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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI OUZOU FACULTE DU GENIE DE LA CONSTRUCTION DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR D’ETAT EN GENIE MECANIQUE OPTION : ENERGETIQUE Intitule du sujet : Proposé par : Réalisé par: Mr: NEBBALI Rezki Mr: ABDERRAHIM Malek Mr: BENCHIKHOUNE Malek Promotion 2011/2012 Remerciements Nos sincères remerciements s’adressent à notre promoteur Monsieur Rezki NEBBALI, pour sa patience, sa gentillesse, sa disponibilité et sa rigueur d’esprit qu’il nous a transmises tout au long de ce travail dont il a assuré un suivit permanent. Nous tenons également à remercier tous les enseignants qui ont contribué à notre formation, en particulier ; Mr M.FERROUK, Mr A.HAMDAD, Mr H.DjEBBOURI et Mr H.MOHELLEBI. Et enfin nous adressons nos remerciements les plus sincères à tous les gens aimables autour de nous, qui ont participé ou donné un coup de grâce avec des petits beaux mots pour nous encourager. Qu’ils trouvent ici l’expression de notre profonde gratitude. Je dédie ce modeste travail à : Mes chers parents qui m’ont soutenu pendant des années, qu’ils trouvent ici toute ma gratitude et mon profond respect. A mes frères : Khaled et Djidji. A mes sœurs : Sabrina, Souhila et Khalida. Et aux petits : Amine, Sosso, Badis, Meriem Amel et Imane. A ma chère Dalila. A tous mes amis sans exception, en particulier : Tarik, Omar, Nounou, Aissam, Lamine, hichem, farid, Ali, Moh, brahim, et mon binôme Sultan A toute la promo 2012 Malek.B Sommaire Introduction Générale……………………………………………………………………….. Chapitre I : Généralité sur les échangeurs de chaleur : I-1 Introduction………………………..………………………………………………… I-2 Définition……………………………………………………………………………. I-3 Critères de classement des échangeurs de chaleur…………………………………... I-3.1 Classement technologique…………………………………………………...…..... I-3.2 Classement suivant le mode de transfert de chaleur………………………………. I-3.3 Classement suivant le procédé de transfert de chaleur……………………………. I-3.4 Classement fonctionnel…………………………………………………………… I-3.5 Classement suivant la compacité de l’échangeur…………………………………. I-3.6 Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange…………………. I-3.7 Classement suivant le sens relatif des écoulements des deux fluides…………….. I-3.8 Classement en fonction de la nature des fluides ou de la fonction de l’échangeur. I-4 Principales caractéristiques des échangeurs………………………………………… I-5 Echangeur compact…………………………………………………………….…… I-6 Echangeur conventionnel………………………………………………………….... I-7 Echangeur a tubes et ailettes (batterie)……………………………………………… I-7.1 Différents types de batteries………………………………………………………. I-7.1.1 Les batteries chaudes……………………………………………………………. I-7.1.2 Batteries froides………………………………………………………………... I-7.2 Constituant d’une batterie……………………………………………………….. I-7.2.1 Les tubes……………………………………………………………………….. I-7.2.2 Les ailettes……………………………………………………………………... I-7.2.2.1 Différents types d’ailettes……………………………………………….…… I-8 Conclusion…………………………………………………………………………. Chapitre II: Relations et définitions relatives à l’air humide: II-1 Introduction……………………………………………………………………….. II-2 Air atmosphérique……………………………………………………………….... II-2.1 Composition de l’atmosphère type……………………………………………… II-3 Air sec…………………………………………………………………….……….. II-4 Air humide………………………………………………………………………… II-4.1 Air saturé………………………………………………………………………... II-4.2 Principales relation entre les grandeurs de base………………………………… II-4.2.1 Fraction molaire de la vapeur d’eau d’un échantillon d’air humide………….. II-4.2.2 Humidité absolue (rapport de mélange)....