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P 31 LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR DECLAYE Sébastien GENDEBIEN Samuel LEMORT Vincen

P 31 LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR DECLAYE Sébastien GENDEBIEN Samuel LEMORT Vincent Contenu de la présentation • Introduction • Principe de base des échangeurs de chaleur • Classification des échangeurs • Exemples de réalisations pratiques Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel 2 Contenu de la présentation • Introduction • Principe de base des échangeurs de chaleur • Classification des échangeurs • Exemples de réalisations pratiques Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel 3 Introduction • Echangeur de chaleur = élément clef des systèmes énergétiques Dispositif qui permet le transfert de chaleur d’un fluide à un autre sans les mélanger. Le flux thermique traverse la surface d’échange qui sépare les deux fluides. Domaine d’application très large (HVAC, procédé industriel, secteur bâtiment, chimie, récupération d’énergie thermique, réfrigération, centrales de production d’électricité,…) Dans des procédés industriels, 90% de l'énergie thermique transite au moins une fois dans un échangeur de chaleur (dans le procédé lui-même et lors de la valorisation de la chaleur du procédé) Toutes les machines thermodynamiques fermées comportent au moins 2 échangeurs de chaleur (machines frigorifiques, cycle de Rankine) Différents types d’échangeur de chaleur en fonction de l’application et du procédé considéré Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel 4 Contenu de la présentation • Introduction • Principe de base des échangeurs de chaleur • Classification des échangeurs • Exemples de réalisations pratiques Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel 5 Principes de base des échangeurs Définition • Dispositif qui transfère de l’énergie thermique d’un fluide chaud (h) vers un autre fluide froid (c) 6 • Généralement, pas de transfert de masse entre les fluides: Afin d’éviter contamination d’un fluide par le deuxième En présence de fluides à des pressions différentes Exception: échangeurs enthalpiques (échange de chaleur dit « total » sensible+latent), échangeurs rotatifs, tours de refroidissement • Mode de transfert de chaleur: la chaleur est transférée par convection, conduction et rayonnement Fluide chaud Fluide froid Th,in Th,out T c,in T c,out Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Principes de base des échangeurs Modes de transfert de chaleur • 3 modes de transfert de chaleur 7 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Conduction Convection Radiation Principes de base des échangeurs Performance Caractérisation thermodynamique d’un échangeur de chaleur • Performance thermique: Efficacité thermique de l’échangeur: ε [%] Traduit la capacité de l’échangeur à transférer les calories d’un fluide à un autre Valeur à maximiser • Performance hydraulique/aéraulique: Pertes de charge liés au passage d’un fluide dans l’échangeur: ΔP [Pa] Correspond à la dissipation par frottements de l’énergie d’un fluide en mouvement sous forme de chaleur Intervient dans la consommation des auxiliaires Valeur à minimiser Compromis à trouver entre performance hydraulique et thermique 8 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Principes de base des échangeurs Performance • Performance thermique: On cherche à maximiser la puissance thermique transférable Dépend du coefficient de transfert de chaleur global AU [W/K] (à maximer), qui est le produit de l’aire de la surface d’échange A [m2] et du coefficient d’échange U [W/m2-K] U dépend du coefficient d’échange convectif côté fluide chaud hh et côté fluide froid hc [W/m²-K], de la conductivité thermique de la paroi k [W/m-K] et de l’épaisseur de la paroi e [m] La différence de température moyenne entre les fluides 9 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel lm ΔΤ U A Q     c h h k e h U 1 1    Principes de base des échangeurs Performance • Performance hydraulique caractérisée par la perte de charge Minimisation des pertes de charge (pertes pression) subies par chacun des fluides (réduction de la consommation des auxiliaires assurant la circulation des fluides dans l’échangeur) Pertes de charge et efficacité sont liées Design d’un échangeur résulte souvent en un compromis entre pertes de charge et efficacité 10 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel - f le coefficient de friction qui dépend des conditions d’écoulement (laminaire, turbulent, transistoire), de la géométrie, de la rugosité, etc… Déterminé au moyen de corrélations. - ρ la densité du fluide, - um la vitesse moyen d’écoulement du fluide, - L la longueur d’écoulement du fluide, - Dh le diamètre hydraulique de la conduite Contenu de la présentation • Introduction • Principe de base des échangeurs de chaleur • Classification des échangeurs • Exemples de réalisations pratiques Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel 11 Classification des échangeurs • Etat thermodynamique des fluides (air/air, air/liquide,…): écoulement monophasique, diphasique, vaporisation, condensation… • Compacité (surface d’échange/volume de l’échangeur).Un