Echangeur Thermique 2 En

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Les échangeurs thermiques

Support de cours : p pprovisoire Copie 2eme année Génie Energétique 2015/2016

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Sommaire 1. Introduction. 2. Critères de classement des échangeurs de chaleur. 3. Technologie générale. 4. Méthode d’évaluation des performances. 4.1. Méthode de DLMT. 4.2. Méthode NUT. 5. Coefficient D’échange. 6. Optimisation d’un échangeur.

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ETUDE DES ECHANGEURS DE CHALEUR 1. Introduction: Description: Un échangeur de chaleur est un système qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid à travers une paroi sans contact direct entre les deux fluides. Ils permettent le transfert de chaleur d'un d un fluide à un autre sans mélange. Les mécanismes de transfert thermique utilisés sont : la convection entre fluides et parois - la conduction à travers la paroi . Les échangeurs thermiques sont nécessaires dans plusieurs types d'industrie : Chauffage et Froid, Pétrochimie, Chimie, Distillerie, Agroalimentaire, Papeterie, Environnement. Exemples : radiateur d’automobile, évaporateur de climatiseur,

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2. Critères de classement des échangeurs 2.1. Classement technologique Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants :  Echangeurs à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires. Echangeurs à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire.  autres types d’echangeurs : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé. 2.2. Classement suivant le mode de transfert de chaleur Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.) mais souvent il y a un mode de transfert prédominant. 2.3. Classement suivant le procédé de transfert de chaleur Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur :  transfert sans stockage, donc en récupérateur, avec 2 ou n passages et un écoulement en général continu.  transfert avec stockage, donc en régénérateur, avec un seul passage et un écoulement intermittent. 4

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2.4. Classement fonctionnel Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase. Suivant le cas, on dit qu’on a un écoulement monophasique ou diphasique. Donc on a les cas suivants :  les deux fluides ont un écoulement monophasique.  un seul fluide a un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs. d  les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapo-condenseurs. 2.5.Classement suivant la compacité de l’échangeur La compacité est définie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur 2.6. Classement suivant la nature du matériau de la p paroi d’échange g On retient deux types de paroi :  les échangeurs métalliques: en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires.  les échangeurs non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc. 5

Le choix d’un échangeur de chaleur pour une application donnée dépend de nombreux paramètres : les propriétés physiques des fluides, leur agressivité, les températures ainsi que les pressions de service. Les contraintes d’encombrement et de maintenance doivent aussi être prises en compte, ainsi que les considérations économiques.

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3. Technologie des échangeurs 3.1 Echangeurs tubulaires coaxiaux les échangeurs tubulaires sont les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange et qui sont les plus répandus. g l’un des fluides circule dans le tube central tandis qque l’autre Dans cette configuration, circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes. On distingue deux types de fonctionnement selon que les 2 fluides circulent dans le même sens ou en sens contraire. Dans le premier cas on parle de configuration en co-courant. Dans le deuxième cas, on parle de configuration en contre-courant. On trouve assez souvent ce type d’échangeurs dans l’industrie frigorifique en particulier pour les condenseurs à eau ou encore les groupes de production d’eau glacée. On peut distinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, pour avoir une meilleure efficacité. Différentes catégories existantes  échangeur monotube  échangeur coaxial  échangeur multitubulaire 7

Echangeurs « double tube »

Co-courant

C t Contre-courant t

Les échangeurs à faisceaux tubulaires

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Échangeurs à tubes et calandre

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Echangeur a faisceaux tubulaires

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Échangeurs à tubes ailetés le cas de échangeurs gaz-liquide et liquide-gaz utilisés dans la récupération thermique sur les fumées ou les gaz chauds ou dans les différents systèmes thermodynamiques tels que pompes à chaleur ou groupes de réfrigération ; en génie climatique. Ces échangeurs sont appelés batteries à ailettes.

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Échangeurs à plaques

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Échangeurs avec un fluide changeant de phase L’un des deux fluides peut subir un changement de phase à l’intérieur de l’échangeur. C’est le cas des évaporateurs si le fluide froid passe de l’état liquide à l’état gazeux, ou des condenseurs si le fluide chaud se condense de l’état de vapeur à l’état liquide É Évaporateurs t tubulaires t b l i

On distingue les évaporateurs à tubes verticaux et ceux à tubes horizontaux Évaporation à l’extérieur de tubes

Évaporateurs noyés É Évaporateurs t à tubes t b arrosés é

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Évaporateurs tubulaires

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Condenseurs tubulaires

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Les échangeurs compacts à ailettes

Liquide-gaz 17

Échangeur Packinox (doc. Packinox)

Échangeur à spirale (doc. Spirec)

Échangeur lamellaire (doc. Alfa-Laval) 18

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Échangeur à caloducs Les échangeurs à caloducs sont le plus souvent utilisés pour des échanges gaz-gaz (récupération de chaleur des fumées industrielles, climatisation), mais aussi pour des échanges gaz-liquide, liquideliquide ou pour des générateurs de vapeur.

schéma de principe 19

4. Évaluation des performances thermiques d’un échangeur Pour l’étude d’un échangeur de chaleur, plusieurs disciplines interviennent: La thermique q Mécanique des fluides. Technologie des matériaux. Design.

