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République algérienne démocratique et populaire Ministère de l’enseignement sup

République algérienne démocratique et populaire Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université mouloud Mammeri – Tizi Ouzou Faculté du génie de la construction Département génie mécanique Formation licence en énergétique Projet de fin de cycle Intitulé du sujet : Dimensionnement des échangeurs de chaleur et leurs problèmes de fonctionnement Soumis par : Soumis à (Enseignant) :  Lounis Hocine A. Hadiouche  Mouaici Ali Groupe : 03 Date de remise : /06/2019 Promotion 2019/2020 Sommaire : Chapitre I : Dimensionnement 1. Définition de l’échangeur élémentaire. 1.1 Aspect externe : échangeur comme quadripôle. 1.2 Aspect interne : échangeur élémentaire, Coefficient d’échange global. 2. Phase de dimensionnement thermique. 2.1 Problème thermo-hydraulique. 2.2 Logique de la phase de dimensionnement. 2.3 Principe de calcule thermique d’un échangeur. 3. Méthode de calcule analytique. 3.1 Principe de calcul. 3.2 Méthode du DTML. 3.3 Méthode de NUT. 4. Méthode de réseaux pour les échangeurs a plaque et joints. Chapitre II : Problèmes de fonctionnement 1. Encrassement.  Classification : différents type d’encrassement.  Apparition et développement de l’encrassement.  Dimensionnement des échangeurs avec prise en compte de l’encrassement.  Prévention de l’encrassement pendant les phases de fonctionnement. 2. Corrosion.  Processus de dégradation.  Différents type de corrosion.  Protection contre la corrosion. 3. Vibrations.  Caractéristique vibratoires des tubes.  Vibration induite par le fluide et couplage fluide/tube.  Recommandations. Conclusion Chapitre I : Dimensionnement 1. Définition de l’échangeur élémentaire : L'échangeur de chaleur, instrument clé du thermicien ou de l'énergéticien permet de contrôler la température d'un système ou d'un produit en échangeant de la chaleur entre deux milieux. Il est indispensable dans de nombreuses applications courantes, chauffage, climatisation, réfrigération, refroidissement électronique, en génie des procédés, pour le stockage d'énergie ou la production d'énergie mécanique (ou électrique) à partir d'énergie thermique. Dans l'échangeur classique, un fluide chaud transfère une partie de son enthalpie à un fluide froid. Ce type d'échangeur sert de base pour donner les définitions et les paramètres nécessaires à son dimensionnement ainsi qu'à la compréhension des phénomènes. D'autres types d'échangeurs existent qui sont également évoqués Un échangeur thermique est l'élément permettant le transfert de chaleur entre deux fluides au travers d'une paroi, donc sans les mélanger.Le matériau composant l'échangeur thermique doit être le plus conducteur possible afin de limiter les pertes thermiques et favoriser l'échange. Pour que l'échange soit possible, les deux fluides devront avoir une température différente : on parle d'écart de température, de delta de température (dT) généralement exprimé en Kelvin (K) ou en degrés Celsius (°C).  Aspect externe : échangeur comme quadripôle Def. Un échangeur de chaleur est un appareil destiné à transmettre la chaleur d’un fluide à un autre. - aspect thermique pure (Te1, Te2, Ts1, Ts2) - aspects mécaniques ( e1, e2,… Qm1, Qm2)   Vu de l’extérieur, un échangeur se présente comme une boîte noire pourvue, comme un quadripôle électrique, de deux entrées et de deux sorties. Il est bien commode de mesurer les caractéristiques essentielles du fonctionnement de l’échangeur à l’un de ces quatre pôles, plutôt que de faire des mesures forcément plus délicates à l’intérieur. C’est ainsi que nous établirons pour chacun des fluides 1 ou 2 des paramètres mesurables et mesurés à l’entrée et à la sortie de chacun des deux :  l’état : liquide, gazeux ;  le débit-masse, constant de l’entrée à la sortie ;  la température, variable dans l’échangeur ;  la pression, peu variable. Il est entendu que l’on connaît par ailleurs les caractéristiques thermophysiques de chacun des deux fluides et notamment :  la capacité thermique massique (chaleur massique) Cp ;  la masse volumique ρ ;  la conductivité thermique λ ;  la viscosité µ ; Ainsi que les lois de variation avec la pression, et surtout avec la température, de ces différents paramètres. Pour les fluides Cp, µ et λ varient peu avec la pression p (pas du tout pour un gaz parfait). En revanche, les variations avec la température T sont souvent d’une grande amplitude. Par ailleurs, et comme les différents paramètres qui gouvernent le fonctionnement de l’échangeur ont aux entrées-sorties des valeurs privilégiées parce que aisément mesurables, une théorie du fonctionnement interne visera donc à calculer pour chacun des fluides les paramètres essentiels de l’évolution en fonction précisément des valeurs aux entrées-sorties.  