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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/301775808 Dimensionnement d'un condenseur à serpentin d'une machine à absorption Eau/Bromure de Lithium de petite puissance Conference Paper · April 2016 CITATIONS 0 READS 8,387 3 authors: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Design, energy, thermal sciences View project Engineering Education View project Nadia Essalhi National Engineering School of Gabes 3 PUBLICATIONS 12 CITATIONS SEE PROFILE Ali Fguiri University of Gabès 34 PUBLICATIONS 115 CITATIONS SEE PROFILE Mohamed-Razak Jeday lsgc nancy 40 PUBLICATIONS 151 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Ali Fguiri on 02 May 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. Dimensionnement d’un condenseur à serpentin d’une machine à absorption Eau/Bromure de Lithium de petite puissance Nadia ESSALHI Unité de recherche « Energétique & Environnement » Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gabès Gabès, Tunisie nadiasalhi@hotmail.fr Christophe MARVILLET Institut Français du Froid Industriel Conservatoire Nationale des Arts et Métiers Paris, France christophe.marvillet@cnam.fr Ali FGUIRI Unité de recherche « Energétique & Environnement » Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gabès Gabès, Tunisie ali.fguiri@gmail.com Mohamed Razak JEDAY Unité de recherche « Energétique & Environnement » Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gabès Gabès, Tunisie raz.jday@yahoo.fr Abstract— De nos jours, les machines à absorptions présentent une bonne alternative des systèmes à compressions en termes d’efficacité énergétique et d’impacts environnementale. Cependant, elles utilisent des ressources non exploités (les rejets thermiques industrielles…) et les énergies renouvelables (énergie solaire…) comme des sources d’énergie primaire. Ces considérations concentrent l’intention sur les machines à absorptions de petite puissance applicable pour l’habitat. Le seul problème des machines à absorption est le coût d’investissement qui est très élevé et qui est dû principalement aux prix des différents équipements de la machine. En effet, les machines actuelles mettent généralement en œuvre des échangeurs de type tube-calandre peu compatibles avec des machines compactes et de faible puissance. Dans ce cadre, on s’intéresse à l’étude et au développement d’un condenseur compact à film ruisselant permettant de répondre à cette attente et permettre le développement de machines à absorption pour l’habitat. Ce travail consiste à dimensionner un nouveau type de condenseur à serpentin à film ruisselant utilisé dans une machine à absorption opérant avec le couple H2O/LiBr et délivrant une puissance thermique de 10 kW. On y présente également une étude bibliographique sur les phénomènes de transfert qui réagissent lors de la condensation en film, les différents types et modes de condensation. Un modèle de dimensionnement du condenseur à serpentin, qui est basé sur les équations de transfert thermique et des corrélations empiriques, a été développé. La configuration proposée du condenseur à serpentin présente un potentiel important, due à sa taille et son poids réduits, pour le dimensionnement de notre machine H2O/LiBr de puissance 10kW. Keywords— Machine à absorption H2O/LiBr, condenseur à serpentin, film ruisselant, coefficient de transfert locaux et globale. NOMENCLATURE ReГ : Nombre du Reynolds du film GaL : Nombre de Galileo liquide Г : Débit massique linéique, kg/m.s μ : Viscosité dynamique, kg/m.s ρ : Masse volumique, kg/m3 g : Accélération de péesanteur, m2/s σ : Tension superficielle, N/m Pr : Nombre de Prandtl Fr : Nombre de Froude Ph : Nombre de changement de phase Cp : Capacité massique calorifique, J/kg.°C k : Conductivité thermique, W/m.°C d : Diamètre de tube, m Ds : Diamètre de serpentin, m hlg : Chaleur latente de vaporisation, W/m2.°C u : Vitesse de la vapeur, m/s T : Température, °C P : Pression, bar Re : Nombre de Reynolds Nu : Nombre de Nusselt h : Coefficient de transfert convectif, W/m2.°C G : Vitesse massique, kg/m2.s S : Surface d’échange, m2 Q : Puissance de l’échangeur, W N : Nombre des spires U : Coefficient de transfert globale, W/m2.