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I. GÉNÉRALITÉS SUR LES ECHANGEURS I.1 INTRODUCTION Un échangeur de chaleur est

I. GÉNÉRALITÉS SUR LES ECHANGEURS I.1 INTRODUCTION Un échangeur de chaleur est un appareil qui effectue un échange de chaleur entre deux corps ou deux fluides. On dit aussi que c'est un appareil qui permet de transmettre la chaleur d'un fluide chaud à un fluide froid. Dans les échangeurs les plus courants, les deux fluides sont séparés par une paroi au travers de laquelle les échanges se font par conduction, la transmission de chaleur fluides-paroi relevant essentiellement de la convection. Dans certains appareils, l’échange de chaleur est associé à un changement de phase de l’un des deux fluides. C’est le cas des : • Condenseurs • Évaporateurs • générateurs de vapeur • tours de refroidissement • etc... L’étude complète d’un échangeur comporte: • une analyse thermique et hydraulique • une étude mécanique • une optimisation économique • un projet de fabrication L’étude thermique consiste essentiellement à déterminer : • la surface d'échange thermique nécessaire • le flux thermique échangé • la distribution des températures des deux fluides de l'entrée à la sortie de l'appareil. L’étude hydraulique a pour but de déterminer les pertes de charges dans l’appareil. L’étude mécanique concerne le calcul des efforts et contraintes en fonctionnement compte-tenu des températures et pressions opératoires. Elle comporte également la prise en considération éventuelle des propriétés des fluides véhiculés : corrosion – érosion L’optimisation économique consistera à trouver le meilleur compromis, pour une puissance à transférer donnée, entre une surface d’échange faible avec des vitesses de fluides élevées, au prix d’une puissance de pompage importante, et d’autre part, une surface d’échange plus grande, mais avec des vitesses de circulation des fluides plus faibles. La réalisation de l'échangeur comporte le choix des matériaux et les dispositions constructives (support du faisceau, contrôles de fabrication, contrôle d'étanchéité…) L'industrie du Chauffage et du Froid nécessite, pour la majorité de leurs applications, des échangeurs thermiques présentant la plus grand surface d'échange de chaleur sous un volume externe le plus réduit possible. Pour ces types d'échangeurs, l'échange thermique se fait généralement entre deux fluides distincts. M. Zemri TEC 323 - 2008/2009 - 5ème Année Ing 1 UDL - FSI - DGM Le FLUIDE SECONDAIRE sera le FLUIDE TRAITE : fluide chauffé ou fluide refroidi Le FLUIDE PRIMAIRE sera le fluide servant au traitement : • Eau chaude ou Eau glacée • Vapeur BP , MP ou HP • Fluide frigorigène Les échangeurs à fluides séparés permettent le TRANSFERT DE CHALEUR d'un fluide à un autre SANS MELANGE. Les mécanismes de transfert thermique utilisés sont : • la convection forcée entre fluide primaire et paroi • la conduction à travers la paroi • la convection libre ou forcée entre paroi et fluide secondaire D'autre part, l'un des fluides peut subir un changement de phase : • Condensation • Vaporisation • Ébullition I.2 FLUIDE CALOPORTEUR Tout fluide moteur qui absorbe ou fourni de la chaleur dans un échangeur est dit "fluide caloporteur" I.3 DIFFÉRENTS MODES DE CIRCULATION DES FLUIDES CALOPORTEURS Tous les échangeurs de chaleur se divisent en trois types, d'après le caractère de mouvement des fluides. I.3.1 FONCTIONNEMENT A CONTRE COURANT les fluides circulent en sens inverse I.3.2 FONCTIONNEMENT A CO – COURANT OU COURANTS PARALLELES les fluides circulent dans le même sens I.3.3 FONCTIONNEMENT A COURANTS CROISES le mouvement des fluides est croisé Fluide secondaire Paroi Fluide primaire Fluide 2 Fluide 1 Fluide 1 Fluide 2 Fluide 1 Fluide 2 M. Zemri TEC 323 - 2008/2009 - 5ème Année Ing 2 UDL - FSI - DGM I.4 APPLICATIONS USUELLES DES ÉCHANGEURS DE CHALEUR L'extrême variété des échangeurs tient à leur utilisation générale. Une classification est effectuée suivant divers critères descriptifs ou fonctionnels. Les échangeurs de chaleur sont des éléments essentiels de toutes les installations thermiques qui elles- mêmes peuvent être classer en quatre groupes (en fonction des limites de températures) : • Installation thermique à haute température : 400°C à 2000°C (fours, chaudières…) • Installation thermique à moyenne température : 150°C à 700°C (installation de séchage…) • Installation thermique à basse température : -150°C à +150°C (Réfrigérateurs, condenseurs, ventilation, pompes à chaleur…) • Installation thermique de cryogénie : < à –150°C (séparation de gaz) Les types du troisième groupe sont les plus fréquents. I.5 CLASSIFICATION L'extrême variété des échangeurs tient à leur utilisation générale. Une classification est effectuée suivant divers critères descriptifs ou fonctionnels. I.5.1 CLASSIFICATION SELON LE MODE DE FONCTIONNEMENT Les échangeurs thermiques présentent une extrême variété. On distingue trois catégories