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Echanges et Installations Thermiques Département Génie Mécanique Ecole Mohammad

Echanges et Installations Thermiques Département Génie Mécanique Ecole Mohammadia d’Ingénieurs Université Mohammed V 1 EL ATIFE Khalid elatife@emi.ac.ma CHAPITRE II: Echangeurs Thermiques 2 Dans le contexte énergétique actuel, la hausse des prix de l’énergie et la raréfaction des sources d’énergies fossiles poussent la société industrielle contemporaine à devenir de plus en plus performante aussi bien sur l’aspect financier et environnemental que sur l’aspect maitrise de l’énergie. Ce dernier point essentiel aujourd’hui, conduit les industriels dans une recherche des meilleurs rendements de leurs processus et une baisse de leur consommation énergétique devenus indispensables. L’objectif de performance énergétique par la maitrise et la rationalisation de l’énergie pour une meilleure efficacité passe en particulier par l’optimisation des différents organes process (Les politiques d’efficacité énergétique). 3 Cette nouvelle stratégie de performance énergétique n’est pas seulement judicieuse du point de vue de l’écologie ou de l’énergie, elle est souvent très rentable pour de nombreux cas, voire même pour des installations de taille réduite. Cette rentabilité impose néanmoins une gestion minutieuse dans les petits systèmes, davantage encore que dans les grandes installations. À partir d’une situation bien définie, la rentabilité ne peut être garantie que par le recours à des solutions techniques optimales offrant le meilleur rendement possible par une gestion dynamique des systèmes. C’est là qu’intervient encore, et ceci depuis toujours, l’échangeur de chaleur. Celui-ci est un élément essentiel de la stratégie de performance énergétique. 4 Sans conteste, l’échangeur de chaleur occupe une place primordiale dans tous les systèmes thermiques, qu’il soit pour un usage industriel (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire –IAA-, production d’énergie), pour l’automobile, l’aéronautique ou le bâtiment résidentiel ou tertiaire. De manière générale, on s’accorde à dire que plus de 90% de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur. 5 I. Description générale le transfert de chaleur qui a lieu au sein d’un échangeur fait intervenir le mode convectif dans chacun des deux fluides et le mode conductif à travers la paroi qui les séparent. Généralement, le rayonnement est faible et sera négligé. En général, Il existe trois classes d'échangeurs de chaleurs : 1. Échangeurs à transferts directs, 2. Échangeurs de stockage thermique, 3. Échangeurs à contacts directs. 6 II. Principe général Le principe est de faire circuler deux fluides à travers des conduits qui les mettent en contact thermique. Ces fluides sont mis en contact thermique à travers une paroi métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. En général, le fluide chaud cède de la chaleur au fluide froid. Le principal problème consiste à définir une surface d’échange suffisante entre les deux fluides pour transférer la quantité de chaleur nécessaire dans une configuration donnée. La quantité de chaleur transférée ne dépend pas seulement de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètres. 7 Les flux de chaleurs transférées dépendent aussi : des températures d’entrée, des caractéristiques thermiques des fluides (chaleurs spécifiques, conductivité thermique), des coefficients d’échange par convection. 8 III. Configurations géométriques 1. Échangeurs tubulaires coaxiaux (simple) Un des fluides circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes tandis que l’autre circule dans le tube central. Pour cette configuration, deux types de fonctionnements sont distingués : les deuxfluides circulent dans le même sens ou en sens opposé. Le premier est un échangeur co-courant (ou courant- parallèle). Dans le deuxième cas, c’est un échangeur contre-courant. Ce type d’échangeur est souvent rencontré dans l’industrie frigorifique en particulier pour les condenseurs à eau ou dans les groupes de production d’eau glacée. 9 C'est le plus simple échangeur que l'on puisse concevoir, mais il est difficile avec ce type d'échangeur d'obtenir des surfaces d'échange importantes sans aboutir à des appareils très encombrants. Pour cela on a besoin de trouver d'autres géométries d'échanges. 10 2. Échangeurs Tubes/Calandre (à faisceaux complexes) Dans ce type d’échangeurs, l’un des fluides circule dans le calandre autour de tubes qui le franchissent tandis que l’autre fluide circule à l’intérieur des tubes. Souvent, il est constitué d’un faisceau de tubes traversant un réservoir de manière longitudinale, appelé échangeur multitubulaire. La circulation du fluide à travers les tubes est forcée par l’emplacement des parois, de manière à ce qu’il effectue un ou plusieurs aller-retours. 