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ﺔﻌﻣﺎﺠ ﺲﻧﻭﺗ ﺭﺎﻧﻣﻟﺍ Université de Tunis El Manar Département Génie Mécanique Projet de fin d’année Etude par approche CFD de fonctionnement d’un Échangeur thermique Réalisé par : Attia Med Amine Haouala Khalil Classe : 2 AGM 3 Encadré par : Mr Kanfoudi Hatem Mr Bellkhal Ghazi Année universitaire 2017/2018 2 Remerciements Nous tenons à remercier toute personne qui a contribué à l’élaboration de mon projet et qui m’a aidé durant sa rédaction. En premier lieu, nous tenons à remercier notre encadrant Mr « KANFOUDI Hatem » Professeur sous le département de l’hydraulique à l’ENIT, qui ne nous a jamais privé de son aide en nous faisant bénéficier de ses idées et ses conseils et essentiellement son bagage impressionnant et qui nous a offert un climat de travail favorable. Nous souhaitons également adresser un remerciement très spécial à Mr « BELKHALL Ghazi », pour ses conseils et ses idées qui nous ont permis d’avancer énormément dans notre projet. Enfin, nous tenons également à remercier chaleureusement nos familles pour leur soutien et leur support. 3 Résumé Mots clefs: transfert thermique, modélisation, simulation, ANSYS CFD. 4 Table des matières Remerciements......................................................................................................................................2 Table des matières.................................................................................................................................4 Liste des figures......................................................................................................................................6 Liste des tableaux...................................................................................................................................7 Introduction générale.............................................................................................................................7 1. Chapitre 1 : Etude bibliographique.................................................................................................9 1.1. Introduction...........................................................................................................................10 1.2. Généralités sur les échangeurs de chaleur............................................................................10 1.2.1. Définition générale.........................................................................................................10 1.2.2. Principe de fonctionnement...........................................................................................10 1.3. Critères de classification des échangeurs de chaleur.............................................................12 1.3.1. Classification selon la technologie..................................................................................12 1.3.2. Classification selon le mode de transfert de chaleur......................................................12 1.3.3. Classification suivant le procédé de transfert de chaleur...............................................13 1.3.4. Classification fonctionnelle.............................................................................................13 1.3.5. Classification suivant la nature du matériau de la paroi d’échange................................13 1.4. Principaux types d’échangeur de chaleur..............................................................................13 1.4.1. Echangeurs tubulaires....................................................................................................13 1.4.2. Echangeurs à plaques.....................................................................................................15 1.4.3. Autres types....................................................................................................................15 1.5. Hypothèse de fonctionnement..............................................................................................20 1.6. MÉTHODES DE CALCUL ANALYTIQUE....................................................................................20 1.6.1. MÉTHODES DE CALCUL ANALYTIQUE.............................................................................20 1.6.2. Détermination du coefficient d'échange global..............................................................20 1.7. Les équations fondamentales................................................................................................21 1.7.1. Equations de Navier-Stokes............................................................................................21 1.7.2. Equation de la chaleur....................................................................................................22 Conclusion............................................................................................................................................25 2. Chapitre 2 : Modélisation Numérique..........................................................................................26 2.1. Introduction...........................................................................................................................27 5 2.2. Organisation du code CFD : Computational Fluid Dynamics..................................................27 2.2.1. Préprocesseurs...............................................................................................................29 2.2.2. Solveur............................................................................................................................30 2.2.3. Post-processeur..............................................................................................................30 2.3. Les codes de CFD...................................................................................................................30 2.3.1. Le code ANSYS CFX.........................................................................................................30 2.3.2. Le code ANSYS Fluent.....................................................................................................31 2.4. La méthode numérique.........................................................................................................31 2.4.1. Procédure numérique.....................................................................................................32 2.4.2. Maillage..........................................................................................................................32 Conclusion............................................................................................................................................35 3. Chapitre 3 : Modélisation, résultats et interprétation..................................................................36 3.1. Introduction :.........................................................................................................................37 3.2. Construction du modèle :......................................................................................................37 3.2.1. Démarche numérique par CFD :.....................................................................................37 3.3. Simulation numérique :.........................................................................................................43 3.3.1. Observations et interprétations :....................................................................................43 3.3.2. Etude de l’efficacité........................................................................................................48 4. Conclusion :..................................................................................................................................54 Conclusion générale.............................................................................................................................55 Références bibliographiques................................................................................................................58 6 Liste des figures Figure 1:Les différents types d'échanges..............................................................................................10 Figure 2 : différents types d’écoulements .........................................................................................11 