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Année universitaire 2010-2011 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE M

Année universitaire 2010-2011 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE ABOU-BAKR BELKAID DE TLEMCEN FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE Unité de Recherche Matériaux et Energies Renouvelables Thème du mémoire pour l’obtention de diplôme de Master en Physique Énergétique et Matériaux Présenté par : Amine ALI NEHARI Soutenue le: / /2011 devant le jury composé de : Président : A. ZERGA Maître de conférences (A) U.A.B Tlemcen Examinatrice : K. RAHMOUN Maître de conférences (A) U.A.B Tlemcen Examinatrice : N. GHELLAI Maître de conférences (A) U.A.B Tlemcen Encadreur : R. SAIM Maître de conférences (A) U.A.B Tlemcen Étude thermo-énergétique d’un échangeur de chaleur à plaques et joints : Application aux fluides géothermiques. Remerciements En premier lieu, nous tenons à remercier notre DIEU, notre créateur pour nous avoir donné la force pour accomplir ce travail. Nous tenons à exprimer nos vifs remerciements à tous les professeurs qui nous ont aidés tout au long de notre cursus universitaire en particulier notre encadreur Mr: R. SAIM pour ses conseils et l’aide qu’il nous a apportés. Nous voudrions aussi exprimer toute notre gratitude à : Mr : A. ZERGA et Mme : K. RAHMOUN pour les orientations et les conseils. Nos derniers remerciements, vont à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin pour l’aboutissement de ce travail. Dédicace Je dédie ce travail à : A celle qui a inséré le goût de la vie et le sens de la responsabilité….merci MERE. A celui qui a été toujours la source d’inscription et de courage ….merci PERE. A mes frères surtout Abdel Halim, Rachid, Habib. A ma grand-mère, mes tantes et mes tantons. A mes oncles surtout Abdel Kader et Mustapha. A mes cousins et cousines Et à toute ma famille. A Monsieur : Abdel Ouhab pour son aide. A toutes mes amis de prés ou de loin. A la promotion de Master II. Résumé Nomenclature Introduction générale ……………………………………………………….…1 CHAPITRE I: Types et classifications des échangeurs de chaleur Introduction………………………………………………………………….....5 I.1 Type des échangeurs de chaleur…………………………………………...5 I.1.1 Les échangeurs tubulaires……..............................................................5 I.1.1.1 Échangeur monotube ………………………………………….......5 I.1.1.2 Échangeur coaxial………………………………………………..…6 I.1.2 Échangeur multitubulaire………………………………………………6 I.1.2.1 Échangeur à tubes séparés…………………………………………6 I.1.2.2 Échangeur à tubes rapprochés ………………………………...…7 I.1.2.3 Échangeur à tubes ailettes…………………………………………7 I.1.3 Echangeur à tube et calendre………………………………………...10 I.1.3.1 Echangeur de chaleur à tête flottante………………………...…10 I.1.3.2 Echangeur à plaque tubulaires fixes ...………………………….11 I.1.3.3 Echangeur à tubes en U ……………………………………….…11 I.1.4 Echangeur à plaque ............................................................................12 I.1.4.1 Échangeurs à surface primaire………………………….……….12 I.1.4.2 Échangeurs à plaques et joints……………………………..…….12 I.1.4.3 Échangeurs à plaques soudées ou brasé……………………...…13 I.1.4.3.1 Échangeur platulaire ……………………………………….13 I.1.4.3.2 Échangeur Compabloc…………………………………...…14 I.1.4.3.3 Échangeur Packinox……………………………………..….15 I.1.4.3.4 Échangeur lamellaire……………………………………….15 I.1.4.3.5 Échangeur à spirale………………………………………...16 I.1.4.3.6 Échangeur brasé…………………………………………....17 I.1.5 Échangeurs avec un fluide changeant de phase…………………..…...18 I.1.5.1 Évaporateurs tubulaires……………………………………….....18 I.1.5.1.1 Évaporateurs à l’intérieur de tubes………………..……...18 a) Évaporations à tubes verticaux……………………………………..…18 b) Évaporateurs à tubes horizontaux................................................