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1 République Algérienne démocratique et populaire Université de Ghardaia Univer

1 République Algérienne démocratique et populaire Université de Ghardaia Université de GhardaiaFaculté de Sciences et technologie Faculté de Sciences et technologie Département de génie des procèdes Département de génie des procèdes TP N=° 01 et 02 : Etude de l’échangeur de chaleur à tubes concentriques TP N=° 01 et 02 : Etude de l’échangeur de chaleur à tubes concentriques (eau/eau) et (eau/eau) et (Air/eau)(Air/eau) Module : TRANSFERT THERMIQUE ET ÉCHANGEURS DE CHALEUR Enseignante : Mlle.TRABELSI amel Les étudiants de 1er année master génie chimique groupe 2 :  DJILLALI amani  ABCIR faffa  KRAMI ahmed cherif  ROUDJI maamer année universitaire 2021/2022 année universitaire 2021/2022 2 Introduction Un échangeur de chaleur est un système servant à transférer de l'énergie thermique d'un fluide vers un autre, sans les mélanger. Le flux thermique traverse la surface d'échange qui sépare les fluides. La plupart du temps, on utilise cette méthode pour refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu'il est impossible ou complexe de refroidir ou chauffer directement, par exemple l'eau d'un circuit primaire de refroidissement, d'une centrale nucléaire. L'échangeur de chaleur le plus commun est celui à plaques. De nouveaux échangeurs à fils fins permettent des échanges eau/air à particulièrement faibles écarts de température en chauffage ou refroidissement. Un échangeur de chaleur - système dans lequel se réalise un transfert thermique entre deux milieux dû à une différence de température entre les milieux. Dans les maisons à particulièrement basse consommation énergétique ou à énergie positive, un dispositif de ventilation à double flux peut intégrer un échangeur réchauffant l'air entrant avec les calories prélevées dans l'air sortant. . 3 Partie théorique Le principe de fonctionnement Pour fonctionner, l’échangeur thermique dispose de réseaux parallèles à travers lesquels circulent les fluides à des températures différentes. Ces derniers sont séparés par une paroi aux capacités conductrices optimales. C’est l’écart de température entre les deux fluides qui permet l’échange de chaleur. En effet, le plus chaud va naturellement se diriger vers le plus froid, le réchauffant immédiatement, tout en perdant des calories. Ainsi, lorsqu’il entre chaud dans l’échangeur thermique, le fluide primaire va réchauffer le fluide secondaire qui est froid. Il sort alors refroidi, tandis que le second fluide est réchauffé. Rôle de l’échangeur thermique L’échangeur thermique a pour rôle de transférer l’énergie calorifique d’un fluide vers un autre, ceci sans les mélanger. Dans le cas d’un système de chauffage ou de production d’eau chaude, un premier fluide dit « chauffant », considéré comme le fluide primaire, sert à chauffer le fluide secondaire. Pour un bon échange, les deux fluides doivent être de température différente, c’est pour cela que l’un est chaud et l’autre froid. Pour effectuer le transfert de chaleur, l’échangeur thermique a besoin d’un matériau qui soit assez conducteur afin d’optimiser l’échange, tout en limitant le plus possible les déperditions de chaleur. Dès lors que le transfert de chaleur s’effectue entre les deux fluides, alors l’échangeur thermique a pleinement accompli sa mission. Il faut en outre savoir que l’échangeur thermique ne sert pas seulement à réchauffer un fluide. Selon le système pour lequel il est utilisé, son rôle est d’assurer la réfrigération du fluide, c’est le cas pour les climatiseurs ou encore les réfrigérateurs. Figure 1 :Le fonctionnement d’un échangeur thermique. 4 Les fluides : Sa nature Les fluides peuvent être de nature différente selon l’échangeur thermique utilisé. On trouve ainsi des échangeurs thermiques dont les fluides sont :  De l’eau ;  Un liquide caloporteur ;  De l’air ;  De l’huile ;  De la vapeur d’eau. Son évolution Ces fluides peuvent évoluer différemment d’un échangeur thermique à l’autre. Ainsi, ils peuvent circuler :  À contrecourant, lorsqu’ils se déplacent dans un sens opposé l’un par rapport à l’autre Figure 2:L’évolution des températures dans un échangeur à contre-courant  À courants parallèles, ou à co-courant, lorsqu’ils évoluent tous deux dans le mêmesens. Figure 3L’évolution des températures dans un échangeur à co-courant 5  À courants croisés, dès qu’ils se déplacent à la fois à contrecourant et à co-courant Les matériaux les plus utilisés Pour que l’échangeur thermique fonctionne bien, la capacité conductrice d’un matériau est primordiale. En effet, plus le matériau sera conducteur, plus l’échange de chaleur sera optimal et efficace. Parmi les matériaux les plus utilisés, on retrouve notamment :  Le cuivre ;  L’inox ;  L’aluminium ;  L’acier. Les différents types d’échangeurs thermiques Le fonctionnement d’un échangeur thermique se fait grâce à deux