échangeur est considéré compact si Ahx > 700 [m²/m³]: présence d’ailettes • Configuration des écoulements (courants parallèles, contre-courants, courants croisés, multi-passes,…) • Types de construction/technologies: échangeurs tubulaires, à plaques, ailettes, plastique, thermoformé, aluminium, multipasses, passe simple… • Mécanisme de transfert de chaleur: convection forcée ou naturelle, rayonnement, contact direct et indirect… 12 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Classification des échangeurs Etat thermodynamique des fluides • Les fluides peuvent être à l’état liquide, gazeux ou diphasique (changement de phase liquide-vapeur) • Exemples:  Eau liquide – Air: Radiateur, tour de refroidissement,…  Eau liquide – Eau: Découplage entre deux circuits hydrauliques, ballon d’eau chaude sanitaire,… Air - Réfrigérant (diphasique): Condenseur et évaporateur à air sur machines frigo,… Eau liquide – Réfrigérant (diphasique): Condenseur de machines frigos sur géothermie …  Huile – Air: Refroidisseur d’huile,…  Air – Air: Récupération de chaleur sur ventilation, récupérateur pour turbines à gaz,… 13 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Classification des échangeurs Compacité • Pour un volume donné (contrainte géométrique définie), augmentation de la surface d’échange et donc du transfert thermique 14 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Présence d’ailettes Echangeur à plaques corruguées Classification des échangeurs Configuration des écoulements 15 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Courant parallèle Courant contre courant Courant croisé Evolution de T° Evolution de T° Evolution de T° (2D) Classification des échangeurs Types de construction/technologies  Echangeurs tubes et calandres 16 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel  Une ou plusieurs passes par échangeur Classification des échangeurs Types de construction/Technologies  Echangeurs à plaques 17 • Plaques et joints ou plaques brasées • Faible charge de fluide • Configuration des plaques+ petit diamètre hydraulique => grande valeur de AU (! Pertes de charge!) • Haute compacité Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Classification des échangeurs Technologies  Echangeurs co-axiaux 18 Tubes avec des ailettes internes pour augmenter la surface d’échange Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Classification des échangeurs Technologies  Echangeurs à ailettes 19 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Classification des échangeurs Technologies  Echangeurs à ailettes 20 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel Contenu de la présentation • Introduction • Principe de base des échangeurs de chaleur • Classification des échangeurs • Exemples de réalisations pratiques Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel 21 Exemples de réalisations pratiques Radiateur de voiture 22 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel • Fonction: évacuation dans l’atmosphère de la chaleur du moteur accumulée par le liquide de refroidissement. Refroidissement du fluide caloporteur au moyen d’air froid venant de l’ambiance (vitesse du véhicule ou ventilateur) • Echangeur à tubes et ailettes pour augmenter la surface d’échange et donc l’efficacité thermique de l’échangeur • Le plus souvent en aluminium Exemples de réalisations pratiques Ballon d’eau chaude sanitaire 23 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel • Echangeur dit « tubulaire » • Isolation du ballon pour éviter les pertes à l’ambiance • Fonction: échange de la chaleur entre la chaudière (gaz, fuel) et le ballon de stockage d’eau chaude sanitaire via circuit secondaire. Exemples de réalisations pratiques Ventilation mécanique centralisée avec récupération de chaleur 24 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel • Différents types de récupération de chaleur (contre-courant, courant croisé, aluminium, polystyrene,….) • Fonction: échange de la chaleur entre l’air vicié (extrait du bâtiment) et l’air frais (pulsé) dans le bâtiment Exemples de réalisations pratiques Ventilation mécanique décentralisée avec récupération de chaleur 25 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel • Ventilation pièces par pièces (!attention au bruit généré => attention aux pertes de charge!) • Ventilateurs • Echangeur • Capteurs (présence, humidité, CO2,…) • Alimentation et convertisseur électrique • Electronique de contrôle • Filtres • 2 types d’unités décentralisées: - mural - fenêtre Exemples de réalisations pratiques Ventilation mécanique décentralisée avec récupération de chaleur 26 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel U flow configuration Entrée Sortie Echangeur de chaleur Ventilateur et performance hydraulique de l’unité Climat Exemples de réalisations pratiques Economiseur sur gaz d’ échappements de moteur de bateaux 27 Les techniques pour économiser l’énergie dans le bâtiment industriel • Fonction: Récupération de chaleur sur gaz d’échappements pour génération de vapeur basse pression (8 bars). • Utilisation de la vapeur pour:  Chauffer uploads/Industriel/ p-31-les-echangeurs-de-chaleur-declaye-sebastien-gendebien-samuel-lemort-vincent-pdf.pdf