…...20 I.1.5.1.2 Évaporation à l’extérieur de tubes…………………………20 I.1.5.2 Condenseurs tubulaires…………………………………………..21 I.2 Classification des échangeurs……………………………………………..22 I.2.1 Classement technologique……………………………………………..22 I.2.2 Classement suivant le mode de transfert de chaleur………………...23 I.2.3 Classement suivant le procédé de transfert de chaleur………….…..23 I.2.4 Classement fonctionnel…………………………………………….…..23 I.2.5 Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange.....24 Conclusion………………………………………………………………….….24 CHAPITRE II: Description de l’échangeur de chaleur à plaques et joints II.1 Introduction……………………………………………………………....26 II.2 Technologie des plaques………………………………………………….26 II.2.1 Plaque à canal large………………………………………………….26 II.2.2 Plaque à double paroi………………………………………………..27 II.2.3 Plaque semi-soudée…………………………………………………..27 II.2.4 Profil d’écoulement……………………………………………….….28 II.2.5 Auto centrage des plaques………………………………………..….29 II.2.6 Joint sans colle……………………………………………………….29 II.3 Optimisation de l’échange de chaleur…………………………………..30 II.4 Principe de fonctionnement……………………………………………..30 II.4.1 Circulation latérale à travers les plaques………………………….31 II.4.2 Circulation diagonale à travers les plaques………………………..31 II.4.3 Nettoyage de l’échangeur……………………………………………32 II.4.3.1 Nettoyage mécanique…………………………………………....32 II.4.3.2 Nettoyage chimique…………………………………………...…32 II.4.4 Remplacement d’un joint ou d’une plaque…………………………32 II.4.4.1 Remplacement d’un joint………………………………………..32 II.4.4.2 Remplacement d’une plaque………………………………...….33 II.4.4.3 Installation de nouvelles plaques………………………………..33 II.4.4.4 Stockage des pièces de rechanges…………………………….…33 a) Plaques……………………………………………………………….....33 b) Joints…………………………………………………………………….33 c) Colle................................................................................….............33 II.4.4.5 installation des plaques.........................................................…...34 II.4.4.6 Serrage manuel du paquet des plaques………………………...34 II.4.4.7 Le test hydraulique……………………………………………....35 II.5 Conclusion……………………………………………………………...…35 CHAPITRE III: Modélisation d’un échangeur de chaleur à plaques et joints III.1 Introduction…………………………………………………………...…37 III.2 Le modèle Thermo-hydraulique………………………………………..37 III.3 Conception optimale des échangeurs de chaleur à plaque…………...40 III.3.1 Conception optimale avec spécification de la chute de pression…40 III.3.2 La conception optimale sans spécification de la chute de pression………………………………………………………………………...43 III.4 Conclusion……………………………………………………………….46 CHAPITRE IV: Résultats et interprétations IV.1 Introduction……………………………………………………………...48 IV.2 Méthode de dimensionnement……………………………………….....48 IV.2.1 Méthode avec fixation de la chute de pression…………………..48 IV.2.1.1 Simulation 1 : influence de la température………………….50 IV.2.1.2 Interprétation de la simulation_1 (influence de la température)…………………………………………………………………..55 IV.2.1.3 Simulation 2 : influence du débit……………..……………….56 IV.2.1.4 Interprétation de la simulation_2 (influence du débit du fluide froid)…………………………………………………………………………...57 IV.2.2 Méthode avec sans fixation de la chute de pression…………..…57 Interprétation de la deuxième méthode……………………………………...59 IV.3 Calcul de l’efficacité thermique de cet échangeur…………………….59 Conclusion générale et les perspectives…………………………………...…62 Références ANNEXE 1: La géothermie ANNEXE 2: Méthodes de calcul des échangeurs de chaleur Nomenclature a, b, c et d Ce sont des constantes / A La surface d’échange de la chaleur (m2) Cnl Rapport des longueurs de passage / Cp La chaleur spécifique (J/ (kg K)) De Le diamètre équivalent (m) E Le coût SEK (1 SEK= 11.05 DA) f Facteur de friction / h Coefficient de transfert de chaleur (W/ (m2 K)) k1; k2; k3 Constantes dans l’équation (13) / l Longueur de la plaque (m) m Nombre de chemins / n Nombre de passe par passe / DTLM La différence de température logarithmique moyenne / M Le débit massique (kg/s) NUT Nombre de transfert des unités / Nu Nombre de Nusselt / Pr Nombre de Prandtl / Q Charge thermique (W) Re Nombre