gaz (récupération de chaleur des fumées industrielles, climatisation), mais aussi pour des échanges gaz-liquide, liquide-liquide ou pour des générateurs de vapeur. Fig. 7. schéma de principe Échangeur à caloducs 22 Chapitre II: Performances thermiques d’un échangeur 12 23 II.1. Évaluation des performances thermiques d’un échangeur Pour l’étude d’un échangeur de chaleur, on aura besoin des connaissances de base acquises: Thermique Mécanique des fluides. Résistance des matériaux (RDM). Design Dans ce qui suit, on va étudier les performances thermiques d’un échangeur avec des hypothèses bien déterminées Du point de vue thermique, le problème est traité en régime permanent. Deux méthodes seront utilisées:  Différence de température logarithmique moyenne (DTLM).  Nombre d’Unité de Transfert (NUT) Position du problème Que ce soit, un échangeur à tubes coaxiaux ou à plaques, et quelques soit la circulation de l’un des 2 fluides par rapport à l’autre, les équations qui seront mises en jeu sont similaires, seules les résistances thermiques changent. Hypothèses Dans les calculs qui suivent, nous retenons les hypothèses suivantes : - Pas de pertes thermiques : la surface de séparation est la seule surface d’échange. Le flux est intégralement transmis entre les deux fluides. - Pas de changement de phase au cours du transfert. Dans ce qui suit, on va s’intéresser aux échangeurs tubulaires 24 13 Cas des échangeurs tubulaire à co-courant Les températures Tc et Tf sont les températures respectives des deux fluides chaud et froid sur l’élément de surface d’échange dS . L’expression du flux thermique élémentaire dФ échangé entre les deux fluides à travers cet élement dS s’écrit: (1)  La distribution de la température des deux fluides est représentée sur la figure (8) ( Faire la démonstration) II.2. Utilisation de la Méthode de la différence de température logarithmique moyenne DTLM Fig.8. Evolution des températures le long de l’échangeur 25 Avec : U(W/(m2.°C)): Coefficient d’échange global. ( ) c f d U T T dS   26 En partant de l’expression de flux élémentaire dФ échangé entre les deux fluides à travers l’élément dS et qui s’écrit : c pc c f pf f m C dT m C dT   d Flux perdu par le fluide chaud Flux gagné par le fluide froid c f c pc f pf d d dT dT m C m C     uploads/Finance/ les-echangeurs-thermiques.pdf