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Université El Bachir El Ibrahimi de Bordj Bou Arréridj Faculté des Sciences et

Université El Bachir El Ibrahimi de Bordj Bou Arréridj Faculté des Sciences et de la Technologies Département Génie de l’environnement Niveau Master I Génie Chimique TP transfert thermique et Echangeurs de Chaleur TP N°7 Etude du transfert de chaleur dans un échangeur concentrique fonctionnant A contre courant et à courant parallèle. 1. But du TP L'objectif principal de cet exercice pratique est de comparer le transfert de chaleur dans des conditions d'écoulement à contre-courant et parallèle. Représenter la répartition de la température le long de l'échangeur dans les deux configurations. 2. Théorie 2.1. Les échangeurs tubulaires simples 2.1.1 Généralités. Définitions 2.1.1.1 Description Un échangeur de chaleur est un système qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid à travers une paroi sans contact direct entre les deux fluides. Exemples : radiateur d’automobile, évaporateur de climatiseur, ... Un échangeur tubulaire simple est constitué de deux tubes cylindriques coaxiaux. Un fluide (généralement le chaud) circule dans le tube intérieur, l’autre dans l’espace compris entre les deux tubes. Le transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid s’effectue à travers la paroi que constitue le tube intérieur : Figure.1 : Schéma d’un échangeur tubulaire simple 2.1.1.2. Hypothèses Dans les calculs qui suivent, nous avons retenu les hypothèses suivantes : - Pas de pertes thermiques : la surface de séparation est la seule surface d’échange. - Pas de changement de phase au cours du transfert. 1.1.3 Conventions Le fluide chaud 1 entre dans l’échangeur à la température T1e et en sort à T1s et, le fluide froid 2 entre à T2e et sort à T2s. Deux modes de fonctionnement sont réalisables : Figure 2 : Schématisation des fonctionnements à co-courant et à contre-courant 2.3. Répartition de la température dans les échangeurs de chaleur à tubes concentriques simple La distribution des températures d'un échangeur de chaleur à tubes concentriques simple en parallèle et en écoulement à contre-courant est représentée sur les figures suivantes:  Th,i :Température du fluide chaud à l'entrée de l'échangeur  Th,o Température du fluide chaud à la sortie de l'échangeur  Tc,i Température du fluide froid à l'entrée de l'échangeur  Tc,o Température du fluide froid en sortie de l'échangeur Dans l'échangeur à écoulement parallèle, la zone la plus chaude du fluide chaud échange la chaleur avec la zone la plus froide du fluide froid, au niveau de la zone d'entrée. Au début, le transfert de chaleur est important car les différences de température sont Au maximum, mais la différence chute rapidement le long de l'échangeur, s'approchant asymptotiquement du zéro. Il convient également de souligner que pour ce type d'échangeur, la température de sortie du fluide froid ne dépasse jamais la température de sortie du fluide chaud. En contre-courant, la zone la plus chaude du fluide chaud échange la chaleur avec la zone la plus chaude du fluide froid et la zone la plus froide du fluide chaud avec la zone la plus froide du fluide froid. Cette configuration assure un transfert de chaleur optimal tout au long de l'échangeur. Cette configuration maintient une différence de température constante qui permet d'obtenir des vitesses de transfert de chaleur constantes. En outre, la température de sortie du fluide froid peut dépasser la température de sortie du fluide chaud. 2.4. Différence de température moyenne logarithmique Comme on l'a vu précédemment, les différences de température entre les fluides varient le long de l'échangeur, ce qui définit une valeur moyenne Tm . Cette valeur moyenne est représentée par q = U A Tm Tlm: D'après l'analyse développée dans la plupart des manuels traitant du transfert de chaleur, nous pouvons constater que la différence de température moyenne appropriée est une différence de température moyenne logarithmique, Cela inclus dans le calcul du taux de transfert de chaleur: On peut voir que pour des températures d'entrée et de sortie égales, Tlm est plus grande pour le contre- courant que pour le débit parallèle. Ainsi, pour une surface d’echange requise le taux de transfert de chaleur q est plus faible pour le contre-courant que pour le débit parallèle, En supposant la même valeur U. L'échangeur de cette unité a deux sections qui nous permettent de mesurer La température à l'entrée et à la sortie ainsi que la température à l'état intermédiaire de l'échangeur. Inclure les notations suivantes dans les températures qui peuvent être mesurée dans l'échangeur:  Température d'entrée ou de sortie du fluide froidT2  Température d'entrée du fluide chaudT3  Température du fluide