principaux dispositifs : Les plaques et les tubes. L’échangeur thermique à plaques Dans le cas de l’échangeur thermique à plaques, les fluides se déplacent de chaque côté des plaques, qui sont généralement ondulées. Ce type d’échangeur thermique est fréquemment employé car il est très performant. On le trouve dans les climatisations, les réfrigérateurs ou encore dans les chaudières, pour la production d’eau chaude sanitaire. Les plaques utilisées dans ce dispositif peuvent être :  À joints ;  Soudées ;  Brasées ;  Assemblées par fusion. Pour chaque type, il est primordial que l’étanchéité entre chaque plaque soit maximale afin que les fluides de différentes températures ne se mélangent pas. Ici, ce sont les plaques qui vont servir de conducteur de chaleur, elles sont fabriquées dans l’un des matériaux cités précédemment. 6 L’échangeur thermique tubulaire L’échangeur thermique tubulaire, ou multitubulaire, se compose de nombreux tubes qui sont placés dans une calandre. Très résistant à la pression, il est cependant assez encombrant et ne convient pas forcément aux installations domestiques. C’est pour ces raisons qu’il est utilisé dans les installations puissantes. Par exemple, c’est généralement ce type d’échangeur thermique qui est employé dans les tours de refroidissement des centrales nucléaires en France. Figure 7 :circulation autour des baffles. Figure 4 : un échangeur a plaque Figure 5 : La circulation entre les plaques Figure 6: Un échangeur tubulaire. 7 L’échangeur thermique en forme serpentin L’échangeur thermique en forme de serpentin utilise un tube qui est immergé dans l’eau. Le fluide primaire circule dans le serpentin et réchauffe le fluide secondaire dans lequel le tube est immergé. On le trouve dans les ballons tampon dotés d’un échangeur ou encore dans les climatiseurs, par exemple Autres types d’échangeurs thermiques Les types d’échangeurs thermiques présentés ci-dessus ne sont pas les seuls disponibles. En effet, il en existe d’autres qui sont quant à eux destinés à des utilisations bien spécifiques, souvent dédiés au milieu de l’industrie. On peut citer :  L’échangeur à bloc ou à micro-canaux, utilisé dans les unités extérieures des pompes à chaleur ;  L’échangeur à ailettes, que l’on trouve dans les radiateurs des véhicules. Type d’échangeur Avantages Inconvénients Utilisations Tubulaire -Très bon cœfficient global de transmission thermique ; -Prix peu élevés ; -Fiable et simple, peu de pannes. -Puissance limitée ; -Risque de "claquement" si le diamètre des tuyaux est petit (<50 mm) et si la longueur est grande. -Eau/eau ; -Vapeur/eau ; -Fluides thermiques/eau ; -Fluides frigorigènes. À tubes en U -Résiste aux fortes pressions ; -Libre dilatation des tubes et du corps ; -Toutes puissances. -Encombrement ; -Prix de revient élevé ; -Débouchage complexe. -Eau/eau ; -Eau surchauffée/eau ; -Huile/eau ; -Process. À faisceau tubulaire horizontal -Résiste aux fortes pressions ; -Pour l'ensemble des puissances ; -Economique ; -Accepte des grands écarts de température ; -Peut être utilisé en condensation partielle. -Contraintes sur les tubes ; -Difficulté de nettoyage (multitubes) ; -Sensible aux vibrations. -Eau/eau ; -Vapeur/eau ; -Huile/eau ; -Eau surchauffée/eau. 8 À faisceau tubulaire vertical -Faible encombrement au sol ; -L'échangeur peut être plein de condensat ; -Parfaitement adapté à l'échange vapeur haute pression/eau. -Formation de poche d'air ; -Si le volume est supérieur à 100 L, soumis au contrôle des appareils sous pression (CH) -Vapeur HP/eau ; -Eau surchauffée/eau ; -Fluide thermique/eau ; -Fumées/eau ; -Process. À spirales -Grande surface de contact ; -Large passage ; -Encombrement réduit ; -Excellent condenseur ; -Autonettoyant. -Non démontable ; -Ecarts de T limités. -Eau/eau ; -Vapeur/eau ; -Eau surchauffée/eau. À plaques -Compact -Très bons cœfficients de transfert -Prix compétitifs -Peu de pertes thermiques. -Faible écart de T envisageable ; -Régulation ; -Perte de charge importante ; -Pression de travail limitée. -Vapeur BP/eau ; -Eau/eau ; -Huile/eau ; -Eau surchauffée/eau. 9 TP n°01 : Etude de l’échangeur de chaleur à tubes concentriques (eau/eau) TP n°01 : Etude de l’échangeur de chaleur à tubes concentriques (eau/eau) Introduction Introduction Un échangeur de chaleur est un système qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à 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. La plupart du temps, on utilise cette méthode pour un fluide froid, à travers une paroi sans contact direct. La plupart du temps, on utilise cette méthode pour refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu'il est impossible ou difficile de refroidir ou chauffer refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu'il est impossible ou difficile de refroidir ou chauffer directement, par uploads/Finance/ tp-n-0-01-et-02-etude-de-l-x27-echangeur-de-chaleur-a-tubes-concentriques-eau-eau-et-air-eau.pdf