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UE: IUT GIM41 EC: GIM 414 TECHNOLOGIE ET MAINTENANCE EN THERMIQUE DIPLOME UNIVE

UE: IUT GIM41 EC: GIM 414 TECHNOLOGIE ET MAINTENANCE EN THERMIQUE DIPLOME UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE EN GENIE INDUSTRIEL ET MAINTENANCE (GIM) NIVEAU 2 SEMESTRE 4 VOLUME HORAIRE : 36 heures EQUIPE PEDAGOGIQUE : Dr ONGUENE (CM=06H ; TD=06H ;TP=06H; TPE=06H) Mme BILOA (CM=06H; TD=06H; TP=06H; TPE=06H) 1 GIM 413 : TECHNOLOGIE ET MAINTENANCE DES CIRCUITS FLUIDIQUES DUREE : 36 heures CM : 12 heures TD : 12 heures TP : 12 heures TPE : heures OBJECTIFS GENERAUX ● Utiliser les techniques de calcul pour mettre en évidence les paramètres caractéristiques des composants d’un système thermique ; ● Faire une vérification des performances d’une installation thermique ; ● Construire la maintenance sur une installation thermique. OBJECTIFS SPECIFIQUES ● Maitriser les rappels sur la thermodynamique appliquée, les transferts thermiques ; ● Se familiariser avec les technologies des échangeurs thermiques et les méthodes de calculs correspondants ; ● Faire une étude sur la combustion industrielle et les chaudières industrielles. 2 UE IUTGIM43 Technologie et maintenance en mécanique et thermique EC GIM432 Technologie et Maintenance des Circuits Fluidiques FICHE DE PROGRESSION I- PROCESSUS GÉNÉRAL DU DÉROULEMENT DE CHAQUE COURS 1- Présentation de l’objet du cours 2- Rappels du cours précédent 3- Question sur la qualité du cours a. Le rythme du Cours Magistral est-il convenable ? oui b. Les explications sont-elles assez, ou insuffisantes ? oui 4- Libellé du nouveau cours 5- Proposer : a. D’exercices à faire à la maison ; b. Un exercice durant le CM pour mieux illustrer le cours ? oui SEQUENCES THEMES DEVELOPPES DUREE SEQUENCE 1 : LES ECHANGEURS THERMIQUES 1- Rappels de thermodynamique appliquée 2- Rappels de transfert thermique. 3- Technologie des échangeurs thermiques 4- T.D : Quelques exercices à faire à la maison CM : 3h TD : 4h SÉQUENCE 2 : ELEMENTS DE COMBUSTION INDUSTRIELLE 1- Présentation de l’objet du cours a- Rappels du cours 1 b- Lien avec le cours 2 2- Généralités 3- Notion sur les combustibles 4- Enthalpie et chaleur de réaction 5- T.D : Quelques exercices à faire à la maison CM : 3h TD : 4h SÉQUENCE 3 : LES CHAUDIERES INDUSTRIELLES 1- Présentation de l’objet du cours 2- Généralités sur les chaudières industrielles a- Chaudières à tubes fumées b- Chaudières à tube d’eau 3- Présentation de diagramme 4- T.D : Quelques exercices à faire à la maison CM : 3h TD : 4h SÉQUENCE 4 : TRAVAUX PRATIQUES 1- Présentation du cahier de TP 2- Exercices et description de l’objet des TPE CM : 6h TP : 4h 3 SOURCES DOCUMENTAIRES 1- Aide-mémoire Thermodynamique de l’ingénieur. Francis Meunier. Collection DUNOD. 2- Installations thermique motrices. Joseph MARTIN et Pierre WAUTERS. Deuxième édition revue. Collection DUC. 3- Introduction aux transferts thermiques. Jean-luc Battaglia, Andrzej Kusiak, Jean-Rodolphe Puiggali. 