On traite le coté thermique du problème ( en régime permanent). Pour cela on utilise deux méthodes:  Moyenne M logarithmique l ith i dde lla diffé différence de d température(DTLM). t é t (DTLM)  Nombres d’unité de Transfert (NUT) Dans la suite, on commence par l’étude des échangeurs tubulaires 20

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Position du problème Que ce soit un échangeur à tubes coaxiaux ou à plaques, et quelques soit la circulation de l’un des 2 fluides par rapport à l’autre, les équations mises en jeu sont similaires seules les résistances thermiques changent

Hypothèses Dans les calculs qui suivent, nous retenons les hypothèses suivantes : - Pas de pertes thermiques : la surface de séparation est la seule surface d’échange. - Pas de changement de phase au cours du transfert.

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4.1 Méthode de la différence logarithmique des températures Les échangeurs tubulaire à co-courant Si Tc et Tf sont les températures des deux fluides au droit de l’élément dS de la surface d’échange, le flux thermique dФ échangé entre les deux fluides à travers dS s’écrit:

Evolutions des températures le long d’échangeur

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Méthode de la différence logarithmique des températures Avec les hypothèses posées au début du problème Le flux de chaleur dФ transmis du fluide chaud au fluide froid à travers l’élément dS s’écrit dans le cas de l’échangeur à courants parallèles:

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Méthode de la différence logarithmique des températures

Le flux total échangé est exprimé aussi en fonction des températures dd’entrée entrée et de sortie des fluides., obtenu à partir d’un bilan:

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Méthode de la différence logarithmique des températures

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Méthode de la différence logarithmique des températures Les échangeurs tubulaires à contre-courant On constate que lorsqu’on augmente la surface d’échange la variation de la température dTf devient négative et puisqu’on puisqu on est dans les conditions l’écriture l écriture de l’égalité des flux devient:

La puissance thermique totale est:

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Différents cas co-courant

Distribution Di t ib ti des d températures t é t dans d un échangeur co-courant

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Méthode de la différence logarithmique des températures Si on introduit la grandeur:

La formulation de flux est la même:

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FLUX THERMIQUE MAXIMUM DANS UN ÉCHANGEUR On a observé que le fluide qui a le plus petit débit thermique unitaire accuse le changement de température le plus important. La plage de variation des températures dans l’échangeur étant généralement limitée par des contraintes pratiques, c’est donc de lui que dépend la quantité de chaleur maximale qui pourra être échangée, et l’on dit qu’il « commande le transfert ».. » Question: Jusqu’à quelle valeur peut aller cet écart de température Tmax? L’examen des courbes T = f ( x ) étudiées pour les échangeurs à courants parallèles va servir de support pour répondre à cette question.

Avec l’échangeur co-courant , l’écart maximum des températures dans l’appareil est : Tmax = Tce - Tfe

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Dans le cas de l’échangeur à contre-courant

Tmax = Tce - Tfe

un échangeur à contre-courant lorsque le fluide chaud commande le transfert

un échangeur à contre-courant le fluide froid commande le transfert

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4.2 Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT) Dans certains cas , la méthode DLTM demande un calcul itératif, par contre La méthode des nombres d’unité de transfert NUT permet un calcul direct. Cette méthode repose sur la notion de l’efficacité. Définition: On appelle nombre d d’unité unité de transfert noté NUT, le rapport adimensionnel NUT=KS/Cmin avec Cmin=(mCp)min

Efficacité d’un échangeur

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

Relation entre NUT et efficacité On considère le cas d’un échangeur tubulaire simple fonctionnant à contre courant et on suppose que le fluide chaud commande le transfert (Cf›Cc) (Cmin=Cc)

On pose

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

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On introduit deux nouvelles grandeurs sans dimension

c  c 

Tce  Tcs Tce  T fe T fs  T fe

efficacité relative coté fluide chaud

efficacité relative coté fluide froid

Tce  T fe

Il existe une relation simple entre c et f. Soit R le rapport des débits thermiques unitaires, qu’on appelle aussi facteur de déséquilibre.

R

C min C max

l’ensemble des cas possibles qu’on peut avoir :

Cmin=Cc on obtient Cmin=C f on obtient

  c 

Tce Tcs 1  f Tce Tfe R

  f 

Tfs Tfe Tce Tfe

1  c R

R

 f T fs  T fe   c Tce  Tcs

R

 c Tce  Tcs   f T fs  T fe

exprimer le flux thermique  dans l’échangeur = max d’où on a = Cmin(Tce-Tfe) ne fait intervenir que les températures des fluides à l’entrée 39

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4.3 Évaluation du coefficient d’échange global Pour pouvoir calculer la puissance thermique d’un échangeur à l’aide de la relation

Il est nécessaire de calculer le coefficient d’échange global défini par la relation suivante

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Évaluation du coefficient d’échange global

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Évaluation du coefficient d’échange global Remarque: Dans le calcul pratique on introduit des résistances thermique d’encrassement dans le coefficient d’échange global

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Estimation des coefficients d’échange par convection hc et hf

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Estimation des coefficients d’échange par convection hc et hf

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ÉVALUATION DU NUT ET DU FLUX TRANSFÉRÉ Etude des cas

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ÉCHANGEURS À CHANGEMENT DE PHASE

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Les réseaux d’échangeurs

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Références Bibliographiques

15. YVES JANNOT, Transfert thermique (LEPT-ENSAM de Bordeaux) 2003

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