e Changeur de Chaleur

Ecole Nationale de l’Industrie Minérale

Mini-projet :

Dimensionnement D’un échangeur 

à plaques

Sommaire Introduction Présentation générale d’un échangeur à plaques

Principe Avantages – Désavantages Avantages Désavantages Dimensionnement d’un échangeur de chaleur à plaques

Hypothèses de travail :

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Introduction

Un échangeur de chaleur est un dispositif permettant de transférer de l 'énergie thermique d'un fluide vers un autre, sans les mélanger. Le flux thermique traverse la surface d'échange qui sépare les fluides. La plupart du temps, on utilise cette méthode pour refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu'il est impossible ou difficile de refroidir ou chauffer directement, par exemple l'eau d'un circuit primaire de refroidissement, d'une centrale nucléaire. L'échangeur de chaleur le plus commun est celui à plaques. De nouveaux échangeurs à fils fins permettent des échanges eau/air à très faibles écarts de température en chauffage ou refroidissement. s’intéress er au dimensionnement d’un d’u n échangeur à plaques. Dans notre mini- projet on va s’intéresser

Présentation générale d’un échangeur à plaques

Principe L'échangeur de chaleur est constitué de plaques de faible épaisseur. Le matériau utilisé pour la fabrication des plaques est variable, ce peut être du verre (il est insensible à la corrosion mais est lourd et cassant) ou bien de l'aluminium, de l'acier inoxydable ou un matériau synthétique.

Les plaques sont assemblées entre elles par collage ou soudage et placées dans un châssis rigide. L'épaisseur d'une plaque oscille généralement entre 0,1 et 0,8 mm, la distance entre les plaques est très faible, entre 5 et 10 mm, et les courants sont généralement croisés. Afin de maximiser l'échange convectif, les plaques peuvent être gaufrées et créer de la sorte une turbulence.

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En faisant varier la dimension des plaques et leur nombre, on peut obtenir de multiples variantes. On peut également : Augmenter la longueur de l'échangeur ce qui à la place d'un échange classique à courants croisés autorise un échange mixte à courants croisés et contrecourant. On parle d'échangeur à plaque double. Monter en série deux échangeurs de chaleur fonctionnant là aussi en courants croisés / contre-courant. Si les échangeurs de chaleur sont montés en série, les circulations des veines d'air sont telles que les raccordements tant de l'air neuf que de l'air repris restent au même niveau, ce qui est toujours préférable. Pour prévenir une surchauffe, la récupération de chaleur doit pouvoir être interrompue en été ou en mi-saison : un by-pass devra être prévu. Lorsque les surfaces de l'échangeur sont suffisamment froides (température inférieure à la température de rosée de l'air extrait), la vapeur d'eau contenue dans l'air extrait se refroidit et se condense, ce qui a pour conséquence l'augmentation du transfert de chaleur. Pour éliminer la condensation, les plaques sont souvent placées verticalement. Les groupes doivent alors être superposés, et des contraintes d'emplacement apparaissent. apparaissent. Pour des températures extérieures très basses, les condensats peuvent même geler. Pour éviter ces problèmes de gel et de surchauffe une régulation est donc à prévoir. De même, vu les risques d'encrassement, des filtres sont à prévoir, tant sur la veine d'air neuf  que sur la veine d'air repris. L'encrassement de l'installation pouvant provoqué outre une diminution de la transmission de chaleur, également un changement dans le type d'écoulement d'air. Il faut donc prévoir un entretien régulier du récupérateur.

Avantages - Désavantages Avantages       

Simple et fiable, grande durée de vie et pratiquement pas de panne, absence de pièces en mouvement, sécurité de fonctionnement, peu de maintenance nécessaire, faible risque de contamination de l'air frais en cas de bonne conception, exécution en divers matériaux et nombreuses combinaisons possibles, la solution la plus adaptée (rentabilité) aux petits débits d'air (< 5 000 m³/h ). 3

Désavantages  

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Disposition Air neuf/Air rejeté proche, sans by-pass, il n'y a pas de régulation de température et donc un risque de surchauffe en été, danger de givre par température extérieure basse et par dépassement du point de rosée, il faut être attentif à la régulation si on souhaite tenir compte du récupérateur pour dimensionner les chaudières et les batteries de chauffe, l'échangeur présente une perte de charge relativement importante, surtout à de grands débits, en cas de panne des équipements mal conçus peuvent être source de bruit ainsi que de fuites et donc de contamination.

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur à plaques Données Dans notre étude de cas, on a les données suivantes :

Méthanol 30°C 70°C

Eau 90°C

Avec un débit de 10Kg/h et une pression de 1bar .

Hypothèses de travail :

Les variations d'énergie cinétique cinétique et et potentielle sont négligeables ; Propriétés constantes ; Résistance thermique de plaque et d'encrassement sont négligeables ; La dimension extérieure d’échangeur de chaleur est chaleur est grande par rapport à la largeur de la fente.

Maintenant, c’est la phase de dimensionnement thermique proprement dite ; elle est destinée à fixer par le calcul la surface d’échange nécessaire au transfert de puissance sur les fluides considérés .Cette phase de calcul est le plus souvent itérative et permet d’appr ocher ocher par des essais successifs la solution qui semble la meilleure, à la fois du point de vue thermique et du 4

 point de vue hydraulique. L’aspect hydraulique concerne les pertes de pression (charge) sur  chaque circuit, et apparaît comme une contrainte au p roblème d’optimisation thermique. Algorithme de calcul :

Cette phase de dimensionnement thermique peut être manuelle ou effectuée à l’aide d’un outil informatique ; dans les deux cas, l’enchaînement itératif conduisant à répéter le calcul thermique après modification de certains paramètres géométriques est identique. La phase de dimensionnement thermique de l’échangeur n’est qu’une des étapes permettant d’arriver au dessin final, avec la phase de dimensionnement mécanique. Suite au calcul calcul thermique, certains logiciels proposent une phase d’estimation du coût de l’appareil ; cette estimation de coût de fabrication peut être chiffrée à partir des coûts unitaires  prix des composants, temps d’usinage, etc.), ou plus approximativement à partir partir du poids de l’appareil ou de sa surface d’échange. 5

Au centre de la phase de dimensionnement thermique se trouve le calcul thermique proprement dit. Méthode analytique

Plusieurs critères sont à considérer pour le dimensionnement d’un échangeur suivant suivant son utilisation. La puissance thermique est toujours la principale préoccupation, mais le choix définitif de l’échangeur peut dépendre d’autres paramètres tels que :  — les  — les pertes de pression ;  — l’encombrement  — l’encombrement ;  — la  — la masse ;  — l’encrassement  — l’encrassement ;  — une  — une température de paroi à ne pas dépasser ;  — les  — les matériaux utilisés ; Deux types de calcul thermique sont envisageables pour la caractérisation de l’échangeur :  —  la détermination de la surface d’échange S connaissant la puissance échangée et les températures températures d’entrée et de sortie des deux  —  la détermination des températures de sortie des fluides, connaissant leurs températures d’entrée et la surface d’échange

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