INSTITUT UNIVERSITAIRE DE LA COTE MASTER 2 G.E.E. / G.I.M. TRAVAUX DIRIGES DE T
INSTITUT UNIVERSITAIRE DE LA COTE MASTER 2 G.E.E. / G.I.M. TRAVAUX DIRIGES DE TECHNOLOGIE DES ECHANGEURS THERMIQUES Enseignant : Dr Francis DJANNA PROBLÈME N° 1 : Connaissance des échangeurs 1)Nommez ces échangeurs 2) Donnez au moins trois domaines d’applications des échangeurs à plaques, des échangeurs tubulaires. 3) Soit l’échangeur ci-dessous représenté. a) Nommer cet échangeur b) Caractérisez les courants Identifiez les différents composants de cet échangeur Enumerez au moins trois rôles que joue la présence de (1). PROBLÈME N° 2 : Coefficient d’échange Le transfert de chaleur entre deux fluides s’effectue à travers un tube d’acier de diamètres intérieur/extérieur 18 / 21 mm. On donne : - côté intérieur : h1 = 1000 W / m2K ; température moyenne de mélange T1 = 10 °C - côté extérieur : h2 = 2000 W / m2K ; température T2 = 25°C - acier : λ = 46 W / m.K 1. Calculer le coefficient global d’échange K. 2. Après un an de fonctionnement, on estime avoir une résistance d’encrassement R e = 4.10−4 W−1 m2 K. Déterminer le nouveau coefficient d’échange global. 3. En attribuant une efficacité de 1 au tube neuf, que devient cette efficacité au bout d’un an ? 4. Quel est alors le flux échangé dans un tube de longueur L = 1 m ? PROBLÈME N° 3 : Méthode NUT Un échangeur à contre-courant fonctionne dans les conditions suivantes : Tce = 200 °C Tfe = 290 °C Tcs = 350 °C Tfs = 120 °C Cmin = Cf Puissance Φ = 415 kW 1. Quelle est la puissance échangée si on fait travailler l’échangeur en mode co-courant, avec les mêmes températures d’entrée et les mêmes débits ? (Utiliser la méthode NUT). 2. Quelles sont les nouvelles températures de sortie ? PROBLÈME N° 4 : Échangeur à plaques Dimensionner un échangeur à plaques avec les données suivantes : fluide 1 : acide sulfurique, 436000 kg/h, 84/70°C fluide 2 : eau, 150000 kg/h, 25/40°C Pertes de charge maxi : 100 kPa sur chaque fluide. Propriétés physiques des fluides : masse volumique (kg/m3) ρ1 = 1780 ; ρ2 = 993 viscosité (cP) (1 N s/m² =103cP) µ1 = 6,2 ; µ2 = 0,75 chaleur spécifique (kJ/kg) Cp1 = 1,53 ; Cp2 = 4,16 conductivité thermique (W/m K) λ1 = 0,34 ; λ2 = 0,62 PROBLÈME N° 5 : Cheminée On veut estimer la chute de température des fumées dans une cheminée, en considérant le conduit comme un échangeur dont les fumées constituent le fluide chaud, et l’air ambiant le fluide froid. On admet que la température Ta de l’air est constante le long de la paroi extérieure de la cheminée. On désigne par k le coefficient global d’échange à travers la paroi. 1. En adaptant le calcul d’un échangeur co-courant au cas particulier ci-dessus (Tf = Ta = cte ), montrer que la température des fumées dans la cheminée obéit à la loi : T T T T exp K C S 2. Le conduit est cylindrique, de diamètre D et de longueur L. Écrire la température Tcs de sortie des fumées. 3. Calculer Tcs avec les valeurs suivantes : L = 20m ; D = 30 cm ; Tce = 320°C ; Ta = 10 °C ; K = 20 W / m2K . Pour les fumées : qmc = 0,5 kg / s ; Cpc = 1050 J / kg K . PROBLÈME N° 6 : Échangeur à changement de phase De l’eau froide circule dans un tube de chaudière à condensation. Sa température d’entrée est Tfe = 18 °C et son débit qmf = 400 kg / h . Le réchauffage est assuré par condensation de vapeur d’eau à l’extérieur du tube, à la température Tc = 104 °C . On donne : diamètre intérieur d = 12,5 mm ; diamètre extérieur D = 16 mm ; longueur L = 2,4 m ; conductivité de la paroi λp= 46 W / mK . Pour l’eau, on admettra dans la gamme de température considérée : νf =0,7.10-6 m2/s ; Prf = 5,5 ; Cpf = 4180 J / kg K . 1. Calculer le coefficient d’échange hf à l’intérieur du tube. 2. On donne le coefficient h côté vapeur : hc = 8000 W / m2 K. Calculer le coefficient global d’échange K. 3. Calculer le NUT et l’efficacité de l’appareil. 