Echangeur Thermique 2 En

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1. Introduction:

Description:Un échangeur de chaleur est un système qui permet de transférer un flux de chaleur d’unfluide chaud à un fluide froid à travers une paroi sans contact direct entre les deux fluides.Ils ermettent le transfert de chaleur d'un fluide à un autre sans mélan e. Les

ETUDE DES ECHANGEURS DE CHALEUR

mécanismes de transfert thermique utilisés sont : la convection entre fluides et parois - laconduction 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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2.1. Classement technologique

Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants : Echangeurs à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires.Echan eurs à la ues : à sur ace rimaire ou à sur ace secondaire.

2. Critères de classement des échangeurs

. 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 couplésdans la plupar t 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

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Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ouen régénérateur de chaleur : transfert sans stockage, donc en récupérateur, avec 2 ou n passageset un écoulement en généralcontinu. transfert avec stockage, donc en régénérateur, avec un seul passage et un écoulement intermittent.


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les échangeurs tubulaires sont les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de laparoi d’échange et qui sont les plus répandus.Dans cette configuration, l’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre

3.1 Echangeurs tubulaires coaxiaux

3. Technologie des échangeurs

circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes. On distingue deux types defonctionnement 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’échangeursdans l’industrie frigorifique en particulier pour les condenseurs à eau ou encore les groupesde production d’eau glacée.On peut distinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, pouravoir une meilleure efficacité.

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Différentes catégories existantes

échangeur monotube

échangeur coaxial échangeur multitubulaire

Echangeurs « double tube »

Co-couranton re-couran

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

Échangeurs à tubes ailetés

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Échangeurs à plaques

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Échangeurs avec un fluide changeant de phaseL’un des deux fluides peut subir un changement de phase à l’intérieur del’échangeur. C’est le cas des évaporateurs si le fluide froid passe de l’état liquide àl’état gazeux, ou des condenseurs si le fluide chaud se condense de l’état devapeur à l’état liquide

vapora eurs u u a res

On distingue les évaporateurs à tubes verticaux et ceux à tubes horizontaux

Évaporation à l’extérieur de tubes

Évaporateurs noyés

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vapora eurs u es arros s

Évaporateurs tubulaires

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Condenseurs tubulaires

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Les échangeurs compacts à ailettes

Liquide-gaz

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Échangeur Packinox (doc. Packinox)

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Échangeur à spirale (doc. Spirec)

Échangeur lamellaire (doc. Alfa-Laval)


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

Échangeur à caloducs

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schéma de principe

4. Évaluation des performances thermiques d’un échangeur

Pour l’étude d’un échangeur de chaleur, plusieurs disciplines interviennent:

La thermiqueMécanique des fluides.Technologie des matériaux.Design.

On traite le coté thermique du problème ( en régime permanent). Pour cela on utilise deuxméthodes:

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oyenne ogar m que e a rence e emp ra ure .

Nombres d’unité de Transfert (NUT)

Dans la suite, on commence par l’étude des échangeurs tubulaires


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Position du problème

Que ce soit un échangeur à tubes coaxiaux ou à plaques, et quelques soit lacirculation de l’un des 2 fluides par rapport à l’autre, les équations mises en

HypothèsesDans les calculs qui suivent, nous retenons les hypothèses suivantes :- Pas de pertes thermiques : la surface de séparation est la seulesurface d’échange.

- Pas de changement de phase au cours du transfert.

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Les échangeurs tubulaire à co-courant

Si Tc et Tf sont les températures des deux fluides au droit de l’élément dS de la surfaced’échange, le flux thermique dФ échangé entre les deux fluides à travers dS s’écrit:

4.1 Méthode de la différence logarithmique des températures

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 dSs’écrit dans le cas de l’échangeur à courants parallèles:

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Le flux total échan é est ex rimé aussi en fonction des tem ératures d’entrée et de

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sortie des fluides., obtenu à partir d’un bilan:


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On constate que lorsqu’on augmente la surfaced’échange la variation de la température dTf devientné ative et uis u’on est dans les conditions l’écriture


Les échangeurs tubulaires à contre-courant

de l’égalité des flux devient:

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La puissance thermique totale est:


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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 lechangement de température le plus important. La plage de variation des températures dansl’échangeur étant généralement limitée par des contraintes pratiques, c’est donc de lui quedépend la quantité de chaleur maximale qui pourra être échangée, et l’on dit qu’il «

..

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.

Question:

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

Dans le cas de l’échangeur à contre-courant

Tmax = Tce -T fe

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

un échangeur à contre-courantle 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 Laméthode des nombres d’unité de transfert NUT permet un calcul direct. Cetteméthode repose sur la notion de l’efficacité.

Définition: On a elle nombre d’unité de transfert noté NUT le

Efficacité d’un échangeur

rapport adimensionnel NUT=KS/Cmin avec Cmin=(mCp)min

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Méthode des nombres d’unité de transfert (NUT)

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Relation entre NUT et efficacité

On considère le cas d’un échangeur tubulaire simple fonctionnant à contre courant eton suppose que le fluide chaud commande le transfert (Cf›Cc) (Cmin=Cc)

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On pose


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On introduit deux nouvelles grandeurs sans dimension

fece

csce

cT T

T T

efficacité relative coté fluide chaud

fe fs T T

efficacité relative coté fluide froid

fece

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

max

min

C

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

f

csce

cT T 1Cmin=Cc on obtient

fe fs f T T R

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fece

cscec

Cmin=C f on obtient c fece

fe fs

f RT T

T T

1

fe fs

csce

f

c

T T

T T R

exprimer le flux thermique dans l’échangeur = maxd’où on a = Cmin(Tce-Tfe) ne fait intervenir que les températures des fluides à l’entr ée

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Pour pouvoir calculer la puissance thermique d’un échangeur à l’aide de la relation

4.3 Évaluation du coefficient d’échange global

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

Évaluation du 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

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

Documents

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