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625 Echangeurs à caloducs pour la récupération de chaleur dans les processus in

625 Echangeurs à caloducs pour la récupération de chaleur dans les processus industriels S. Chaudourne C.E.A., Service des Transferts Thermiques, 85X, 38041 Grenoble cedex, France (Reçu le 21 septembre 1981, révisé le 15 janvier 1982, accepté le 19 avril 1982) Résumé. 2014 On présente le principe et les avantages des échangeurs à caloducs pour la récupération de chaleur sur les fluides chauds rejetés, notamment dans les processus industriels. Une méthode de calcul est présentée et les paramètres particuliers à l’utilisation des caloducs sont analysés. Abstract. 2014 Principle and advantages of heat pipe heat exchangers for heat recovery in industrial processes are presented. A method of design is given and special features of these heat exchangers are studied. Revue Phys. Appl. 17 (1982) 625-632 SEPTEMBRE 1982, Classification Physics Abstracts 86. lOZ Notations. 1. Introduction. - 1.1 GÉNÉRALITÉS. - Les calo- ducs sont des dispositifs capables de transmettre des flux de chaleur importants avec de faibles écarts de températures. Un caloduc se présente sous la forme d’un tube revêtu intérieurement d’un matériau poreux, fermé hermétiquement et contenant un fluide en équilibre liquide-vapeur (Fig. 1). Le mécanisme cyclique évaporation-transfert de vapeur-condensa- tion-retour du condensat à l’évaporateur permet d’atteindre des densités de flux axial transféré entre les extrémités du tube de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de watts par cm’ de section [1], [2]. Le maté- riau poreux assure le retour du condensat, même en l’absence de gravité. Fig. 1. - Principe du caloduc. [Principle of a heat pipe.] Les propriétés des caloducs sont utilisées dans certains échangeurs de chaleur pour transférer la chaleur récupérée sur un fluide chaud vers un fluide froid que l’on désire réchauffer avant utilisation. Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01982001709062500 626 Le récupérateur se présente sous la forme d’une batterie de caloducs dont les évaporateurs plongent dans le courant de fluide chaud et les condenseurs dans le courant de fluide froid. Afin d’obtenir une surface d’échange suffisante, lorsque les fluides sont gazeux les tubes caloducs doivent être munis d’ai- lettes (Fig. 2), [3], [4]. Fig. 2. - Schéma d’un échangeur à caloduc. [Schematic of a heat pipe heat exchanger.] Le choix du fluide placé dans les caloducs est fonction de la température de travail ; en effet, la vapeur étant toujours saturante, la température détermine la pression dans le caloduc. La température minimum correspond à la pression la plus faible en deçà de laquelle la vapeur est trop peu dense pour acheminer correctement la puissance demandée (blocage sonique). La température maximum est donnée par la pression maximum compatible avec la tenue mécanique de l’enveloppe, du queusot et des bouchons. On peut ainsi dresser le tableau des domaines de Tableau I. - Domaine de température des principaux fluides utilisés dans les caloducs. [Temperature range for some heat pipe fluids.] températures pour les fluides les plus courants (Tableau 1). Le choix des matériaux des tubes caloducs est déterminé par les problèmes de corrosion et de tenue mécanique. La corrosion doit être examinée du côté intérieur avec le fluide caloduc et du côté extérieur avec les fluides traversant l’échangeur. Ce dernier cas dépend de la composition et de la température des fluides et il doit faire l’objet d’une étude particulière à chaque réalisation. Du côté intérieur, aucune corrosion par le fluide caloduc ne peut être tolérée car celle-ci est susceptible de dégager des gaz incondensables bloquant le fonc- tionnement du caloduc, [5]. Les matériaux usuels compatibles avec les fluides cités dans le tableau 1 sont indiqués dans le tableau II. Tableau II. - Compatibilité des fluides utilisés avec le tube enveloppe des caloducs. [Compatibility of fluids with container.] Les exigences parfois contradictoires entre la cor- rosion interne et la corrosion externe peuvent être satisfaites à l’aide de tubes bimétalliques. Les échangeurs récupérateurs à caloducs sont actuellement fabriqués industriellement dans le domaine des températures ambiantes pour utilisation dans les installations de climatisation; le couple Aluminium-Fréon (Forane 11 en général) est le plus couramment utilisé. Dans le domaine des températures moyennes (150 à 500 OC) rencontrées en milieu industriel, les études de développement sont en cours et l’on s’oriente vers des caloducs en acier non allié ou en acier inoxydable avec fluide organique (type Gilotherm DO) ou mercure. Enfin, dans le domaine des hautes températures (600 à 1 200°C) rencontrées notamment dans l’in- dustrie sidérurgique la recherche s’oriente vers des enveloppes mixtes métal-céramique et des fluides métalliques alcalins tels que potassium, sodium, lithium [6]. 