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Université de Mohamed Khider Faculté des Sciences et de la technologie départem

Université de Mohamed Khider Faculté des Sciences et de la technologie département de chimie Industrielle Transfert thermique et Echangeurs de chaleur Réalisé par : Dr. MERZOUGUI Abdelkrim merzouguikarim@yahoo.com a.merzougui@univ-biskra.dz 2019-2020 1er Année Master GCh & GEnv. • U E : UEF 1.1.2 • Qualité : Fondamentale • Matière : Transfert thermique et Echangeurs de chaleur • V H : 45h00 • Crédit matière : 4 • Coefficient:2 Objectifs de l’enseignement de la matière Compléter les connaissances des étudiants et leur apprendre de nouvelles notions telles que le transfert thermique en régime transitoire, la conduction au travers des ailettes et en présence d’une source de chaleur ainsi que les échangeurs de chaleur, et les méthodes de calcul des équipements de transfert de chaleur. Connaissances préalables recommandées Transfert de chaleur, Mécanique des fluides, notions de mathématique (équations différentielles du premier et second ordre, calcul des intégrales, etc.). Références bibliographiques 1- Transfert De Chaleur Tome 1 - Les Principes - Crabol Jean 2- Transfert De Chaleur Tome 2 - Applications Industrielles - Crabol Jean 3- Transfert De Chaleur Tome 3 - corrigés de problèmes - Crabol Jean Code T8/1063 (bibliothèque centrale de l’université) Sommaire Chapitre1:Rappels des Lois de Transfert de Chaleur (1 Semaine) Chapitre 2 : Conduction Thermique (1 Semaine) Chapitre 3: Convection Thermique (2 Semaines) Chapitre 4:Description des appareils d’échange de chaleur sans changement de Phase (2 Semaines) Chapitre 5: Calcul des Echangeurs (3 Semaines) Chapitre 6: Les appareils d’Echange de Chaleur avec Changement de Phase (3 Semaines) Chapitre7:Tubes à ailettes (3 Semaines) Chapitre 4: Description des appareils d’échange de chaleur sans changement de Phase Def. Un échangeur de chaleur est un appareil destiné à transmettre la chaleur d’un fluide à un autre. Au sein d’un échangeur de chaleur on peut trouver les modes d’échange suivants: Conduction: c’est la propagation de la chaleur dans matière, sans transfert de masse. A travers les solides, la conduction assure un bon transfert de chaleur Convection: ce mode de transfert de chaleur apparait entre deux phases dont l’une au moins est mobile, en présence d’une différence de température. Le mouvement des phases peut être provoqué des différences de densité dans le fluide, le transfert de chaleur est dit de convection naturelle ou libre. Le mouvement peut être provoqué par une dégradation d’énergie mécanique, le transfert de chaleur est dit de convection forcée. Cette dernière est essentielle pour ces appareils(changeurs). Rayonnement: c’est l’émission d’énergie par les surface des corps sous forme de radiation. Donc, 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, est faible et sera négligé. En général, il existe trois classes d’échangeurs de chaleur:  échangeur co-axial  échangeur à tubes et calandre  échangeur à plaques Principe général: le principe 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 échange de chaleur. En général, le fluide chaud cède de la chaleur au fluide froid. Le principal problème consiste à définir une surface d’échange suffisant entre les deux fluides pour transférer la quantité de chaleur nécessaire dans un configuration donnée. La quantité chaleur transférée ne dépend pas seulement de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètres tels que: •Des températures d’entrée •Des caractéristiques thermiques des fluides( chaleurs spécifiques, conductivité thermique). •Des coefficients d’échange par convection. Principaux types d’échangeurs thermiques • Les échangeurs tubulaires Échangeur « double tubes » Un des fluides circule dans l’espace annulaire entre les deux tube tandis que l’autre circule dans Le tube central. Pour cette configuration, deux types de fonctionnements sont distingués: les deux fluides 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 dans les groupes de production d’eau glacée. Échangeur Tubes/Calandre ( à faisceaux tubulaires) Le principe est schématisé dans la figure ci-dessus. Ces échangeurs sont Constitués soit d’un tube unique( serpentin), soit d’un faisceau de tubes branchés En parallèle enfermés dans un enveloppe appelée calandre. Dans la figure ci-dessus, une schématisation réelle d’un échangeur