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DIMENSIONNEMENT D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR CONTENU DE LA PRESENTATION 1. Général

DIMENSIONNEMENT D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR CONTENU DE LA PRESENTATION 1. Généralités sur les échangeurs de chaleur : Définition Classification Fonctionnement d’un échangeur thermique Applications 2. Méthode de dimensionnement NUT 3. Méthode de dimensionnement DTLM 4. Conclusion : avantages et inconvénients des échangeurs thermiques GENERALITES SUR LES ECHANGEURS DE CHALEUR Définition Un échangeur de chaleur peut être défini comme un dispositif qui permet le transfert de l’énergie thermique d’un fluide à un autre, sans les mélanger et à des niveaux de température distincts. Un échangeur est souvent d’application pour refroidir ou réchauffer un fluide qu’il est difficile voire impossible de refroidir ou chauffer directement à l’exemple de l’eau du circuit primaire de refroidissement d’une centrale nucléaire, de l’eau de pasteurisation de la bière dans un pasteurisateur au sein d’une brasserie. En d’autres termes, un échangeur thermique est utilisé à chaque fois qu’il y a besoin de refroidir ou de réchauffer un fluide à l’aide d’un autre. Classification Quatre critères peuvent être considérés pour classer les échangeurs de chaleur : Le type de contact ; Le type d’échange de fluides ; Le type d’écoulement de fluides ; Leurs technologies « la géométrie ». 1° Type de contact D’après ce critère, nous avons les échangeurs à contact direct et les échangeurs à contact indirect. Echangeurs à contact direct La forme plus simple de ce type d’échangeurs comprend un récipient (ou canalisation) dans lequel les deux fluides utilisés pour l’échange thermique sont directement mélangés et atteignent la même température finale. Echangeurs à contact indirect Les échangeurs à contact indirect sont les plus utilisés. Par ici, les fluides 1 et 2 s’écoulent dans des espaces séparés par une paroi ou cloison à faible inertie thermique. Le fluide 1 cède à la paroi sa chaleur par convection le long de la surface de contact. Cette chaleur traverse l’épaisseur de la paroi par conduction et elle est ensuite cédée au fluide 2 par convection également le long de l’autre face de la paroi. 2° Type d’échange de fluides Echangeurs sans changement de phase Il s’agit des échangeurs dans lesquels l’un de fluides se refroidit pour réchauffer le deuxième fluide sans qu’il ait changement de phase. Echangeurs avec changement de phase Trois cas de figure pour caractériser les échangeurs avec changement de phase : L’un des fluides se condense alors que l’autre se vaporise : ces échangeurs sont à retrouver dans les machines frigorifiques. Le fluide secondaire se vaporise en recevant de la chaleur du fluide primaire, lequel ne subit pas de changement d’état. Ils prennent alors le nom d’évaporateurs. Le fluide primaire se condense en cédant sa chaleur latente au fluide secondaire plus froid lequel ne subit pas de transformation d’état. 3° Type d’écoulement de fluides Trois modes d’écoulement différents : a. Ecoulement co-courants (écoulement des deux fluides parallèles et de même sens) Par ici, on parle des échangeurs co-courants où la température de fluide froid ne peut être supérieure à la température de sortie du fluide chaud. b. Ecoulement contre courants (écoulement des fluides parallèles et de sens contraires) La température du fluide froid peut dépasser la température de sortie du fluide chaud. Cette disposition est l’une des plus favorables pour l’échange thermique. Un échangeur à contre-courant présente de l’avantage par rapport à un échangeur à co- courant, c’est celui de nécessiter, pour un même flux de chaleur, des surfaces d’échanges plus faibles. c. Ecoulement des fluides croisés avec ou sans brassage 4° Type de technologies Selon les principales technologies utilisées, nous avons les échangeurs : A plaque ; A ailette ; A tube : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires. Echangeur à plaque Un échangeur à plaque est constitué d’un ensemble de plaques métalliques embouties au travers desquelles s’effectue le transfert de chaleur entre deux fluides. Ce type d’échangeur est caractérisé par : La simplicité et la fiabilité ; Une grande durée de vie ; L’absence de pièces en mouvement ; Peu de maintenance nécessaire ; Faible risque de contamination de l’air frais en cas de bonne conception ; Une perte de charge relativement importante, surtout à de grands débits. Echangeur à ailette Les échangeurs à ailettes sont utilisés dans le cas d’un échange liquide-gaz. Caractéristiques : La facilité de nettoyage, à l’aide d’un jet d’eau haute pression sans déformer les ailettes ; La fiabilité et l’uniformité du transfert de chaleur ; Aucune corrosion entre le tube et les ailettes ; La