°C DTLM : Différence de température moyenne logarithmique Ra, Rt : Coefficient d’encrassement respectivement côté annulaire et côté tube, ν : Viscosité cinématique, m2/s v : Volume massique, m3/kg H : Hauteur de l’échangeur, m Lt : Longueur du tube, m B : Diamètre de la grande cylindre, m C : Diamètre de la grande cylindre, m INDICES i : intérieur o : out l, liq : liquide v, vap : vapeur sat : saturation lg : liquide-gaz w : paroi v : vapeur I. INTRODUCTION Le condenseur constitue l’un des équipements fondamentales qu’on le rencontre dans tous les systèmes de réfrigération, conditionnement d’air et les pompes à chaleur. Le dimensionnement de ce type d’échangeur nécessite la compréhension des phénomènes qui régissent lors de la condensation. En effet, cette dernière est un processus de transfert de chaleur par une vapeur saturée qui est converti en un liquide en évacuant la chaleur latente de condensation [1-3]. L’étude de ce phénomène est ainsi devenue un thème fondamental dans le domaine des écoulements diphasiques et des transferts de chaleur et de masse. Toutefois, sa complexité provient de l’intervention simultanée des plusieurs facteurs [2]: - Les différents types de la condensation: en brouillard, en gouttelettes ou en film, - Les régimes d’écoulement : diphasique liquide-vapeur en régime laminaire, ondulatoire ou turbulent, par convection forcée, mixte ou naturelle, - L’état des fluides: vapeur pure saturée ou surchauffée, mélange de vapeurs ou mélange vapeur-gaz non condensables, - L’influence d’un grand nombre de paramètres tels que la vitesse, la pression, la température des fluides en écoulement et de la paroi, - La forme géométrique des dispositifs de condensation: plaque plane verticale, horizontale ou inclinée, paroi interne ou externe d’un cylindre horizontal ou vertical de section circulaire ou elliptique, faisceau de tubes horizontaux, échangeurs tubulaires. Il existe cinq mécanismes de base de la condensation qui sont généralement répertoriés: en goutte, en film, par contact direct, condensation homogène et la condensation d’un mélange des vapeurs formant des liquides immiscibles [1-3]. La condensation en film est le seul des procédés qui a un intérêt industriel particulier. La configuration des condenseurs à tubes et calandres est la plus utilisés dans la conception des machines frigorifiques. Les travaux actuels sont basés sur l’amélioration du transfert de chaleur qui permet une diminution considérable de la taille de l’échangeur de chaleur. Généralement, les techniques d’amélioration peuvent être divisées en deux groupes : actives et passives. En raison de leur structure compacte et leur coefficient de transfert de chaleur élevé, les tubes incurvés ont été introduits en tant que l’une des techniques passives d’amélioration de la transmission de chaleur. Les échangeurs de chaleur à serpentin sont bien connus l’un des types des tubes incurvés. Due à la complexité de la géométrie des condenseurs à serpentin, le transfert de chaleur est contrôlé par la combinaison des effets de la géométrie des surfaces des tubes, l’inondation de condensat qui se coule sous l’influence de la gravité, les forces de cisaillement de la vapeur et/ou la tension de la surface. Par conséquent, la prédiction des coefficients de transfert thermique devient très difficile. Le dimensionnement et la modélisation de ce type de condenseur sont liés à la précision du choix des équations de transfert de chaleur lors de la condensation des vapeurs [1,4]. Dans cette étude, on se propose de dimensionner un condenseur à serpentin à film ruisselant d’une machine à absorption eau bromure de lithium de petite puissance. Cette étude est basée sur le développement d’un modèle dont le but est de déterminer les coefficients de transfert locaux de chaleur, le coefficient global et les paramètres géométriques. II. DESCRIPTION DU CYCLE ET PRESENTATION DE LA CONFIGURATION DU CONDENSEUR En se référant à la numérotation figurée sur le schéma simplifié ci-dessus (Fig.1), une solution riche en fluide frigorigène quittant l’absorbeur 1 est pompé 2 et envoyé au générateur 3. Au niveau de ce dernier, on aura une séparation entre le réfrigérant qui s’évapore 7 et la solution liquide appauvrie 4 qui est reconduite vers l’absorbeur 6. La vapeur d’eau généré se dirige vers le condenseur ou elle se liquéfie 8. Ce liquide subit un abaissement de pression dans un détendeur 9 puis est introduit dans l’évaporateur pour produire de la vapeur d’eau 10 et un nouveau cycle se produit. L’objectif FIGURE 1. : Schéma représentatif de la machine. 9 10 1 6 5 2 3 4 8 Condenseur Echangeur de Solution Générateur Evaporateur Absorbeur 7 principal est de dimensionner un condenseur à serpentin en film ruisselant d’une machine a utilisation individuel de puissance de 10 kW. On note que le fluide de refroidissement passe à l’intérieur du tube hélicoïdal, du bas vers le haut, en contre courant avec la vapeur surchauffée 7 qui passe sur la surface des tubes en serpentin (Fig. 2). Dans notre cas, l’échangeur à serpentin se compose d'un enroulement hélicoïdal fabriqué à partir d'un tube métallique qui est monté dans la partie annulaire de deux cylindres concentriques (Fig. 3). Le choix de cette configuration revient à sa structure compacte ainsi que le coefficient de transfert élevé [4]. Il n’est pas largement exploité ni dans la littérature ni dans l’industrie. L’échangeur de chaleur à tube hélicoïdal est utilisé pour des nombreux systèmes continus de petites ou moyennes puissances. Cependant, l'échangeur de uploads/Industriel/ submission106-1.pdf