11 Ces échangeurs sont constitués soit d’un tube unique (serpentin), soit d’un faisceau de tubes branchés en parallèle enfermés dans une enveloppe appelée calandre. (*) L'emplacement des chicanes dans la calandre augmente la turbulence et l’efficacité de l’échange. Généralement, le rôle des chicanes peut être résumé en deux points : 1. Augmenter la rigidité du faisceau, pour éviter des phénomènes de vibration, 2. Augmenter la vitesse du fluide. Le passage du fluide chaud dans les tubes métalliques (acier, cuivre, inox, etc.) minimise les pertes de chaleur. 12 Schématisation d’un échangeur de chaleur multitubulaire : réchauffeur d'Ethylène, démontage du côté tubes et côté calandre pour test de réépreuve Sur chaque équipement industriel on trouve une plaque d'identification. À partir de la plaque ci-coté on peut déduire ses caractéristiques tels que: - la nature du fluide coté tubes et coté calandre, - la pression de fonctionnement de chaque fluide, - la température de fonctionnement, - la pression d'épreuve hydrostatique, - le poids des tubes...etc. 13 a. Échangeur 1-2 Ce type est le plus simple échangeur à faisceau: le fluide qui circule dans la calandreeffectue une seul passe tandis que le fluide côté tubes effectue 2 (ou 2n) passes. Pour l'échangeur présenté dans la figure (*), le fluide effectue une seule passe côté calandre et dans les tubes. 14 b. Échangeur 2-4 Lorsque l'échangeur 1-2 ne permet pas d'obtenir une efficacité supérieure à 0.75, on essaie àse rapprocher plus de l'échangeur à contre-courant en effectuant 2 (ou plus) passes en calandre. L'échangeur 2-4 comporte une chicane longitudinale de sorte que le fluide en calandre effectue 2 passes. Le fluide dans le tube effectue 4 (ou 4n) passes. 15 3. Échangeurs à courants croisés Dans ce type d’échangeurs, l’un des fluides circule à travers une série de tubes alors que l’autre traverse perpendiculairement les tubes. Généralement, c’est le liquide qui circule dans lestubes et le gaz à l’entour. Les tubes munis d’ailettes permettent un bon transfert de chaleur échangée en augmentant la surface d’échange. Le radiateur de refroidissement des véhicules à moteur est un exemple de cet échangeur. 16 4. Échangeurs à plaques Ce type d’échangeurs est constitué de plaques assemblées de façon que le fluide puisse circuler entre elles. Un jeu de joints assure la distribution des fluides entre les plaques de telle sorte que chacun des deux fluides soit envoyé alternativement entre deux espaces inter plaques successifs. Un échange thermique des fluides s’effectue à travers les plaques. La compacité avantage ce type d’échangeur. Ce dispositif permet une grande surface d’échange dans un volume limité. Donc, son utilité apparait clairement lors des grandes puissances. 17 (+) Les échangeurs à plaques sont très utilisés dans l’industrie agroalimentaire, l’industrie nucléaire ou chimique. Pour des raisons évidentes d’hygiène et de santé publique, les plaques sont généralement en acier inoxydable. A noter que la gamme de températures de fonctionnement est réduite par l’utilisation des joints en matières organiques. 18 Ainsi, on peut trouver d'autre classification de ce type d'échangeurs (compacts/à plaques) tels : Les échangeurs à plaques spirales, Les échangeurs à plaques circulaires, Les échangeurs à plaques soudées. 19 Échangeur de chaleur à plaque en spirale. Les deux fluides circulent en contre courant 20 Caractéristique de l'échangeur à plaque présenté dans (+) Généralement, on trouve plusieurs classifications des échangeurs tels que celle présentée dans le tableau ci-dessous: 21 22 IV. Calcul des échangeurs Pour le refroidissement ou le chauffage des fluides, certains procédés nécessitent l’utilisation des fluides caloporteurs ou frigoporteurs intermédiaires. Les paramètres nécessaires au dimensionnement d’un échangeur sont : ➢La surface d'échange (surfaces des plaques, surface intérieure des tubes concentriques...) : A en m² ➢Des caractéristiques de l'appareil (conductivité thermique, épaisseur des plaques) et du fluide (viscosité, régime laminaire ou turbulent,...) qui déterminent le coefficient global d'échange thermique U (ou k) en W/(m².°C) ou en W/(m².°K) ➢L'écart de température; on utilise souvent la moyenne logarithmique des écarts de température entre les extrémités de l'échangeur, notée ∆TLM (°C) (ou ∆T (°C) tout court). 23 1. Notations Dans ce qui suit, on utilise les hypothèses suivantes :  Le régime est permanent : tous les paramètres et les variables sont constants dans le temps,  L’échangeur est adiabatique,  Les propriétés thermo-physiques des fluides restent constantes dans les intervalles de températures envisagées,  Les températures sont monodimensionnelles et ne varient que dans une direction de l’écoulement,  Pas de pertes de pression (charge) au cours de l’écoulement. 24 La performance d'un échangeur de chaleur est évaluée principalement par sa conductance thermique globale. Cette dernière peut être calculée en se basant sur la géométrie, les propriétés de la paroi et les propriétés des deux fluides chaud et froid- les conditions de son fonctionnement (débits massiques et températures d'entrées des deux fluides). Elle consiste à calculer les nombres de Reynolds et Prandtl de chaque fluide, l'évaluation des coefficients de convection interne et externe en uploads/Industriel/ ch-2-etude-des-echangeurs-thermiques-vf.pdf