……………………………………. II-4.2.3 Humidité spécifique…………………………………………………………… II-4.2.4 Humidité relative de l’air humide……………………………………………... II-4.2.5 Pression partielle de la vapeur d’eau………………………………………….. II-4.2.6 Pression de vapeur saturante…………………………………………………… 1 2 2 2 2 5 5 5 5 6 6 7 8 9 9 9 9 9 10 10 10 11 11 12 13 13 13 14 15 15 15 15 16 16 16 17 17 II-4.2.7 Température de rosée…………………………………………………………….. II-4.2.7.1 Formule simplifiée de calcul de la température de rosée à partir de la pression de vapeur II-4.2.8 Température humide…………………………………………………………...... II-4.2.9 Masse volumique de l’air humide……………………………………………….. II-4.2.10 Volume massique de l’air humide……………………………………………… II-4.2.11 Enthalpie……………………………………………………………………...... II-4.2.11.1 Enthalpie massique de l’air sec………………………………………………. II-4.2.11.2 Enthalpie massique de l’eau liquide…………………………………………. II-4.2.11.3 Enthalpie massique de la vapeur d’eau………………………………………. II-4.2.11.4 Enthalpie de l’air humide……………………………………………………. II-5 Diagramme de l’air humide II-5.1 Détermination de la température de rosse à partir de la température et l’humidité relative………………………………………………………………….. II-6 Conclusion…………………………………………………………………………… Chapitre III: Calcul de l’échangeur : III-1 Introduction…………………………………………………………………………. III-2 Position du problème……………………………………………………………….. III-3 Hypothèses………………………………………………………………………….. III-4 Principe de calcul…………………………………………………………………… III-4.1 Bilan thermique…………………………………………………………………… III-4.1.1 Principe de la méthode NUT…………………………………………………… III-4.1.2 Efficacité d’un échangeur………………………………………………………. III-5 Formulation et résolution des équations…………………………………………… III-6 Calcul des coefficients d’échanges convectifs……………………………………… III-6.1 Evaluation du coefficient d’échange convectif du coté eau………………………. III-6.2 Evaluation du coefficient d'échange convectif du coté air……………………..... III-7 Efficacité d’une ailette……………………………………………………………… III-8 Efficacité d’une surface ailettée d’un échangeur compact…………………………. III-8.1 Distribution de la température au sein de l’ailette……………………………….. III-8.2 Décomposition des ailettes continues en ailettes transversales circulaires simples…………………………………………………………………………… III-8.3 Efficacité η d’une ailette transversale circulaire…………………………………. III-8.4 Efficacité globale ηG de l’ailette continue……………………………………...... III-8.4.1 Effet de bord et conditions de contour…………………………………………. III-8.4.2 Analyse du contour…………………………………………………………….. III-9 Expression du coefficient d’échange global pour le cas d’un échangeur Compact…………………………………………………………………………… III-10 Evaluation de la température de la paroi…………………………………………. III-10.1 Définition et choix de la température de références……………………………. III-11 Condensation de la vapeur……………………………………………………….. III-11.1 Relation de TETENS…………………………………………………………… III-12 Conclusion………………………………………………………………………… 17 17 18 18 18 18 19 19 19 19 20 20 21 22 22 23 23 23 24 25 27 28 28 29 33 34 34 35 37 38 38 38 40 44 44 45 46 50 Chapitre IV: Résultats et discutions IV-1 Introduction………………………………………………………………………… IV-2 Interprétation des résultats…………………………………………………………. IV-3 Conclusion…………………………………………………………………………. Conclusion générale…………………………………………………………………………… Annexe Bibliographie 51 56 57 58 Notations principales Symbole Désignation Unité S P Lai X H e De Di Dh NUT K ṁ m C F f R E η Nus V V C Flux de chaleur Surface Périmètre Conductivité thermique Viscosité dynamique Masse volumique Température Coefficient d’échange convectif Compacité de l’échangeur Entre axe horizontale des tubes Entre axe verticale des tubes Entre axe des tubes pour une disposition quinconce Longueur de l’échangeur Largeur de l’échangeur Hauteur de l’échangeur Pas entre les ailettes Epaisseur des ailettes Nombre de tubes par rang Nombre de rang Nombre de tubes total Nombre d’ailettes total Diamètre extérieur des tubes Diamètre intérieur des tubes Diamètre hydraulique Nombre d’unité de transfert Coefficient d’échange global Débit massique masse Capacité calorifique Débit thermique unitaire Facteur de correction Facteur de correction sur Nusselt Facteur de déséquilibre