principales: Les échangeurs par mélange, dans lesquels les deux fluides sont intimement mélangés. Dans cette catégorie, on peut citer les désurchauffeurs de vapeur, les dégazeurs, les ballons de détente de purges. Les régénérateurs ou échangeurs discontinus. Dans ces appareils, la surface d’échange est alternativement mise en contact avec le fluide froid et le fluide chaud. Un exemple classique en centrale thermique est celui des réchauffeurs d’air rotatifs. Les échangeurs continus. Dans cette catégorie qui est la plus importante en raison de ses nombreuses applications industrielles, les deux fluides circulent de manière continue de part et d’autre de la surface d’échange. Selon la géométrie de cette surface d’échange, on distinguera les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques. I.5.1.1 Principaux types d’échangeurs continus Un des modèles les plus simples d’échangeur que l’on puisse imaginer est constitué de deux tubes coaxiaux. L’un des fluides s’écoule dans le tube central, et l’autre dans l’espace annulaire, les deux fluides pouvant circuler dans le même sens ou en sens contraire. Échangeur " double tube" Il est difficile d’obtenir des surfaces d’échange importantes avec ce type d’échangeur, sans aboutir à des appareils très encombrants. On a ainsi choisit de disposer d'un faisceau de tubes dans une enveloppe unique appelée calandre. L’un des fluides circule dans les tubes, et l’autre autour des tubes, dans la calandre. M. Zemri TEC 323 - 2008/2009 - 5ème Année Ing 3 UDL - FSI - DGM Échangeur à faisceau tubulaire à simple passe Il existe différentes variantes permettant de multiplier les passages d’un des fluides dans l’appareil (échangeurs à 2 passages, à 4 passages, etc...) Échangeur à deux passages Les échangeurs de chaleur sont généralement classés en deux groupes. • Un premier groupe, d'après la destination : réchauffeur, évaporateur, réfrigérateur, condenseur. • Un deuxième groupe, d'après le principe de fonctionnement : échangeur de chaleur à paroi, échangeur de chaleur à contact. I.5.2 CLASSIFICATION SELON LE TYPE D'ECHANGEURS I.5.2.1 Échangeur coaxial ou Échangeur double-tubes Il est constitué de deux tubes coaxiaux : l'un des fluides s'écoule dans le tube central et l'autre dans l'espace annulaire L'écoulement des fluides peut se faire dans le même sens ou en contre-sens Faible surface d'échange ⇒ encombrement important si grande surface d'échange I.5.2.2 Échangeur à faisceau et calandre Il est constitué d'un faisceau de tubes disposé dans une enveloppe mince généralement cylindrique appelée Calandre : l'un des fluides circule dans les tubes tandis que l'autre circule autour des tubes, à l'intérieur de la calandre. M. Zemri TEC 323 - 2008/2009 - 5ème Année Ing 4 UDL - FSI - DGM Plusieurs variantes sont possibles car on cherche à multiplier le nombre de passages du fluide dans l'appareil ( augmentation du temps de parcours du fluide dans l'appareil ) par l’intermédiaire de chicanes ( surtout perpendiculaires à l'axe de la calandre). Remarques : ⇒ disposition utilisée pour les échangeurs Liquide / Liquide ⇒ compacité maximale : 500[m²/m3] : surface d'échange par m3 d'échangeur Échangeur à plaques Les fluides s'écoulent de part et d'autre d'un système de plaques : c’est la disposition utilisée pour les échangeurs Gaz/Liquide , Gaz/Gaz , Liquide/Liquide • Échangeurs Gaz/Gaz et Gaz/Liquide , la faible densité des gaz impose , si on ne veut pas de pertes de charge importantes, de réduire la vitesse de passage donc d'augmenter la surface d'échange (réduire la vitesse de passage, c'est réduire le coefficient de convection Fluide / Paroi) ⇒on s'oriente donc vers des échangeurs très compacts ( jusqu'à 1000[m²/m3] ) • Échangeurs Gaz/Gaz , les surfaces d'échange sont souvent constituées de plaques planes séparées par des ailettes brasées sur les plaques : les deux fluides circulant alternativement entre les plaques • Échangeurs Gaz / Liquide, la surface d'échange doit présenter une étendue différente selon le fluide ⇒ on augmente donc la surface d'échange au moyen d'ailettes réalisées en métal bon conducteur de chaleur ( il existe un très grand nombre de variété d'ailettes) M. Zemri TEC 323 - 2008/2009 - 5ème Année Ing 5 UDL - FSI - DGM I.5.3 CLASSIFICATION SELON LE SENS DE L’ECOULEMENT Une classification peut être établie d'après le sens relatif des écoulements des deux fluides On distingue donc : c les échangeurs à courants parallèles ou échangeur anti-méthodique ⇒ écoulement des 2 fluides parallèle et dans le même sens d les échangeurs à contre-courant ou échangeur méthodique ⇒ écoulement des 2 fluides parallèle et en sens contraire e les échangeurs à courants croisés avec ou sans brassage ⇒ écoulement des 2 fluides perpendiculairement l’un par rapport à l’autre Le fluide non brassé est celui dont la veine est divisée en plusieurs canaux parallèles distincts de faible section ⎯→ uploads/Finance/ tec323-novembre2008.pdf