de Reynolds / Rf Facteur d’encrassement (m2 K/W) T La température (°C) u La vitesse d’écoulement (m/s) V Le débit volumique (m3/s) w La largeur de la plaque (m) ∆P La chute de pression (K Pa) Symbole Grec δ L’épaisseur de la plaque (m) ε L’efficacité thermique / λ La conductivité thermique (W/m K) ߥ La viscosité cinématique (m2/s) μ La viscosité dynamique (kg/m s) ρ Densité du fluide (Kg/m3) σ Coefficient / Subscripts 1 Fluide froid 2 Fluide chaud Introduction générale 1 Introduction générale Introduction générale 2 La géothermie est la deuxième source de production d’électricité dans le monde, mais c’est aussi une source de production de chaleur utilisée pour le chauffage urbain, de serre et la pisciculture. La désintégration des éléments radioactifs et la dissipation de l’énergie primitive sont les deux phénomènes principaux à l’origine de la chaleur rencontrée dans la croûte terrestre. Dans notre planète il existe différents types de gisements géothermaux classés suivant leur énergie et répartis dans le monde entier. Les utilisations sont nombreuses et variées. La géothermie se caractérise par son développement relativement récent et par une technologie largement inspirée au départ de l’énergie pétrolière. De tous temps, les problèmes de transmission d’énergie, et en particulier de la chaleur, ont eu une importance déterminante pour l’étude et le fonctionnement d’appareils tels que les générateurs de vapeur, les fours, les échangeurs, les évaporateurs, les condenseurs, etc., mais aussi pour des opérations de transformations chimiques. Parmi les appareils de transmission d’énergie, nous citons les échangeurs de chaleur à plaques qui font la base de notre travail. Ces appareils sont destinés à refroidir le fluide géothermique sortant avec une température élevée en utilisant de l’eau froide. Introduction générale 3 Notre mémoire est structuré comme suit : - dans une première partie nous procédons à une étude bibliographique : concernant les différentes types des échangeurs de chaleur et leurs classifications. Un deuxième chapitre est réservé à la description détaillée d’un échangeur de chaleur à plaques et joints. Un troisième chapitre est dédié aux modélisations d’un échangeur à plaques et joints. Le quatrième chapitre englobe les résultats de simulation qui seront interprétés par la suite. Nous avons achevé notre mémoire par une conclusion générale et les perspectives qui peuvent être dégagées logiquement de ce travail. Chapitre I : Types et classifications des échangeurs de chaleur 4 Chapitre I : Types et classifications des échangeurs de chaleur Chapitre I : Types et classifications des échangeurs de chaleur 5 Introduction : Dans les sociétés industrielles, l’échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l’énergie. Une grande part (90 %) de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, aussi bien dans les procédés eux-mêmes que dans les systèmes de récupération de l’énergie thermique de ces procédés. On les utilise principalement dans les secteurs de l’industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire, production d’énergie, etc.), du transport (automobile, aéronautique), mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, etc.). Le choix d’un échangeur de chaleur, pour une application donnée, dépend de nombreux paramètres : domaine de température et de pression des fluides, propriétés physiques et agressivité de ces fluides, maintenance et encombrement. Il est évident que le fait de disposer d’un échangeur bien adapté, bien dimensionné, bien réalisé et bien utilisé permet un gain de rendement et d’énergie des procédés. I.1 Type des échangeurs de chaleur I.1.1 Les échangeurs tubulaires Pour des raisons historiques et économiques, les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les uploads/Finance/etude-thermo-energetique-dun-echangeur-de-chaleur-a-plaques-et-joints-application-aux-fluides-geothermiques-pdf.pdf