Compte Rendu Sur Les Echangeurs de Chaleur

Echang Ech angeur eur de Cha Chaleu leurr : Un échangeur de chaleur est e st un dispositif permettant de transférer de l’énergie thermique d’un uide vers un autre, aut re, sans les mélanger. mélanger. Le ux thermique traverse la surface d’échange qui sépare les uides, une paroi qui est le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur.  Le uide chaud se refroidit refroidit au contact du uide froid et le uide froid se réchaue au contact du uide chaud jusqu' ce que l’équili!re l’équili!re thermique entre entre les deux milieux soit o!tenu " c’est le principe #éro de la thermod$namique sur lequel le mode opératoire des échangeurs de chaleur est principalement !asé. La plupart du temps, on utilise u tilise cette méthode pour refroidir ou réchauer un liquide ou un ga# qu’il est impossi!le ou di%cile de refroidir refroidir ou chauer directement, par exemple l’eau d’un circuit primaire de refroidissement, refroidissement, d’une centrale nucléaire. L’échangeur de chaleur le plus commun est celui  plaques. &e nouveaux échangeurs  ls ns permettent des échanges eau ( air  tr)s fai!les écarts de température en chauage ou refroidissement refroidissement

*n le voit, le principe général est simple mais il donne lieu  un grand nom!re de réalisations &iérentes par la conguration géométrique, la quantité de chaleur transférée dépend de la surface d’échange entre les deux uides mais aussi de nom!reux autres param)tres param)tres comme + les températures d’entrée d’entrée et des caractéristiques thermiques des uides chaleurs spéciques, conductivité thermique- des uides ainsi que des coefcients d’échange par convection. e dernier param)tre dépend fortement de la conguration des écoulements et une étude précise doit faire appel  la mécanique des uides.

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schéma général général d’un échangeur de de chaleur chaleur

*n peut avoir diérentes dispositions des uides dans un échangeur de chaleurs.

- À courant Co-courant:  les deux uides sont disposés parall)lement et vont dans le m/me sens.

- À contre courant: idem, mais les courants vont dans des sens opposés. - À courant croisé: les deux uides sont positionnés perpendiculairement. -À tête dépingle : un des deux uides fait un demi0tour dans un conduit plus large, que le deuxi)me uide traverse. ette conguration est compara!le  un échangeur  courant parall)le sur la moitié de la longueur, et pour l’autre moitié  un échangeur  contre courant. L’échange de chaleur se fait de diérentes fa1ons + - par conduction  qui est un mode de transfert thermique provoqué par une diérence de température entre deux régions d'un m/me milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement glo!al de mati)re. 2lle peut s'interpréter comme la transmission de proche en proche de l' agitation thermique + un atome ou une molécule- c)de une partie de son énergie cinétique  l'atome voisin.

- par convection qui est un mode de transfert qui implique un déplacement de mati)re dans le milieu, par opposition  la conduction thermique. La mati)re est advectée par au moins un uide.

- par rayonnement le transfert se fait par ra$onnement électromagnétique. 3uelle que soit sa température, un corps émet un ra$onnement thermique, celui0ci est plus ou moins intense selon cette température. La longueur d'onde  laquelle est émise ce ra$onnement dépend aussi de cette température. 4insi, le

ra$onnement thermique émis par le 5oleil est situé principalement dans le visi!le. &es corps plus froids comme les mammif)res émettent quant  eux dans l'infrarouge.

Etude bibliographique 6l $ a plusieurs t$pes d’échangeurs thermiques+

- Echangeur à plaques:

L'échangeur  plaques est composé d'un grand nom!re de plaques disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d'un petit espace o7 circulent les uides.  Les plaques d'échange sont désormais standardisées et elles sont réalisées en acier inox$da!le, en nic8el, et également en !ron#e. haque uide, une fois connecté, circule respectivement de deux plaques en deux plaques et  contre0courant an d’optimiser l’échange. *n ne peut pas dépasser des pressions supérieures  9: 4tm et des températures supérieures  ; Brande surface de contact > Large passage > 2ncom!rement réduit > 2xcellent condenseur > 4utonetto$ant

$C%VE$E!#

> Con démonta!le > 2carts de température limités

- Echangeur à ailettes: Un échangeur  ailettes est un échangeur relativement simple il est constitué d’un conduit c$lindrique ou rectangulaire sur lequel sont xées des lames métalliques de diérentes formes. Le uide de refroidissement est en général l'air am!iant. *n utilise également ce t$pe d'installation pour refroidir les moteurs de voiture ou encore les moteurs en tout genre.

