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Transfert de chaleur Chap 9 b - 1
Chapitre 9
Échangeurs de chaleur
(Deuxième partie)
Éléments de technologie des échangeurs tubulaires (TEMA)
Transfert de chaleur Chap 9 b - 2
Transfert de chaleur Chap 9 b - 3
Transfert de chaleur Chap 9 b - 4
Procédure de design
Définir:
La charge thermique q: chaleur échangée, perdue par le fluide chaud (ch) ou reçue par le fluide froid (fr):
Les températures et les débits des 2 fluides.
ch
i och P ch ch m C ( T - T ) q =
fr
o ifr P fr fr m C ( T - T )q =
Collecte des propriétés physiquesµ, ρ, k, CP
Estimé approximatif de départ de la surface d'échange nécessaire
Estimé du coefficient global U
CC
LM
qA
U T
Transfert de chaleur Chap 9 b - 5
Choix des caractéristiques d’un échan-geur ayant une surface A:
- d tube , longueur- Nombre de tubes A installée
'
t t
surfacelatéraled un tube
aire installée d L nombre detubes
- D calandre - Nombre de passes- Position des fluides.
Calcul des coefficients de transfert réels:
dans les tubes: p. 9.22
dans la calandre: p. 9.23(équations + jH fig. p. 9.25)
h
1
h
1
Ln
intencras.int
extencras.
int
intint0 r
r++
k
rr
r
+h
1+
h
1
r
r=
U
1 ext
extext
ext
ext
Calcul du coefficient global U vrai de l’échangeur choisi (p. 9.6 )
Transfert de chaleur Chap 9 b - 6
Calcul de la surface requise pour accomplir le travail
Comparaison entre A installée et A requise
si A installée ≈ A requise (ou A installée ≥ A requise)
la surface permet de faire l’échange souhaité.
si A installée< A requise , on recommence à l’étape (Choix des caractéristiques) jusqu’à convergence:
tCC
F requise
calculé LM
qA
U T
Si ∆Pcalculées > ∆Pallouées
on reprend depuis l’étape (Choix des caractéristiques) jusqu’à convergence.
Faire un design: Recherche de l’aire minimum avec, au plus, ∆Pcalculées ≈ ∆Pallouées
Remarque:Le meilleur design est celui qui, en utilisant au
mieux les pertes de charge allouées, minimise la surface installée
Calcul des pertes de charges et comparaison avec les ∆Pallouées (côté tube p. 9.22 et côté calandre, p. 9.24)
Transfert de chaleur Chap 9 b - 7
Information supplémentaire sur les caractéristiques des échangeurs
Épaisseur des tubes numéro BWG (Birmingham Wire Gauge) 10, 12, 14, 16 et 18 qui augmente quand l'épaisseur diminue.
Le plus courant BWG 16
Diamètre extérieur des tubes¾ (po) ≤ dt ≤ 1 ½ (po)
LongueurGrandeurs disponibles sur le marché
6, 8, 10, 12, 16, 20 (pi)
page 9.17
Transfert de chaleur Chap 9 b - 8
Diamètre de la calandre: Fonction a) du nbre de tubes àinstaller b) du choix du pas (carré ou triangle) c)du nbre de
passes (voir p. 9.16) / t tnombre detubes aireinstallée d L
Diamètre de la calandreFonction du nombre de tubes à
installer et du choix de pas(carré ou triangle ).
(voir p.9.16)
Position des fluides? dans la calandre ? dans les tubes
Considérations d’encrassement et de sécuritéConsidérations thermiques
Nombre de passes Côté tube (1, 2, 4, 6, … ) (effet sur la vitesse)Côté calandre (1 ou 2)
Transfert de chaleur Chap 9 b - 9
Nombre de chicanes
Dépend de l’espacement des chicanes.
Dc ≤ IB ≤ Dc
5
Dc IB minimum
Dc ≤ 10" 2"
10" < Dc ≤ 30" 0,2 Dc
30" < Dc ≤ 60" 6"
Dc > 60" 0,1 Dc
Choix de l’ouverture des chicanes: (baffle-cut) 15 % 25% 35% 45 %
Choix de l’ouverture des chicanes: (baffle-cut)
15 % 25% 35% 45 %
Transfert de chaleur Chap 9 b - 10
Calcul des coefficients h dans les tubes (p 9.22)
Projet: pour les premières itérations, on peut négliger 0.14
w
' tube
nombre total detubesdébit massique total section interne d un tube V
nombre de passes
2
/4
t ttube
P
n dV m
n
0.1410.8 30.027t
W
h dNu Re Pr
k
attention: pour le calcul de la vitesse dans les tubes
Calcul des pertes de charges : côté tubes p 9.22
•La perte de charge résulte de la friction dans les tubes (de longueur Lt ) et des pertes de charges singulières dans les bouts de la calandre (contraction, expansion, changement de direction):
0.14 2
4 2.52
t tP t
t W
L VP n f
d
0.25 40.079 2.10t d df Re pour Re 0.2 40.046 2.10t d df Re pour Re
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Calcul des coefficients h dans la calandre p 9.23(méthode Kern - méthode Bell)
Calcul des coefficients dans la calandre
Transfert de chaleur Chap 9 b - 12
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Coefficient global U moyen
a) En utilisant des températures moyennes pour chaque fluide hint, hext, …
Ln
cc
chfr
frchLM
chaudfroidfroidchaudmoyen
TU
TUT
TUTU=U
Où cc : contre-courant pur
00
int ext0 0f f
0 int
Ln
R + + Ri
i i ext
rr
r r r1 1 1= + +
U r r h k h
b) Si les propriétés changent avec la température et si on suppose que U varie linéairement avec (∆T) alors on peut définir (voir Ex 9.3 p. TDEX 9.2):
Ln
cc
chfr
frchLM
chaudfroidfroidchaudmoyen
TU
TUT
TUTU=U
chaud
froid
∆Tfr
∆Tch
Contre-courant pur
fr
ch
frchccLM
T
T
TT=T
Ln
)( )(
00
int ext0 0f f
0 int
Ln
R + + Ri
i i ext
rr
r r r1 1 1= + +
U r r h k h
Transfert de chaleur Chap 9 b - 14
Ft aide à déterminer le nombre de passes requises:
Ft > 0.85 ; il faut seulement 1 passe côté calandre Ft < 0.85 ; il faut au moins 2 passes côté calandreFt = 1 ; contre-courant pur
tCC
q
Frequisemoyen LM
AU T
Calcul des températures de paroi pour les termes
On se place aux deux extrémités de l’échangeurs (coté chaud et coté froid) et pour chaque région on applique:
q" ( ) ( )Wt cal t t t= U T T h T T
0.14
w
chaud
froid
∆Tfr
∆Tch
q" ( ) ( )Wt cal cal cal cal=U T T h T T
Transfert de chaleur Chap 9 b - 15
Coûts des échangeurs de chaleurs
http://www.matche.com/EquipCost/Exchanger.htm
Pour le dimensionnement des échangeurs dans le projet no 2, vous
utiliserez le logiciel (feuille Excel + code Visual-Basic)
il existe de nombreux logiciels commerciaux ( .. $)pour le design des échangeurs
TEMA http://www.tema.org/
HTRI http://www.htri.net/