résistance aux vibrations des ailettes ; Echangeurs parfaitement adaptés aux applications industrielles ; Complexité de dimensionnement. Echangeur à tube C’est le type d’échangeurs le plus répandu ; il représente presque la moitié des échangeurs thermiques dans l’industrie. Avantages : Facilité au niveau de la fabrication et de la maintenance ; Utilisation à des pressions élevées et à de fortes températures. On distingue trois catégories d’échangeurs à tube : a) Echangeur monotube b) Echangeur à tubes coaxiaux c) Echangeur multitubulaire Fonctionnement d’un échangeur thermique Certes il existe de nombreuses technologies d’échangeurs, mais répondent toutes aux mêmes processus physiques d’échange de chaleur :  Par conduction : cela représente les échanges à travers les parois ;  Par convection : cela représente les échanges entre les fluides et les parois ;  Par rayonnement : bien que négligeable, cela représente les échanges radiatifs entre les fluides et les parois. Applications Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans une variété d’applications notamment la réfrigération, la climatisation, la production d’énergie, l’industrie alimentaire et les systèmes de transport. Méthodes de dimensionnement d’un échangeur thermique Il existe deux familles des méthodes de calcul et de dimensionnement des échangeurs de chaleur : Les méthodes analytiques : comme la méthode DTLM (différence de température logarithmique moyenne du fluide) et la méthode NUT (nombre d’unités de transfert) ; Les méthodes numériques : méthode des volumes finis et la méthode du diagramme enthalpie-température. Il est à noter que la méthode DTLM est destinée au dimensionnement d’un appareil qui n’existe pas encore, cela en connaissant les quatre températures des fluides (entrée et sortie de l’échangeur). La méthode NUT, par contre, est utilisée pour simuler un échangeur existant, on connait les températures d’entrée des deux fluides et on recherche les températures de sortie. Méthode de Nombre d’Unité de Transfert La méthode NUT repose sur le calcul des performances d’un échangeur thermique. Elle permet, en effet : D’évaluer le nombre d’unité de transfert ; De calculer l’efficacité de l’échangeur à partir des équations numériques ou des abaques ; De déterminer les températures de sortie des fluides dans le cas où l’efficacité est connue. L’efficacité d’un échangeur est définie comme le rapport de la puissance thermique réellement échangée Préel à la puissance max qu’il est théoriquement possible d’échanger Pmax si l’échangeur est parfait. E = Préel Pmax La puissance d’échange max théoriquement possible Pmax est le produit du débit de capacité thermique le plus faible d’un fluide Cmin et la température égale à l’écart maximal existant dans l’échangeur soit (Tce – Tfe). Pmax = Cmin * (Tce – Tfe) Cmin = min (qmc*Cpc ; qmf*Cpf) = min (Cc ; Cf) L’efficacité de l’échangeur thermique s’écrit : Si le côté chaud présente le produit (qm*Cp) minimum : E = Préel Pmax = Cc∗(Tce−Tcs) Cc∗(Tce−Tfe) = (Tce−Tcs) (Tce−Tfe) = Tc Tmax Si le côté froid présente le produit (qm*Cp) minimum : E = Préel Pmax = Cf∗(Tfs−Tfe) Cf∗(Tce−Tfe) = (Tfs−Tfe) (Tce−Tfe) = Tf Tmax Lorsque les températures de sortie des fluides sont inconnues (ce qui est souvent le cas dans le cadre d’une simulation), l’efficacité d’un échangeur se détermine par les équations suivantes : Pour une circulation des fluides à contre-courants : E = 1−e −NUT∗(1−C) 1−C∗e −NUT∗(1−C) Pour une circulation des fluides à co-courants : E =1−e −NUT∗(1+C) 1+C En déduisant NUT des équations ci-dessus, on peut avoir les relations suivantes : Pour une circulation des fluides à contre-courants : NUT = 1 C−1 ln( E−1 C∗E−1) Pour une circulation des fluides à co-courants : NUT = −ln ⁡[1−(1+C )∗E] 1+C Où NUT : nombre d’unités de transfert qui est représentatif du pouvoir d’échange de l’échangeur : NUT = U∗S Cmin U : Coefficient global d’échange de chaleur ; S : Surface d’échange ; C : rapport des débits de capacité thermique ; C = Cmin Cmax Cas particuliers : Pour tous les types d’échangeurs : Si C = 0 : E = 1 - e −NUT Pour l’échangeur à contre-courant : Si C = 1 : E = NUT NUT +1 Il existe des abaques pour déterminer l’efficacité de l’échangeur thermique en fonction des valeurs NUT et C pour la plupart des configurations courantes. En somme, on a deux cas de figure pour cette méthode : Dans le cas où les températures de sortie sont connues, le calcul d’un échangeur par la méthode du nombre d’unité de transfert (NUT) consiste à :  Calculer l’efficacité de l’échangeur E et le rapport des débits de capacité thermique : C = Cmin/Cmax  Déterminer le nombre d’unités de transfert NUT par l’utilisation des formules ou des abaques  Déterminer la surface d’échange S par l’équation suivante : NUT = U∗S Cmin uploads/Finance/ presentation-thermo-gr-5.pdf