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Introduction générale Dans l’industrie, l’échangeur de chaleur est un élément e

Introduction générale Dans l’industrie, l’échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l’énergie et donc, par voie de conséquence, de protection de l’environnement. Une grande part 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 ceux-ci. Ils sont utilisés principalement dans les secteurs de l’industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agro-alimentaire, production d’énergie, …etc.), du transport (automobile, aéronautique) et dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, …etc.). Ils constituent donc un des dispositifs clé du thermicien, et sont un composant quasi inévitable dans la maîtrise de l’énergie. L’échangeur de chaleur est un équipement qui permet d’assurer un transfert de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid sans contact direct entre les deux. Le même fluide peut conserver son état physique liquide ou gazeux, ou se présenter successivement sous les deux phases : c’est le cas des condenseurs, évaporateurs, bouilleurs, ou des tours de refroidissement. Les principaux types d’échangeurs de chaleur rencontrés sont les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques. Le concept de ces derniers date du début du siècle, ils ont été étudiés à l’origine pour répondre aux besoins de l’industrie laitière, puis utilisés ensuite dans divers branches de l’industrie (chimie, nucléaire, …etc.) On regroupe, sous ce vocable d’échangeur à plaques, différentes technologies dont certaines sont d’un développement assez récent. On peut distinguer, suivant le type de géométrie du canal utilisé, les échangeurs à surface primaire et les échangeurs à surface secondaire. De création plus récente que les échangeurs tubulaires, les échangeurs à plaques ont subi depuis leur création, des améliorations substantielles. Ils sont formés par l’empilement d’un ensemble de plaques métalliques embouties, au travers desquelles s’effectue le transfert de chaleur entre deux fluides. S’ils ne peuvent pas toujours être utilisés pour les températures élevées et les fortes pressions, les échangeurs à plaques bénéficient d’avantages tenant notamment à leur meilleur rendement et à leur compacité. Plusieurs technologies sont en concurrence dont la principale voire la plus ancienne, est celle des échangeurs à plaques avec joints. Un joint par plaque assure l’étanchéité de l’échangeur ainsi que la répartition des fluides dans les canaux formés par deux 2 Introduction générale plaques. Ces échangeurs ne peuvent être utilisés que pour des pressions maximales de 30 bars et des températures maximales de 200 degrés Celsius. D’autres technologies plus récentes permettent de remédier aux inconvénients de l’existence de joints, tels que les échangeurs à plaques soudées. Ces derniers sont adaptés à l’utilisation de fluides encrassant, corrosifs, chauds, sous pression et présentant des débits très différents de part et d’autre de la surface d’échange. Il existe d’autres échangeurs à plaques dont la diffusion est moins importante tels que les échangeurs à spirales et les échangeurs à plaques brasées. Les échangeurs à plaques brasées sont formés de plaques embouties, mais sans joints, qui forment ainsi un appareil compact et résistant aux hautes pressions. Les échangeurs à spirales sont constitués de deux rubans de tôle gaufrée, enroulés et maintenus parallèles et où la circulation du fluide est de type monocanal à courants parallèles ou croisés. Reste encore les échangeurs à plaques serties qui sont constitués d’un assemblage de tôles planes parallèles entre lesquelles sont disposées des ailettes. Le souci technologique majeur de ces échangeurs est l’amélioration de l’échange thermique entre les deux fluides tout en générant le moins de pertes de charges possibles ou de les réduire à leur plus bas niveau possible. Ce travail de mémoire s’inscrit dans l’optique de l’amélioration des échanges thermiques avec une réduction des pertes de charges. En effet la résolution des équations de Navier-Stokes permet de simuler les écoulements turbulents de fluide incompressible et de modéliser le transfert de chaleur par convection le long d’une paroi ondulée. De nos jours, l’étude des écoulements le long des parois non planes reste toujours non résolue de façon analytique, sauf dans des cas simplifiés. Certaines méthodes numériques pourraient donner des résultats acceptables dans des cas bien précis pour de tels écoulements. Plusieurs études expérimentales avec plusieurs stratégies de modélisation du phénomène ont été proposées, surtout dans le cadre des écoulements turbulents ; car ces écoulements de fluides interviennent dans un grand nombre de phénomènes physiques rencontrés dans des procédés industriels. Ce souci d’efficacité dans les échangeurs a rendu nécessaire l’essai de nombreux dispositifs : ailettes, obstacles divers, rugosités, ondulations… etc. Dans ce contexte, le présent mémoire porte sur l’étude du dispositif des parois de formes ondulées. Les performances de ces dernières sont bien meilleures que celles des parois planes. Les résultats obtenus dans cette étude montrent que la forme ondulée est favorable au transfert de chaleur par la présence des deux effets suivants : • Un accroissement sensible de la surface d’échange par rapport à une surface plane, qui engendre une augmentation du transfert convectif de part et d’autre de la paroi ondulée. 3 Introduction générale • Des changements alternés de courbure dans le sens de l’écoulement favorisent la création de mouvements secondaires du fluide qui reste en perpétuelle restructuration d’une courbure à l’autre. Notre travail est axé sur la simulation numérique d’un écoulement supposé turbulent avec transfert thermique dans un canal dont la paroi supérieure est plane et la paroi inférieure ondulée. La résolution des équations régissant cet écoulement se fait par le biais de trois modèles : ( ) , et k RNG k RSM ε ε − − du code FLUENT 6.2.16, dont la comparaison des résultats constitue l’objectif essentiel de ce travail. Les résultats de C. Maaß et U. Schumann ont servi pour la validation du comportement dynamique. Ce travail est réparti en quatre chapitres : Le premier chapitre est consacré à une recherche bibliographique sur les travaux antérieurs expérimentaux et numériques en relation avec le thème abordé. La description du modèle mathématique et en particulier les modèles de turbulence utilisés sont traités dans le second chapitre. La méthode des volumes finis et en particulier la discrétisation des équations sont exposées au troisième chapitre. On y trouve aussi une présentation de la structure du code FLUENT 6.2.16. Les différents résultats obtenus sont présentés au quatrième chapitre. Des comparaisons avec les résultats de la DNS , ont permis de valider les modèles de turbulence et le code commercial utilisés. Pour finir, une conclusion générale relatant les principaux résultats et le choix du modèle adapté pour ce type de géométrie est présentée, ainsi que les perspectives envisagées pour la poursuite de ce travail. 4 uploads/Finance/introduction-generale 6 .pdf