AVA!A"E#

> Don rendement > Aeut prendre des formes précises

$C%VE$E!# > raint les chocs

- Echangeur à bloc

 L'échangeur  !loc consiste en un !loc d'une mati)re thermiquement conductrice percée de multiples canaux dans lesquels circulent deux uides. il est réservé  des applications particuli)res, composé de 5ilicium parfois de graphite additionné a des pol$m)re 6l résiste aux environnement tr)s corrosifs tels que les acides forts, les organiques de !ase et chlorés comme l’acide sulfurique, l’acide phosphorique, E@, C4*E , El F 6l peut encore /tre composé de plusieurs parties empilées de mani)re  permettre les uides de passer d'une partie  une autre.

AVA!A"E# > Donne résistance chimique > 6nertie > Aeu de pertes thermiques > 2xcellent condenseur > Godula!le

$C%VE$E!# > 5ensi!le aux grands écarts de température > 5ensi!le aux chocs > oe%cients de transfert mo$en

Colonne de &ouhy La colonne de Douh$ est un dispositif thermod$namique original destiné au séchage de l'air comprimé par voie frigorique , c’est un échangeur  t/te d'épingle auquel a été ajouté un séparateur air(eau centrifuge dans la partie

inférieure e dispositif particuli)rement original ore l'avantage de concentrer plusieurs fonctions dans un dispositif mono!loc, 2lle dispose de deux échangeurs coaxiaux, le premier servant  amener l'air en dessous de son point de rosée, le second servant  la fois  ramener l'air  une température convenant  son utilisation et surtout  augmenter l'e%cacité du refroidissement. 4insi elle dé!arrasse l'air comprimé de son humidité qui se concentre  la sortie du compresseur dans les m/mes proportions que le taux de compression de l'air. La tr)s forte concentration d'eau dans l'air comprimé est source d'importants dégHts dus  l'ox$dation du matériel, de pertur!ations dans les processus industriels et d'usure prématurée du matériel.

Echangeur a tube calendre

 Un échangeur de chaleur  tu!e est le t$pe le plus répandu dans les ra%neries de pétrole et d'autres procédés chimiques, 6l est adapté pour des applications de haute pression.

L’appareil est constitué d’un faisceau de tu!es, disposés  l’intérieur dune enveloppe dénommée calandre. Lun des uides circule  l’intérieur des tu!es et l’autre  l’intérieur de la calandre, autour des tu!es. *n ajoute en général des chicanes dans la calandre, qui jouent le rIle de promoteurs de tur!ulence et améliorent le transfert  l’extérieur des tu!es. 4 chaque extrémité du faisceau sont xées des !oites de distri!ution qui assurent la circulation du uide  l’intérieur du faisceau en une ou plusieurs passes. La calandre est elle aussi munie de tu!ulures d’entrée et de sortie pour le second uide qui circule  l’extérieur des tu!es- suivant le chemin imposé par les chicanes

Avantages : 0 résistent aux fortes pressions 0 pour toutes les puissances 0 économique 0 accepte des écarts de température 0 peut /tre utilisé en condensation partielle

$nconvénients : contraintes sur les tu!es di%culté de netto$ages  multitu!essensi!le  aux vi!rations

2n vu des contraintes mécanique su!i par l’échangeur de chaleur comme +

La Aression + les échanges thermiques concernent souvent les u ides sous pression, la structure de l’changeur doit résister a celle0ci la température + les diérences de temperature au sein des échangeurs peuvent entrainer des contraintes mécaniques dangereuses

Gais aussi des contraintes de process comme + Le volume alloué a l’échangeur qui peut imposer des modications dans le nom!re de passage de tu!es dans la calendre ou l’utilisation de montage en parall)le et en série. Le changement de phase + certains échangeurs ont pour fonction de faire évaporer un uide, &ans ce cas il faut prévoir un volume su%sant pour ce changement de phase et une sortie par le haut pour la vapeur. Une normalisation a été xée pour diriger la fa!rication.

Conclusion : la conception des échangeurs impose en général des compromis pour répondre au mieux  toutes ces contraintes et il convient de toujours terminer la démarche de conception par un calcul de validation.