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الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et P

الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعليم العالي و البحث العلمي Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Mémoire de fin d’études En vue de l’obtention du diplôme de Master en Électromécanique Option : Électromécanique Présenté par : Encadré par : Bouchemal Mohammed Lamine Dr. Ilhem Hafsaoui Laouici Houssam Eddine Université Mohamed Seddik BEN YAHIA- Jijel Faculté de Sciences et de la Technologie Département d’Électrotechnique lectrotechnique Modélisation des Échangeurs de Chaleur Promotion 2018 Remerciements vant tout, notre remerciements vont à ALLAH le tout puissant, pour le courage qu’il nous a donné et la force pour mener ce travail jusqu’à la fin. Nous souhaitons tout d’abord adresser un très grand remerciement et le plein respect de la vertu au personne qui nous a encadré Mme I. Hafssoui, Maitre de Conférence B, docteur à l’université de Jijel, nous volons la remercier pour son accueil, son aide, sa gentillesse, sa disponibilité tout le long de ce travail et ces précieux conseils constructifs. Nous voulons exprimer par ces quelques lignes de remerciements notre gratitude envers tous ceux en qui par leur présence, leur soutien leur disponibilité et leurs conseils, nous avons eu courage d’accomplir ce projet. En fin, nous ne pouvons achever ce mémoire sans exprimer notre gratitude à tous les enseignantes et les enseignants du département d’électrotechnique de l’université de Jijel pour leur dévouement et leur assistance tout au long de nos études universitaires. A M. Bouchemal J’exprime ma gratitude et mes remerciements les plus sincères et les plus Profonds à Dieu tout puissant qui m’a donné la force et la patience pour pouvoir accomplir ce travail à terme. J'ai l'honneur de dédier ce modeste travail à mes parents les deux chères du monde qui m’ont appris les grandes valeurs et le sens de l’humanité que dieu les protège. A ma chère sœur pour les encouragements, la confiance et le soutien moral. A toute la famille Bouchemal Mes amis A toute la promotion électromécanique 2018 A tous ceux qui me sont chers H. Laouici J’exprime ma gratitude et mes remerciements les plus sincères et les plus Profonds à Dieu tout puissant qui m’a donné la force et la patience pour pouvoir accomplir ce travail à terme. J'ai l'honneur de dédier ce modeste travail à mes parents les deux chères du monde qui m’ont appris les grandes valeurs et le sens de l’humanité que dieu les protèges. A mes chers frères, mon oncle et ma sœur pour les encouragements, la confiance et le soutien moral. A toute la famille Laouici Mes amis A toute la promotion électromécanique 2018 A tous ceux qui me sont chers Table des matières Table des matières Introduction générale...................................................................................................... 1 Chapitre I : Aspects théoriques des Échangeurs thermiques Introduction................................................................................................................. 3 I.1. Définition ............................................................................................................. 3 I.2. Structure de l'échangeur ....................................................................................... 3 I.3. Matériaux applicables aux échangeurs de chaleur ............................................... 4 I.4. Classification des échangeurs de chaleur ............................................................. 4 I.4.1.Processus de transfert ......................................................................................... 5 I.4.2 Géométrie de construction ................................................................................. 5 I.4.2.1. Échangeurs tubulaires ..................................................................................... 5 I.4.2.2. Échangeurs à plaques ...................................................................................... 7 I.4.3. Mécanismes de transfert de chaleur .................................................................. 9 I.4.4. Arrangement de l’écoulement ........................................................................... 9 I.5. Autres types d’échangeurs ................................................................................ 10 I.5.1. Échangeurs régénérateurs rotatifs à matrice tournant ....................................... 10 I.5.2. Échangeurs régénérateurs statiques (ou à valves) ............................................. 11 I.5.3. Échangeurs à caloducs ...................................................................................... 12 I.5.4. Échangeur liquide-liquide ................................................................................. 13 I.5.5. Échangeurs lamellaires ..................................................................................... 13 I.5.6. Échangeurs à plaques brasées ........................................................................... 14 I.6. Rôles des échangeurs ........................................................................................... 15 І.7. L’encrassement des Echangeurs de chaleur ......................................................... 15 І.7.1. Classification : différents types d’encrassement ............................................... 16 І.7.1.1. Encrassement particulaire .............................................................................. 17 І.7.1.2. Entartrage ....................................................................................................... 17 І.7.1.3. Corrosion ........................................................................................................ 18 І.7.1.4. Encrassement biologique ............................................................................... 18 І.7.1.5. Encrassement par réaction chimique ............................................................. 