Asp ect inter ne: r2 φ= qc1(T1e− T1c) = qc2(T2c− T2e) ) en ℎ2 –1 h r2 r2ln (r1) ++ 1 +R ℎ1r1 ℎ = (r2 Echange élémentaire, Coefficient d’échange global Une première expression du flux de chaleur transféré dans un échangeur peut être déterminée en écrivant qu’il est égal au flux de chaleur perdu par le fluide chaud et au flux de chaleur gagné par le fluide froid pendant leur traversée de l’échangeur : φ= m˙1cp1(T1e− T1c) = m˙2cp2(T2c− T2e) Où m˙ i est le débit massique du fluide i (kg s-1) Les produits qc1= m˙ 1cp1 et qc2= m˙ 2cp2 sont appelés les débits calorifiques des deux fluides (W K-1). Le flux de chaleur peut donc finalement s’écrire : ( Par ailleurs, le flux de chaleur  transmis d’un fluide 1 à un fluide 2 à travers la paroi d’un tube cylindrique s’écrit : = ΔT 1 + Ln(r1) + 1 2nℎ1r1L 2nhL 2nℎ2r2L Dans les échangeurs de chaleur, on choisit de rapporter le flux de chaleur échangé à la surface S2=2nr2L,soitd’écrire:.=ℎS2ΔT.Lecoefficient globaldetransfertℎd’unéchangeurdechaleur s’écrit donc: 1. PHASE DE DIMENSIONNEMENT THERMIQUE  Problème thermohydraulique Dans l’industrie des échangeurs de chaleur, les problèmes relevant de la thermohydraulique concernent avant tout le dimensionnement thermique des appareils. La complexité du problème de calcul thermique des échangeurs vient de plusieurs facteurs qui sont :  la grande diversité des appareils (échangeurs tubulaires, à plaques, etc.) ;  la variété des régimes d’écoulement : simple phase en régime laminaire ou turbulent, avec ou sans effet de convection naturelle, diphasique en évaporation ou en condensation, condensation avec ou sans incondensables, mélanges de fluides, etc. ;  le nombre important des configurations d’écoulement, pouvant aller bien au‐delà de deux fluides dans le cas d’un échangeur compact, par exemple. À cette complexité due à la technologie des appareils et à la nature de la physique des écoulements s’ajoute la difficulté d’écrire un logiciel basé sur une méthode de calcul dont on doit parfaitement maîtriser les hypothèses et les paramètres ; il faut donc pour cela :  définir un modèle d’écoulement lorsque celui‐ci est complexe ;  prendre les corrélations physiques les mieux adaptées ;  choisir un algorithme pour le problème que l’on se pose, soit de type dimensionnement, soit de type simulation ;  prendre une méthode numérique fiable assurant une convergence du calcul thermique pour tous les cas spécifique.  Logique de la phase de dimensionnement La conception d’un système thermique pour une installation industrielle, commence tout d’abord, par le choix des éléments adapté au problème posé. Pour notre cas, par le choix de l’échangeur de chaleur adapté pour cette installation, et la désignation de l'arrangement de flux, la surface d’échange, les fluides considérés pour assurer la puissance thermique visée, la taille, la forme géométrique et les limitations de l’échangeur. Puis vient la phase de dimensionnement thermique où il faut prendre en compte non seulement les éléments entrant dans les calculs thermiques mentionnés précédemment, mais aussi l’aspect hydraulique qui est apparaître comme une contrainte au problème d’optimisation thermique. Les calculs hydrauliques considèrent les pertes de charge entre l’entrée et la sortie de l’échangeur et définissent la puissance et le débit nécessaire pour suppléer ces pertes par une géométrie optimale, qui conduirait à la fois, une diminution dans la surface d’échange et une meilleure efficacité. Cette phase de dimensionnement thermo-hydraulique n’est qu’une des étapes qui permettent a arrivé au design final à la phase de dimensionnement mécanique. L’organigramme illustré dans la Figure 4.2 résume la logique de phase de dimensionnement thermique d’un échangeur de chaleur [39]. Par ailleurs, le principe de calcul thermo-hydraulique d’un échangeur et les données d’entrée et de sortie nécessaires ont illustrées dans la Figure Figure 4: Principe de calcul thermo-hydraulique d'un échangeur de chaleur [40] Le dimensionnement peut être effectué avec des détails aux différents niveaux, généralement à partir d'une estimation approximative de la magnitude de la zone de transfert de chaleur demandé, suivi par des calculs plus détaillés avec certaines méthodes développées utilisent les Chapitre 4 Dimensionnement et Optimisation Thermo-hydraulique 55 calculs thermo-hydraulique pour estimer les performances de transfert de chaleur, ou avec des logiciels numériques utilisent la dynamique des fluides (CFD). uploads/Finance/ projet-de-fin-de-cycle-republique-algerienne-democratique-et-populaire 1 .pdf