1.2 COMPARAISON AVEC LES ÉCHANGEURS RÉCUPÉ- RATEURS CLASSIQUES [7]. - Ceux-ci comprennent notamment : - Les régénérateurs tournants constitués par une 627 matrice poreuse, emmagasinant la chaleur qui se trouve alternativement en contact avec les gaz chauds et avec les gaz froids à réchauffer. Ils présentent l’inconvénient par rapport aux récu- pérateurs à caloducs de nécessiter un apport d’énergie extérieur et de présenter une étanchéité imparfaite entre les deux circuits de gaz. - Les batteries à fluide intermédiaire présentent une certaine analogie avec les caloducs dont le fluide interne joue le rôle de fluide intermédiaire. Cependant elles ont également l’inconvénient d’uti- liser une source d’énergie extérieure (pour la pompe de circulation du fluide intermédiaire). Elles ont aussi un moins bon coefficient de transfert que les échan- geurs à caloducs car le fluide intermédiaire travaille en monophasique et non en diphasique comme dans les caloducs. D’une manière générale, les avantages des récupé- rateurs à caloducs sont les suivants : 2022 Absence d’organe en mouvement. 2022 Durée de vie élevée. 2022 Aucun apport d’énergie extérieure. 2022 Aucun mélange des gaz chauds et froids. 2022 Souplesse dans la conception pour le dimension- nement comme pour les performances recherchées. 2022 Compacité. 2022 Réversibilité ou irréversibilité du sens de conduc- tion selon la conception des caloducs (voir § 3.3). 2. Méthode de calcul d’un échangeur à caloducs [8], [9]. - 2. 1 GÉNÉRALITÉS. - Le calcul d’un échangeur à caloducs relève essentiellement des méthodes géné- rales de calcul des échangeurs. L’aspect spécifique des caloducs intervient à deux niveaux : 1) Dans le calcul de la résistance thermique globale de l’échangeur où s’intègre la résistance du caloduc qui dépend de sa structure et des conditions dans les- quelles il travaille. 2) Dans le fait que la résistance thermique d’un caloduc ne peut être considérée comme approxima- tivement constante et faible, qu’en deçà d’un certain flux limite au-delà duquel le caloduc se « bloque ». Sa résistance devient alors brutalement très grande; il faudra donc s’assurer par le calcul que le flux limite ne risque pas d’être dépassé dans les conditions de fonctionnement. Ceci s’applique particulièrement à la phase de démarrage. 2.2 PRINCIPE DU CALCUL. - La méthode que nous proposons consiste à considérer chaque rangée de caloducs de l’échangeur comme un ensemble de deux échangeurs couplés par le fluide caloduc : un évaporateur réchauffé par le fluide externe chaud et un condenseur refroidi par le fluide externe froid. L’ensemble des rangées constituera une suite d’échangeurs associés en contre-courant global. On utilisera pour calculer chaque échangeur élé- mentaire la méthode du Nombre d’Unités de Trans- fert (N.U.T.). On fera ensuite usage des formules permettant de calculer l’efficacité globale de certaines associations d’échangeurs. ’ 2.3 RAPPEL DE LA MÉTHODE N.U.T. - Le but de la méthode est de calculer l’efficacité E de l’échangeur qui est le rapport du flux thermique qui le traverse au flux qui traverserait un échangeur à contre-courant de surface infinie, avec les mêmes conditions d’entrée des fluides. Le flux réellement échangé a pour expression : dans laquelle les indices c et f se rapportent aux fluides chaud et froid respectivement, les indices e et s à l’entrée et la sortie de ces fluides. C est un débit de capacité : produit du débit masse du fluide par sa chaleur massique, T est la température. Lorsque la surface d’échange tend vers l’infini dans un échangeur à contre-courant, la température de sortie du fluide qui a le plus faible débit de capacité (Cm;n ) tend vers la température d’entrée de l’autre fluide. Le flux échangé à la limite, Qoo s’écrit donc : L’efficacité définie par E = Q/Q~ s’écrit alors : et l’on a : Dans la méthode N.U.T., l’efficacité est calculée par des relations analytiques ou expérimentales en fonction du nombre d’unités de transfert de l’échan- geur que l’on définit par la relation : dans laquelle U est le coefficient d’échange global rapporté à la surface d’échange A. E étant connu, on en déduit Q par la relation (5) et T cs’ T fs par la relation (1). Dans le cas où l’échangeur à calculer est un évapo- rateur ou un condenseur, la température du fluide diphasique, supposé pur, est constante; ceci, compte tenu de la relation (1) conduit à lui attribuer un débit de capacité infini. Il en résulte que Cnin est toujours le débit de capa- cité du fluide monophasique et que par ailleurs la 628 relation entre NUT et E peut se mettre sous la forme analytique simple suivante [11] : 2.4 CALCUL DE L’EFFICACITÉ GLOBALE DE L’ÉCHAN- GEUR. - 2.4.1 Expression générale. - Nous allons d’abord établir uploads/Finance/ v-djdk-jlv.pdf