multitubulaire de fabrication Espagnol utilisé au sein de la zone industrielle de Skikda. Cet échangeur est un réchauffeur D’Ethylène (Ethylène est un gaz utilisé comme monomère dans la réaction de polymérisation). En outre, sur chaque équipement industriel on trouve une plaque d’identification. A partir de cette plaque 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; - Le poids des tubes - La pression d’épreuve hydrostatique… etc L’emplacement des chicanes dans la calandre augmente la turbulences et l’efficacité de l’échange et augmenter la rigidité du faisceau, pour éviter des phénomènes de vibration. On trouve plusieurs types de chicanes parmi elles les chicanes plates, qui peuvent prendre différentes formes « chicane plate à un seul segment, chicane plate à double segment, etc…). Différents montages de chicanage sont présentés ci- dessous. Des chicanes sont installées côté calandre pour orienter le cheminement du fluide, et forcer son contact avec la totalité de la surface des tubes Les chicanes Chicanage horizontal Chicanage vertical Chicanage par disques et couronnes Chicanage annulaire Chicane plate à double segments (double-segmental baffle) : Chicane à triple segments (triple-segmental baffle) : Chicane creuse & disk (disk-and-doughnut baffle) : Vue 3D des écoulement dans un échangeur multitubulaire: - calandre à une passe avec chicanage horizontal - faisceau de tubes en U à deux passes Les passes N-P Dans la disposition la plus simple, les fluides côté tubes et côté calandre entrent à une extrémité et sortent à l'autre. On dit alors qu'il n'y a qu'une seule passe (un seul passage) côté tubes et côté calandre. Les fluides peuvent entrer du même côté, (co- courant) ou aux côtés opposés (contre-courant). Le transfert thermique est amélioré quand la vitesse et l'agitation du fluide augmentent. Il arrive fréquemment que avec une disposition à une seule passe la vitesse des fluides soit trop faible. Pour augmenter cette vitesse tout en conservant le même nombre de tubes (même surface d'échange), on a recours à la multiplication du nombre de passes: Echangeur 1-2: Ce type est le plus simple échangeur à faisceau: le fluide qui circule dans la calandre Effectue un seul passe tandis que le fluide coté tubes effectue 2 (ou 2n) passes. Pour l’échangeur présenté dans la figure ci-dessous le fluide effectue une seule passe coté calandre et deux passes coté tube Echangeur 2-4: Lorsque l’échangeur 1-2 ne permet pas d’obtenir une efficacité supérieure à 0.75, on essaie à se reprocher 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 passes Echangeur à courant croisé: dans ce type d’échangeurs, une circulation de l’un des fluides dans une série de tubes alors que l’autre circule perpendiculairement autour des tubes. Généralement, c’est le liquide qui circule dans les tubes et le gaz à l’entour. Les tubes munis d’ailettes permettes 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. Echangeur à courant croisé: La disposition des tubes Dimensions des tubes et des calandres Les échangeurs à tubes et calandre peuvent théoriquement être construit dans toutes les dimensions, cependant dans le but d'en optimiser le coût on cherchera à respecter quelques règles: Les tubes sont normalement disponibles en longueur de 12m (40 pieds). Pour minimiser la perte de matière lors de la confection, on privilégiera des longueurs sous multiples de 12 (6m, 4m, 3m, 1,5m, 1,2m, ...) Les calandres sont souvent équipées d'une ou deux brides permettant le démontage des boites de distribution. Echangeur à plaque: Echangeur à plaque: Ce type d’échangeurs est constitué de plaques assemblée 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 fluides soit envoyé alternativement entre deux espaces inter plaques successifs. Un échange thermique des fluides s’effectue à travers les plaques. La compacité avantage de ce type d’changeur. Ce dispositif permet une grande surface d’échange dans un volume limité. Donc son utilité apparait clairement lors des grandes puissances Les échangeurs à plaques sont très utilisé 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 notre que la gamme de températures de fonctionnement est réduite par l’utilisation des joints en matières organiques. Ainsi, on peut trouver d’autre classification de ce type d’échangeurs tels:  Les échangeurs à plaques spirales,  Les échangeurs à plaques circulaires,  uploads/Industriel/ cours-de-transfert-thermique-2019.pdf