4- Initiation aux transferts thermiques J.F Sacadura. Collectif TEC et DOC. 1993 5- Systèmes énergétiques- offre et demande d’énergie : méthodes d’analyse. Pierre Verstracte, Gérard Sarlos et Pierre André Haldi, Collection Traité de Génie civil de l’école polytechnique fédérale de Lausanne 2003 ; 4 Table des matières FICHE DE PROGRESSION 4 SOURCES DOCUMENTAIRES 5 Chapitre 1 : Les échangeurs thermiques 8 1.1. Rappels de thermodynamique appliquée 8 1.1.1. Introduction 8 1.1.2. Définition 8 1.1.3. Chaleur et température 9 a. Chaleur sensible 9 b. Chaleur latente L (Lv ou Lf) 9 1.1.4. Énergie interne 10 1.2. Rappels de transfert thermique 12 1.2.1. Introduction 12 1.2.2. Définitions 12 1.2.2.1. Champ de température 12 1.2.2.2. Gradient de température 12 1.2.2.3. Densité de flux de chaleur 13 1.2.2.4. Flux de chaleur 13 1.2.3. Différents modes de transferts de chaleur 13 1.2.4. Transfert de chaleur par conduction 13 1.2.5. Transfert de chaleur par convection 14 1.2.6. Transfert thermique par rayonnement 14 1.2.7. Propriétés des matériaux 15 1.2.7.1. Conductivité thermique 15 1.2.7.2. Diffusivité thermique 15 1.2.7.3. Viscosité 15 1.2.8. Etablissement d’un bilan thermique 16 1.2.9. Exercice d’application: 17 1.2.9.1. Enoncé 17 1.2.9.2. Solution 17 1.3 Technologies des échangeurs de chaleur 18 1.3.1. Principe général 18 1.3.2. Configurations géométriques 19 1.3.2.1 Echangeurs à tubes et calandres 19 1.3.2.2. Echangeurs tubulaires coaxiaux 19 1.3.2.3 Echangeurs à courants croisés 20 1.3.2.4. Echangeurs à plaques 20 1.3.3. Calcul des échangeurs 21 1.3.3.1. Evaluation de l’efficacité d’un échangeur de chaleur par la méthode de la MLDT 21 1.3.3.2. Méthode du nombre d’unités de transfert (NUT) 23 TRAVAUX DIRIGES SUR LES ECHANGEURS 25 Chapitre 2 : Eléments de combustion industrielle 27 2.1. Généralités 27 2.2. Notions sur les combustibles. 28 2.2.1. Nature et composition 28 2.2.2. Caractéristiques des combustibles 28 2.2.3. Equations de combustion 30 2.2.3.1. Equations chimiques de base : 30 2.2.3.2. La combustion neutre ou combustion stœchiométrique 30 2.2.3.3. La combustion oxydante ou combustion avec excès d’air 31 2.2.3.4. Combustion réductrice ou combustion avec défaut d’air ou mixte. 31 2.2.4. Grandeurs caractéristiques de la combustion 32 2.2.4.1. Les grandeurs stœchiométriques 32 2.2.5. Les caractéristiques en combustion oxydante ou réelle 34 5 2.3. Enthalpie et chaleur de réaction 35 2.3.1. Application du premier principe de la thermodynamique 35 2.3.2. Enthalpie standard de formation 35 TRAVAUS DIRIGES SUR LES ELEMENTS DE COMBUSTION INDUSTRIELLE 37 Chapitre 3 : Les chaudières industrielles 42 3.1. Généralités sur les chaudières à combustible. 42 3.1.1. Les chaudières à tubes de fumées 42 3.1.2. Les chaudières à tubes d’eau. 43 3.1.3. Aperçu des éléments d’une chaudière : cas des chaudières LOOS 44 3.1.4. Utilisation et distribution de la vapeur. 49 3.1.5. Eléments de maintenance d’une chaudière 50 TRAVAUX DIRIGES SUR LES CHAUDIERES 63 CAHIER DE TRAVAUX PRATIQUES 65 Chapitre 1 : Les échangeurs thermiques 1.1. Rappels de thermodynamique appliquée 1.1.1. Introduction La thermodynamique est une science jeune du 19° siècle qui sert à décrire un système à l'aide d'un petit nombre de paramètres. La thermodynamique nous permettra l'étude: ✔des propriétés thermiques des corps (calorimétrie- échange de chaleur) ; ✔des changements d'états des corps (production de vapeur, séchage, concentration) ; ✔des bilans énergétiques (bilan sur un échangeur) ; ✔du mode de fonctionnement des machines thermiques (machine frigorifique, pompe à chaleur). 