froid au point intermédiaire de l’échangeur T4  Température du fluide chaud au point intermédiaire l’echangeur T5  Température d'entrée ou de sortie du fluide froidT6  Température du fluide chaud à la sortie de l'échangeurT7 La distribution de la température sera: La différence de température moyenne est 2.5.Calcul du coefficient de transfert de chaleur à partir du taux de transfert de chaleur Deux relations importantes pour une analyse de l'échangeur de chaleur sont les bilans énergétiques globaux, tant pour les fluides chauds que pour les fluides froids. En ignorant les changements d'énergie potentielle et cinétique le long de l'échangeur, on peut obtenir: Taux général de transfert de chaleur du fluide chaud: Qh = mh Cph (Th,i - Th,o) (6) Taux général de transfert de chaleur du fluide froid: Qc = mc Cpc (Tc,o - Tc,i) (7) Où mh et mc sont les débits massiques (kg / s) et Cph et Cpc les chaleurs spécifiques des fluides chauds et froids. Note: Théoriquement qh devrait être égal à qc mais en raison de pertes d'énergie environnementales et aussi dues à des erreurs de mesure instrumentales et d'observation, elles ne sont pas toujours égales. Nous avons déjà obtenu une autre expression importante pour le transfert de chaleur dérivée de la loi de refroidissement de Newton en utilisant U au lieu de h: q = U A Tlm Si l'on obtient q à partir de l'équation 6 ou 7 (l'équation 6 peut être utilisée puisque l'effet de la perte de l'environnement du fluide chaud est inférieur), le fluide chaud étant entouré par le fluide froid alors que celui-ci est en contact avec l'atmosphère environnante, le Coefficient globale de transfert de chaleur multiplié par la surface d’echange sera: Note: U peut être calculé en obtenant une valeur moyenne de la surface d’échange de chaleur Où Dint et Dext sont les valeurs des diametres internes et externes du tube intérieur et L la longueur de l'échangeur. 3. Matériels L'échangeur de chaleur à tubes concentriques EDIBON permet d'étudier le transfert de chaleur entre l'eau chaude qui s'écoule à travers un tube interne et l'eau froide qui traverse la zone annulaire située entre les tubes interne et externe. L'équipement se compose de deux parties: l'unité de base et l'échangeur de tube concentrique. L'unité de base exécute les tâches suivantes: 1. Chauffage de l'eau. 2. Mesures du débit d'eau chaude et froide. 3. Pompage de l'eau chaude. 4. Modification du sens d'écoulement de l'eau froide. L'échangeur de chaleur à tubes concentriques permet de mesurer les températures d'eau chaude et froide à différents points de l'échangeur. L'unité de base et l'échangeur sont reliés par des tubes flexibles permettant à l'eau chaude et froide de circuler. L'interface permet de visualiser sur un écran les mesures effectuées lors de l'essai: températures dans l'échangeur, température de l'eau Dans le réservoir de chauffage et les débits d'eau. 4.Procédure pratique 1. Vérifier que les vannes sont ouvertes et que nous avons une configuration de débit à contre-courant. 2. Vérifier que le réservoir de chauffage est plein d'eau, sur le commutateur de niveau. 3. Allumer la pompe et la résistance (alimentation de l'appareil). 4. Réglez la température du réservoir à 60 ° C (ST16). 5. Réglez le débit d'eau chaude à environ 2,5 l / min (SC1) et réglez le débit d'eau froide pour qu'il atteigne des conditions de fonctionnement stationnaires, en maintenant constante la température réglée dans le réservoir. 6. Ecrire les mesures de température et de débit sur le 7. Réglez les vannes dans la bonne position pour inverser le sens du débit d'eau froide pour obtenir une disposition de débit parallèle. 8. S'assurer que la température est maintenue constante à 60 ° C dans le réservoir et que les débits d'eau froide et chaude et les températures d'entrée ont les mêmes valeurs ou très similaires à celles obtenues à contre-courant. 9. Une fois le système stabilisé, noté les mesures de température et de débit sur la feuille expérimentale. 10. Calculez la chaleur transférée par le fluide chaud, la chaleur gagnée par le fluide froid et les pertes de chaleur. Déterminer la différence de température moyenne logarithmique et représenter la distribution des températures. 7.Résultats et tableaux Tableau pour la collecte des mesures au cours de ce TP: En considérant les mesures ci-dessus, calculer les variables thermodynamiques suivantes: 1. Chaleur transférée par eau chaude (qh) 2. Chaleur absorbée par l'eau froide (qc) 3. Pertes de chaleur (ql) 4. Tlm) - Différence de température moyenne entre l'eau chaude et l'eau froide 5. Regrouper les Résultats dans le tableau ci-dessus. 8. Conclusions et uploads/Finance/ p-n07-etude-du-transfert-de-chaleur-dans-un-echangeur-concentrique-fonctionnant-a-contre-courant-et-a-courant-parallele.pdf