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Quelques types d’échangeurs
Dans les sociétés industrielles, l’ échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l’énergie. Une grande part (90 %) de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels transite au moins une fois par un échangeur de chaleur, aussi bien dans les procédés-eux-mêmes que dans les systèmes de récupération de l’énergie thermique de ces procédés. On les utilise principalement dans les secteurs de l’industrie (chimie, pétrochimie, sidérurgie, agroalimentaire, production d’énergie, etc.), du transport (automobile, aéronautique), mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, etc.).
Le choix d’un échangeur de chaleur, pour une application donnée, dépend de nombreux paramètres : domaine de température et de pression des fluides, propriétés physiques et agressivité de ces fluides, maintenance et encombrement. Il est évident que le fait de disposer d’un échangeur bien adapté, bien dimensionné, bien réalisé et bien utilisé permet un gain de rendement et d’énergie des procédés.
Dimensionnement d’un échangeur de chaleur
Le but d’un échangeur de chaleur est de transférer de la chaleur entre un fluide de service (eau, vapeur d’eau, fluide thermique) et un fluide procédé qui constitue le produit intéressant de la fabrication. Dans la pratique deux cas généraux se produisent: l’échangeur disponible étant connu (type, surface), on veut savoir s’il peut convenir pour fournir ou enlever un flux de chaleur déterminé à un fluide procédé dont on connaît le débit et les températures d’entrée et de sortie qui sont imposées. On calcule .alors par un bilan thermique le débit de fluide de service qui permettra d’effectuer ce transfert à partir des températures ‘d’entrée et de sortie de ce fluide (imposées dans la pratique si on utilise de l’eau du réseau). Il est alors possible de déterminer le coefficient de transfert thermique global (h) nécessaire. On vérifie ensuite que le coefficient (h) calculé à partir des relations de transferts thermiques (calculs entre autres des coefficients de convection) est bien supérieur à celui déterminé à partir des données générales sur les fluides et la surface totale de l’échangeur.
on souhaite calculer l’échangeur qui permettra de fournir ou enlever à un fluide procédé un certain flux de chaleur (débit, températures d’entrée et de sortie connus du fluide procédé). On raisonne comme plus haut concernant le fluide de service et il devient alors possible de déterminer la surface d’échange nécessaire en estimant a priori un coefficient de transfert thermique global (h). On vérifie alors aussi par des calculs si la valeur de (h) supposée est correcte. Dans ces deux cas, si les solutions ne conviennent pas il faut reprendre les calculs depuis le début en modifiant les hypothèses jusqu’à obtenir une solution satisfaisante. Cette procédure itérative est actuellement réalisée par des programmes informatiques.
Modes de fonctionnement des échangeurs
On se place pour simplifier dans le cas d’un échangeur type Liebig de longueur L avec deux tubes concentriques. Le fluide froid circule dans le tube intérieur et le fluide chaud dans le tube extérieur. Les fluides froid et chaud sont respectivement définis par les grandeurs suivantes: débits massiques (Q’ et Q), chaleurs massiques moyennes (cp’ et cp) et températures d’entrée ( θo’ et θo) et de sortie ( θ1′ et θ1). Deux types de circulation sont possibles:
circulation à courants parallèles ou co-courant (ou anti méthodique) ; circulation à contre-courant (ou méthodique).
Le fonctionnement à courants parallèles est possible seulement si θ1 > θ1′ ; dans le cas contraire l’échange n’est pas possible avec ces températures de sortie. Dans le fonctionnement à contre-courant la différence de température entre les deux fluides est à peu près constante dans l’échangeur. La température de sortie du fluide froid peut parfaitement être supérieure à la température de sortie du fluide chaud . L’échange à contre-courant permet l’échange d’une plus grande quantité de chaleur qu’à co-courant: il· est donc le: plus utilisé. Néanmoins dans le cas de produits thermosensibles la circulation à co-courant e.st préférable en effet la température du fluide procédé à réchauffer est toujours plus éloignée de la température du fluide de service ce qui diminue les risques de surchauffe locale dues à des températures de paroi élevées.
Les échangeurs tubulaires
Pour des raisons historiques et économiques, les échangeurs utilisant les tubes comme constituant principal de la paroi d’échange sont les plus répandus. On peut distinguer deux catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réalisés pour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée.
Echangeur monotube : Dans lequel le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin.
Échangeur coaxial : Dans lequel les tubes sont le plus souvent cintrés ; en général, Je fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur.
Échangeur multitubulaire
Échangeur à tubes séparés : À l’intérieur d’un tube de diamètre suffisamment petit (de l’ordre de 100 mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à mm) maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être soit rectiligne, soit enroulé .
Échangeur à tubes rapprochés : Pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour le fluide extérieur au tube, on place un ruban-enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. Les tubes s’appuient les uns sur les autres par l’intermédiaire des rubans.
Échangeur à tubes ailettes : Ces tubes permettent d’améliorer le coefficient d’ échange thermique; différents types d’ailettes sont toutefois présentés si contre.
Echangeur à tube et calendre:
Echangeur de chaleur à tête flottante : L’une des plaques tubulaires est fixe, bloquée entre les brides de la calandre et de la boîte de distribution. La seconde plaque, d’un diamètre inférieur, porte la boîte de retour et peut coulisser librement à l’intérieur du capot qui ferme la calandre . Echangeur à plaque tubulaires fixes : Dans ce cas, les plaques tubulaires peuvent être directement soudées sur la calandre . Echangeur à tubes en U : Le faisceau est constitué de tubes coudés en forme d’épingle, il n’est donc porté que par une seule plaque tubulaire. Ce système permet la libre dilatation du faisceau. En revanche, le nettoyage des tubes est difficilement réalisable autrement que par voie chimique .
Table des matières
INTRODUCTION ET GENERALITES
Chapitre 1- ETUDE DU COMPORTEMENT DES ECHANGEURS
1-1/ Etude Bibliographique
1-2/ Quelques types d’ échangeurs
1.2.1 Types d’ échangeurs
1.2.1.1 Les échangeurs tubulaires
1.2.1.1.a) Echangeur monotube
1.2.1.1.b) Échangeur coaxial
1-3/ Dimensionnement d’un échangeur de chaleur
l -3-a) Généralités
1-3-b) Modes de fonctionnement des échangeurs
Chapitre 2- MODELISATION MATHEMATIQUE
2-1/ Hypothèses simplificatrices
2-2/ Formulation vectorielle des équations de Navier Stokes
2-3/ Formulation des équations en coordonnées cylindriques
2-4/ Vorticité-fonction de courant
2-5/ Formulation des conditions atLX limites
2-6/ Théorie de l’adimensionnalisation
2-6-11 Adimensionnalisation des équations
2-6-2/ Adimensionnalisation des conditions aux limites
2-7/ Nombre de Nusselt
2-7-a) Valeur locale du nombre de Nusselt
2-7-b) Nombre de Nusselt moyen
Chapitre 3- MODELISATION NUMERIQUE
3.1/ Le maillage
3.2/ Discrétisation des équations adimensionnelles
3.3/ Méthode de résolution
3.4/ Le processus de calcul
Chapitre 4- RESULTATS ET DISCUSSIONS
4-1/ Validations résultats
4-1/ Discussion des résultats
4-1-1/ Isothermes et lignes de courant
4-1-l-1/ Lignes de courants
4-1-1-2/ Isothermes
CONCLUSION GENERALE
REFERENCE BIBLIOGRAPIDQUE