Efficacité de l’échangeur Efficacité d’une ailette transversale Nombre de Nusselt Coefficient de Darcy Nombre de Reynolds Nombre de Prandtl Facteur de Kim Vitesse Vitesse massique maximale de l’air Vitesse massique de l’air Volume Correctif par rapport aux conditions de contour des ailettes Rapport du nombre d’ailettes « sans bord, à un bord ou à deux bord » au nombre totale d’ailettes Pression [W] [m2] [m] [W.m-1.K-1] [Kg.m-1.s-1] [kg/m3] [°C] [W.m-2.k-1] [m2/m3] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [-] [-] [-] [-] [m] [m] [m] [-] [W.m-2.k-1] [kg/s] [kg] [J.kg-1.k-1] [W.K] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [m/s] [kg/m2.s-1] [kg/m2.s-1] [m3] [-] [-] [bars] Indices Signification f c e a i s max min G as ah Relatif au fluide froid, film Relatif au fluide chaud Relatif à l’entrée, l’eau, l’extérieur ou l’échange Relatif à l’air, ailettes Relatif à intérieur Relatif à la sortie Relatif au maximal Relatif au minimal Relatif à globale Relatif à air sec Relatif à air humide Relatif à vapeur Relatif à saturation HS HR Fraction molaire de la vapeur d’eau Humidité absolue Humidité spécifique Humidité relative de l’air humide Volume massique Enthalpie Température de rosée Flux de vapeur condensée [molev/moleah] [kgv/kgas] [ kgv/kgah ] [%] [m3/kg] [J/kg.K] [°C] [kg/s] 1 Introduction générale Un échangeur thermique est un appareil destiné à refroidir ou réchauffer un fluide au moyen d’un autre. Les contraintes du marché relatives au développement de ces échangeurs s’expriment en termes de réduction des couts d’investissements de fabrication, de gain d’espace et d’amélioration de l’efficacité énergétique. Elles conduisent inévitablement à fabriquer des échangeurs thermiques de plus en plus compacts et à explorer diverses techniques d’intensification des échanges thermiques. En effet, les échangeurs compacts sont caractérisés par une surface d’échange importante par unité de volume ou de masse, ce qui justifie leurs larges utilisations dans le domaine de l'industrie pétrolière, chimique, la distillation, réfrigération, conditionnement d’air, chauffage, installation frigorifique, centrale thermiques, ........etc. La forte demande des performances de ces systèmes thermiques a toujours suscité un intérêt considérable pour les techniques d'amélioration du transfert de chaleur. L'incorporation de ces techniques peut augmenter considérablement les performances des échangeurs de chaleur. Dans certains appareils, l'échange de chaleur est associé à un changement de phase de l'un des fluides, cette propriété est souvent exploitée dans le domaine du conditionnement d’air (climatisation) ou dans les déshumidificateurs etc. Cette étude est consacrée justement à un échangeur de chaleur air humide-eau, qui tient compte de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans cet air. L’évaluation des flux de vapeur condensée n’est possible qu’à travers une approche locale, cette dernière consiste en la discrétisation de l’échangeur en éléments de volumes pour lesquels des bilans thermiques et massiques sont effectués. Ce travail s’articule autour de quatre chapitres : Le premier englobe des descriptions et des généralités relatives aux échangeurs de chaleurs, en particulier les échangeurs compacts et met l’accent sur l’importance de ces dernier. Le second est consacré aux relations et définitions relatives à l’air humide. Quant au troisième chapitre il est réservé au calcul de l’échangeur de chaleur air humide-eau dont la géométrie est bien définie. Et les résultats obtenus feront l’objet du dernier chapitre présentés sous forme de courbe avec des commentaires et des interprétations, l’influence des températures d’entrée d’eau et d’air sur les paramètres de sortie du modèle est étudiée. Généralités sur les échangeurs de chaleur Chapitre uploads/Finance/ memoire 1 .pdf