1.1.2. Définition Un système est une portion de l'univers dont on veut faire l'étude. Les variables d'état sont les paramètres définissant l'état du système (pression, volume, température, quantité de matière). Elles sont reliées par des équations d'état. Un système ouvert peut échanger de l'énergie mais pas de la matière. Un système isolé ne peut échanger ni énergie, ni matière. Une fois l'état du système définit, celui-ci peut évoluer. Il existe différents types d'évolution: ✔Isotherme: transformation à température constante (T= cte), ✔Isochore: transformation à volume spécifique constant (V=cte), ✔Isobare: transformation à pression constante (P=cte), ✔Adiabatique: transformation sans échange de chaleur (Q=0). Pour les gaz parfaits, il est à rappeler la validité de l'équation d'état : p.V =n RT. 6 Les évolutions du système sont représentées sur des diagrammes d'état, dont la représentation la plus courante est celle de Clapeyron p=f (V ). On peut également utiliser le diagramme de Mollier ou diagramme enthalpique p=f (h) et aussi le diagramme entropique T=f (s). Dans certains cas, le système peut atteindre son équilibre. Un système est dit en équilibre thermodynamique lorsque toutes ses variables d'état restent constantes au cours du temps. On définit les équilibres suivants: ✔Equilibre mécanique: aucun déplacement de matière, soit à l'intérieur du système, soit entre le système et le milieu extérieur. ✔Equilibre thermique: la température reste la même au cours du temps. ✔Equilibre chimique: ni changement de structure interne, ni transfert de matière. 1.1.3. Chaleur et température Les quantités de chaleur Q cédées ou gagnées par un système se déterminent à partir de l'importance des effets provoqués. L'unité est le joule (J) ou son multiple kilojoule (1kJ =103J). a. Chaleur sensible A partir de changement de température: la quantité de chaleur échangée est proportionnelle à l'écart de température (∆T ) et la masse (m) du corps qui a subit ce changement de température. Il faut des quantités de chaleur différentes pour faire subir un même changement de température à une même masse de corps différents. Chacun a en effet une chaleur massique (c) définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température d'une masse du corps considérée égale à 1 Kg. La quantité de chaleur échangée est donc égale, en valeur absolue à: Q=m.c.∆T m = masse (Kg), c = chaleur massique (J/Kg/°C), ∆T = variation de température (°C) Si on utilise non la masse mais la quantité de matière (mole), cette relation devient: Q=n.c .∆T m = masse (Kg), c = chaleur molaire (J/mol/°C), ∆T = variation de température (°C). 7 b. Chaleur latente L (Lv ou Lf) Le changement d'état d'un corps pur nécessite un apport de chaleur sans changement de température. La chaleur Latente est donc la chaleur qu'il faut fournir à la masse unité du corps étudié (ou qu'elle cède) pour changer d'état (à température constante). Pour un corps de masse m : Q=m L ( chaleur latente) Figure 1.1 : changement d’état des corps purs Remarque: On utilise aussi en unités usuelle la Calorie. On a définie 1 Kcal = 4,18 KJ1 Kcal est l'énergie nécessaire pour amener 1 Kilo d'eau de 14,5°C à uploads/Industriel/ technologie-et-maintenance-des-circuit-fluidique.pdf