Figure 3: divers types d'échangeurs tubulaires....................................................................................14 Figure 4 : échangeur tubulaire à tube graphite ...................................................................................15 Figure 5 : échangeur à bloc en graphite ..............................................................................................15 Figure 6 : échangeur à plaque en graphite ..........................................................................................16 Figure 7 : les avantages et les inconvénients des échangeurs en polymère.........................................17 Figure 8 : échangeur de chaleur en verre.............................................................................................18 Figure 9 : maillage structuré.................................................................................................................30 Figure 10 : maillage non structuré........................................................................................................31 Figure 11 : Adaptation de la géométrie (solides)..................................................................................36 Figure 12 : Adaptation de la géométrie (Liquides)................................................................................36 Figure 13 : Construction du maillage (premier essai)...........................................................................37 Figure 14 : Construction du maillage (essai final).................................................................................38 Figure 15 :definition du domaine d'ecoulement..................................................................................39 Figure 16 : Variation de la température pour le système étudié..........................................................42 Figure 17 : Variation de la pression pour le fluide intérieur.................................................................43 Figure 18 : Variation de la pression pour le fluide extérieur.................................................................43 Figure 19 : Profil de vitesse avant l'établissement du régime laminaire..............................................44 Figure 20 : Profil de vitesse en régime laminaire..................................................................................45 7 Liste des tableaux Introduction générale 8 9 1. Chapitre 1 : Etude bibliographique 10 1.1. Introduction Dans notre environnement quotidien direct et dans une multitude de procédés industriels nous sommes amenés à rencontrer des échangeurs thermiques. Un exemple assez bien connu d'échangeur de chaleur est le "radiateur" d'une automobile, qui permet de refroidir le moteur. Ce sont des appareils qui servent à transférer de la chaleur entre deux fluides de températures différentes. 1.2. Généralités sur les échangeurs de chaleur 1.2.1. Définition générale Comme leur nom l'indique, les échangeurs thermiques sont des dispositifs destinés à favoriser l'échange thermique entre deux fluides, sans que les fluides ne se mélangent.1 [CITATION And94 \l 1036 ] Le principe le plus général consiste à faire circuler deux fluides à travers des conduits qui les mettent en contact thermique. De manière générale, les deux fluides sont mis en contact thermique à travers une paroi qui est le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. 2[ CITATION PTo02 \l 1036 ] 1.2.2. Principe de fonctionnement Il existe de nombreuses technologies d’échangeurs de chaleur, mais tous fonctionnent suivant les mêmes processus physiques d’échanges, c’est-à-dire : - La conduction qui représente les échanges à travers les parois (le plus souvent métalliques), - La convection qui représente les échanges entre les fluides et les parois, - Le rayonnement qui représente les échanges radiatifs entre les fluides et les parois (principalement infra rouge) bien que ce dernier soit souvent négligeable (car il est pris en compte uniquement pour un fonctionnement à haute température). On distingue également deux 1 : P. Tobaly,≪ LES ECHANGEURS DE CHALEUR≫, France, 2002 2 : BONTEMPS et al,≪ DESCRIPTION DES ECHANGEURS≫, Université Joseph Fourier, Institut universitaire de Technologie, Département Génie thermique et Énergie (Grenoble), B 2 341 Figure 1 : Les différents types d'échanges 11 modes d’écoulement différents : – Celui à co-courants : écoulements parallèles des fluides et dans la même direction ; – Celui à contre-courants : écoulements parallèles des fluides mais dans des directions inverses ; Le mode de circulation influe également sur la qualité et l’efficacité du transfert. Un échangeur dit anti-méthodique (ou à co-courants) signifie que l’entrée des deux fluides (chaud et froid) se situe du même côté de l’échangeur. La configuration dite méthodique est celle ou les fluides circulent à contre-courants. On l’appelle méthodique car c’est cette configuration qui permet d’obtenir les meilleures performances d’échangeurs. En effet, pour une circulation à co-courant des fluides, la température de sortie du fluide chaud ne pourra pas être plus basse que la température de sortie du fluide froid tandis qu’à contre-courant, il est possible d’abaisser la température du fluide chaud à une valeur qui tendra vers la température d’entrée du fluide froid. Des représentations graphiques illustreront plus loin ces distinctions.3 [ CITATION WEB15 \l 1036 ] Les deux figures ci-dessous récapitulent les différents types d’échanges thermiques ainsi que les modes d’écoulements. 4 [ CITATION DEC17 \l 1036 ] 3 : https://www.encyclopedie-energie.org/les-echangeurs-de-chaleur/ 4 : DECLAYE Sébastien GENDEBIEN Samuel LEMORT Vincent ≪P 31 LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR≫., disponible à l’adresse : https://docplayer.fr/24972780-P-31-les-echangeurs-de-chaleur-declaye- sebastien-gendebien-samuel-lemort-vincent.html 12 Figure 2 : différents types d’écoulements 5 [ CITATION Adi08 \l 1036 ] 1.3. Critères de classification des échangeurs de chaleur Il existe plusieurs critères de classification des échangeurs de chaleur dont les plus importants sont cités ci-dessous 6:[ CITATION Zoé14 \l 1036 ] 1.3.1. Classification selon la technologie Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants :  A tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires ;  A plaques : à surface primaire ou à surface secondaire ;  Autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé, à un seul fluide... 1.3.2. Classification selon le mode de transfert de chaleur Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.) ; il y’a souvent un mode de transfert prédominant. Pour tout échangeur avec transfert de chaleur à travers une paroi, la conduction intervient. 5 : Adil Ridha (université de Caen) Transferts de chaleur et de masse≫ 2008/2009 6 : technique 13 1.3.3. Classification suivant le procédé de transfert de chaleur Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur :  Transfert sans stockage : en récupérateur, avec 2 ou n passages et un écoulement en général continu ;  Transfert avec stockage : en régénérateur, avec un seul passage et un écoulement intermittent, la matrice de stockage étant statique ou dynamique. 1.3.4. Classification fonctionnelle Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase ; suivant le cas, on dit que l’on a un écoulement monophasique ou diphasique. On rencontre alors les différents cas suivants :  Les deux fluides ont un écoulement monophasique ;  Un seul fluide à un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs ;  Les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapo- condenseurs. 1.3.5. Classification suivant la nature du matériau de la paroi d’échange On retiendra deux types de parois :  Les échangeurs métalliques en acier, cuivre, aluminium ou matériaux ;  Spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires ;  Les échangeurs non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc. 1.4. Principaux types d’échangeur de chaleur 1.4.1. Echangeurs tubulaires Pour des raisons historiques et économiques, les échangeurs utilisant des tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les plus répandus. On peut distinguer trois catégories en fonction du uploads/Finance/ rapport-pfa-attia-khalil.pdf