19 І.7.1.6. Encrassement par solidification .................................................................... 19 I.7.2. Processus encrassement .................................................................................... 19 Table des matières I.7.3. Conséquences de l’encrassement ..................................................................... 20 Conclusion .................................................................................................................. 20 Chapitre II : Méthodes de Calcul des Échangeurs de Chaleur Introduction ................................................................................................................ 21 II.1. Grandeurs thermiques ......................................................................................... 21 II.1.1. La température ................................................................................................. 21 II.1.2. Champ de température ..................................................................................... 21 II.1.3. Flux de chaleur ................................................................................................ 21 II.1.4. La chaleur ........................................................................................................ 22 II.1.5. La chaleur spécifique ....................................................................................... 22 II.1.6. Conductivité thermique ................................................................................... 22 II.1.7. Résistance de contact ....................................................................................... 22 II.2. Grandeurs physiques ........................................................................................... 23 II.2.1. La densité ......................................................................................................... 23 II.2.2. La viscosité ...................................................................................................... 23 II.2.3. Le débit ............................................................................................................ 23 II.2.4. Le nombre de Reynolds ................................................................................... 23 II.2.5. Nombre de Nusselt .......................................................................................... 24 II.2.6. Nombre de Prandtl ........................................................................................... 24 II.3. Modes de transfert de chaleur ............................................................................. 25 II.3.1. La conduction thermique ................................................................................. 25 II.3.2. Convection thermique ...................................................................................... 26 II.3.3. Rayonnement ................................................................................................... 26 II.4. Étude d'un échangeur ........................................................................................... 27 II.4.1. Coefficient global de transfert de chaleur ........................................................ 27 II.4.2. Méthodes analytiques ........................................................................................ 28 II.4.2.1. Méthode DTLM .............................................................................................. 28 II.4.2.2. Méthode NUT ................................................................................................. 32 II.4.3. Méthodes numériques ....................................................................................... 34 II.4.3.1. Méthode des volumes finis ............................................................................. 34 II.4.3.2. Méthode du diagramme température enthalpie ............................................... 34 II.4.3.3. Méthode des différences finies ....................................................................... 35 Table des matières II.4.3.4. Méthode des éléments finis ............................................................................. 35 II.5. Calcul du coût d’un échangeur de chaleur ........................................................... 35 II.6. Pertes de charges .................................................................................................. 36 Conclusion ................................................................................................................... 36 Chapitre III : Modélisation des échangeurs Introduction ................................................................................................................. 37 III.1. Hypothèses simplificatrices ............................................................................... 37 III.2. Phénomènes d’écoulements ................................................................................ 37 III.2.1. Equations de Navier-Stokes ............................................................................. 37 III.2.1.1. Cas général .................................................................................................... 37 III.2.1.2. Cas d’un fluide incompressible .................................................................... 38 III.2.2. Conditions aux limites ...................................................................................... 39 III.3. Phénomènes thermiques ..................................................................................... 39 III.3.1. L’équation de la chaleur .................................................................................. 39 III.3.2. Conditions aux limites ..................................................................................... 40 III.4. Couplage ............................................................................................................. 41 III.5. Méthodes numériques de résolution ................................................................... 41 III.6. Présentation du logiciel COMSOL ..................................................................... 