4. Déterminer la température de sortie d’eau Tfs , puis la quantité de chaleur Q récupérée annuellement grâce au dispositif à condensation, si l’on considère que la saison de chauffe dure 150 jours et que la chaudière fonctionne 5 heures par jour. On rappelle la corrélation en régime turbulent et pour Pr≥ 0,6 : S 0,023 Re, × Pr, Avec S ! ( le nombre de Stanton ). PROBLÈME N° 7 : Échangeur à faisceau de tubes et calandre Dans la sous-station de chauffage collectif d’un immeuble on désire installer un échangeur à faisceau tubulaire et calandre, destiné à porter de 40 à 60 °C un débit d’eau de 20000 kg/h. Le fluide primaire qui circule dans les tubes est de l’eau surchauffée arrivant à 180 °C, à raison de 10000 kg/h. Les tubes ont un diamètre intérieur d = 20 mm ; la vitesse d’écoulement adoptée est telle que Re = 10000. Le coefficient d’échange global K est estimé à 450 W / m2K . On admet pour l’eau surchauffée les caractéristiques thermophysiques suivantes : Cpc = 4315 J / kg K ; ρ = 920 kg / m3 ; µ = 19.10− 5 kg / m.s . 1. Calculer la puissance Φ échangée et la température de sortie du fluide chaud. 2. L’échangeur est à contre-courant, avec une seule passe sur chaque fluide, les tubes étant montés en parallèle (modèle sans les chicanes). Déterminer : - la surface d’échange Σ nécessaire - la vitesse dans les tubes - la section totale des tubes - le nombre de tubes et la longueur du faisceau PROBLÈME N° 8 : Échangeur à plaques De l’air chaud à 80°C produit par une installation industrielle est évacué à l’extérieur à raison de 5000 kg/h. Il traverse préalablement un échangeur servant à préchauffer à 20°C l’air neuf admis dans le bâtiment à une température d’entrée de 5°C. L’échangeur est un appareil à plaques planes et à courants croisés, sans brassage des fluides, dont la surface d’échange est Σ = 50 m2 . Dans la plage de fonctionnement prévue, son coefficient global d’échange k est estimé par le constructeur à : K = 3,6 qmf + 65 avec qmf en kg/s et K en W / m2K . 1. Estimer à priori sur quel circuit le débit thermique unitaire est minimal. 2 En procédant par approximations successives, déterminer quel débit d’air neuf cet échangeur peut porter à 20°C. 3. Calculer la température de sortie du fluide chaud et la puissance de l’échangeur. P.J. Abaque E = f(NUT), fig. P.7. PROBLÈME N° 9 : Échangeur tubulaire à courants croisés Une chaudière à mazout produit des fumées à 360 °C qui sont utilisées pour préchauffer de 20 à 120 °C l’air nécessaire à la combustion. L’installation consomme 1500 kg de mazout par heure. La combustion d’un kilog de mazout demande 17,95 kg d’air et produit 18,95 kg de fumées. L’appareil utilisé est un échangeur tubulaire à courants croisés, à deux passes côté tubes ; l’air circule dans les tubes, verticalement, et les fumées autour des tubes, horizontalement (cette disposition limite les obligations de ramonage). La température de paroi Tp des tubes doit être partout supérieure à 160 °C pour éviter la corrosion due à la condensation des composés soufrés. Les tubes forment un faisceau en ligne, à pas carré, de pas relatif e+ = 1,4 . Ils ont pour diamètre extérieur D = 55 mm et pour diamètre intérieur d = 50 mm . Pour chaque écoulement, le nombre de Reynolds est fixé : Ref = 25000 dans les tubes (fluide froid) et Rec = 5000 en calandre (fluide chaud, vitesse de référence = vitesse débitante en calandre vide). Dans le domaine de température envisagé, on prendra comme caractéristiques moyennes des fumées : µ = 3.10−5 kg / m.s Cp =1212 J / kg K λ = 0,033 W / mK ρ = 0,585 kg / m3. 1. Calculer la température de sortie des fumées Tcs . 2. L’échangeur peut fonctionner soit avec des entrées opposées, soit avec des entrées du même côté (voir figure P8). Quel sens de fonctionnement doit être choisi pour éviter le risque de condensation des composés soufrés ? 3. Calculer à quelles vitesses de référence V et V# correspondent les nombres de Reynolds imposés. 4. Déterminer le coefficient global d’échange Kc côté fluide chaud (négliger la résistance thermique de la paroi). 5. Calculer la puissance Φ de l’échangeur, son efficacité E et son NUT. Déterminer la surface d’échange Σ c côté chaud, le nombre de tubes nécessaires et la longueur L de chaque tube. PROBLÈME N° 10 : Échangeur à tubes uploads/Finance/ ttd-echangeurs-pdf.pdf
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- Publié le Nov 02, 2022
- Catégorie Business / Finance
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