41 Conclusion ................................................................................................................... 42 Chapitre IV : Application et résultats Introduction ................................................................................................................. 43 IV.1. Première application ........................................................................................... 43 IV.1.1. Description de l’échangeur .............................................................................. 43 IV.1.2. Régime stationnaire ......................................................................................... 44 IV.1.3. Etude paramétrique ......................................................................................... 48 IV.1.3.1. Effet du débit massique des fluides .............................................................. 48 IV.1.3.2. Effet du type des fluides ............................................................................... 51 IV.1.3.3. Effet de la nature des matériaux des tubes ................................................... 54 IV.2. Deuxième application ........................................................................................ 56 IV.2.1. Description de l’échangeur .............................................................................. 56 IV.2.2. Régime stationnaire ......................................................................................... 57 Table des matières IV.2.2.1. Performances et fonctionnement de l’échangeur .......................................... 57 IV.2.2.2. Effet des débits des fluides ........................................................................... 60 IV.2.3. Régime transitoire ........................................................................................... 63 Conclusion ................................................................................................................... 67 Conclusion et perspectives ......................................................................... 68 Liste des figures Figure I.1 : Structure générale d’un échangeur de chaleur …………………….................. 3 Figure I.2 : Principe de l’échangeur tubulaire …………………………………................. 5 Figure I.3 : Différents types d’échangeurs tubulaires ………………………….................. 6 Figure I.4 : Composition d’un échangeur à plaques ………………………………............. 7 Figure I.5 : Configuration d’écoulements des échangeurs de chaleur ……………............. 10 Figure I.6 : Échangeurs régénérateurs rotatifs à matrice tournant …………………........... 11 Figure I.7 : Échangeurs régénérateurs statiques ……………………………………........... 12 Figure I.8 : Échangeurs à caloducs ……………………………………………................... 13 Figure I.9 : Échangeur spirale ……………………………………...................................... 13 Figure I.10: Echangeur de chaleur lamellaire ………………………………….................. 14 Figure I.11 : Échangeur de chaleur à plaques brasées ……………………………….......... 14 Figure І.12 : Echangeur sale et propre ……………………………………………........... 16 Figure І.13 : Dépôt de forte épaisseur dans un tube de surchauffeur de Chaudière MP....... 17 Figure І.14 : Entartrage d’une chaudière à tubes de fumée (P=15 bar) ……………........... 17 Figure І.15 : Importante corrosion …………………………………………………........... 18 Figure І.16 : Dépôt de slime bactérien, hydrocarbures et oxydes métalliques dans un échangeur de chaleur eau hydrocarbures (Raffinerie de pétrole) ………………................ 19 Figure І.17 : Formation de dépôt …………………………………………………….......... 20 Figure II.1 : régimes d’écoulement ...................................................................................... 24 Figure II.2 : conduction de chaleur à travers une paroi ……………………………............ 25 Figure II.3 : Phénomène de convection thermique …………………………………........... 26 Figure II.4 : phénomène de rayonnement thermique ………………………………............ 27 Figure II.5 : Organigramme de calcul par la méthode de la différence moyenne logarithmique ………………………………………………………………………............ 30 Figure II.6 : Profil des températures dans un échangeur tubulaire fonctionnant à contre courant ………………………………………………….................. 30 Figure II.7 : Organigramme de calcul par la méthode du nombre d’unité de transfert ....... 32 Figure IV.1 Echangeur de chaleur à tubes coaxiaux ………………………………............ 43 Figure IV.2 : Champ de vitesse dans l’échangeur co-courant ……………………….......... 45 Figure IV.3 : Champ de vitesse dans l’échangeur contre-courant …………………........... 45 Figure IV.4 : Champ de température dans l’échangeur Co-courant ………………............ 46 Figure IV.5 : Champ de température dans l’échangeur Contre-courant ……….................. 46 Figure IV.6 : Evolution des températures dans l’échangeur à Co-courant …….................. 47 Figure IV.7 : Evolution des températures dans l’échangeur à Contre-courant .................... 47 Figure IV.8 : Répartition des températures dans l’échangeur à Co-courant Pour différentes valeurs de débit ……………………………………………….................. 49 Figure IV.9 : Evolution des températures dans l’échangeur à contre-courant pour différentes valeurs de débits ………………………………………………........................ 50 Figure IV.10 : propriétés physiques et thermiques de l’huile …………………….............. 51 Figure IV.11 : propriétés physiques et thermiques de l’éthanol ……………….................. 52 Figure IV.12 : Transfert thermique dans les différents échangeurs à Co-courant …........... 52 Figure IV.13 : Transfert thermique dans les différents échangeurs à contre-courant .......... 53 Figure IV.14 : Répartition de la température pour les différents échangeurs à Co-courant ………………………………………………………………........................... 55 Figure IV.15 : Répartition de la température pour les différents échangeurs à Contre- courant ………………………………………………………………………...................... 55 Figure IV.16 : Géométrie de l’échangeur …………………………………………............. 56 Figure IV.17 : Champ uploads/Finance/ m-elec-mec-2018-03.pdf