Echang Ech angeur eur de Cha Chaleu leurr : Un échangeur de chaleur est e st un dispositif permettant de transférer de l’énergie thermique d’un uide vers un autre, aut re, sans les mélanger. mélanger. Le ux thermique traverse la surface d’échange qui sépare les uides, une paroi qui est le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. Le uide chaud se refroidit refroidit au contact du uide froid et le uide froid se réchaue au contact du uide chaud jusqu' ce que l’équili!re l’équili!re thermique entre entre les deux milieux soit o!tenu " c’est le principe #éro de la thermod$namique sur lequel le mode opératoire des échangeurs de chaleur est principalement !asé. La plupart du temps, on utilise u tilise cette méthode pour refroidir ou réchauer un liquide ou un ga# qu’il est impossi!le ou di%cile de refroidir refroidir ou chauer directement, par exemple l’eau d’un circuit primaire de refroidissement, refroidissement, d’une centrale nucléaire. L’échangeur de chaleur le plus commun est celui plaques. &e nouveaux échangeurs ls ns permettent des échanges eau ( air tr)s fai!les écarts de température en chauage ou refroidissement refroidissement
*n le voit, le principe général est simple mais il donne lieu un grand nom!re de réalisations &iérentes par la conguration géométrique, la quantité de chaleur transférée dépend de la surface d’échange entre les deux uides mais aussi de nom!reux autres param)tres param)tres comme + les températures d’entrée d’entrée et des caractéristiques thermiques des uides chaleurs spéciques, conductivité thermique- des uides ainsi que des coefcients d’échange par convection. e dernier param)tre dépend fortement de la conguration des écoulements et une étude précise doit faire appel la mécanique des uides.
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schéma général général d’un échangeur de de chaleur chaleur
*n peut avoir diérentes dispositions des uides dans un échangeur de chaleurs.
- À courant Co-courant: les deux uides sont disposés parall)lement et vont dans le m/me sens.
- À contre courant: idem, mais les courants vont dans des sens opposés. - À courant croisé: les deux uides sont positionnés perpendiculairement. -À tête dépingle : un des deux uides fait un demi0tour dans un conduit plus large, que le deuxi)me uide traverse. ette conguration est compara!le un échangeur courant parall)le sur la moitié de la longueur, et pour l’autre moitié un échangeur contre courant. L’échange de chaleur se fait de diérentes fa1ons + - par conduction qui est un mode de transfert thermique provoqué par une diérence de température entre deux régions d'un m/me milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement glo!al de mati)re. 2lle peut s'interpréter comme la transmission de proche en proche de l' agitation thermique + un atome ou une molécule- c)de une partie de son énergie cinétique l'atome voisin.
- par convection qui est un mode de transfert qui implique un déplacement de mati)re dans le milieu, par opposition la conduction thermique. La mati)re est advectée par au moins un uide.
- par rayonnement le transfert se fait par ra$onnement électromagnétique. 3uelle que soit sa température, un corps émet un ra$onnement thermique, celui0ci est plus ou moins intense selon cette température. La longueur d'onde laquelle est émise ce ra$onnement dépend aussi de cette température. 4insi, le
ra$onnement thermique émis par le 5oleil est situé principalement dans le visi!le. &es corps plus froids comme les mammif)res émettent quant eux dans l'infrarouge.
Etude bibliographique 6l $ a plusieurs t$pes d’échangeurs thermiques+
- Echangeur à plaques:
L'échangeur plaques est composé d'un grand nom!re de plaques disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d'un petit espace o7 circulent les uides. Les plaques d'échange sont désormais standardisées et elles sont réalisées en acier inox$da!le, en nic8el, et également en !ron#e. haque uide, une fois connecté, circule respectivement de deux plaques en deux plaques et contre0courant an d’optimiser l’échange. *n ne peut pas dépasser des pressions supérieures 9: 4tm et des températures supérieures ;<:=.
AVA!A"E# > ?r)s !on coe%cient d’échange > @ai!le encom!rement > Arix compétitifs > Aeu de pertes thermiques > 4ppareil pouvant /tre netto$é en place
$C%VE$E!#
> @ai!le écart de température possi!le > Aerte de charge importante > Aression de travail limitée
Echangeur à spirales:
Un échangeur de chaleur spiralé est un échangeur de chaleur circulaire doté de deux canaux spiralés concentriques, o7 les uides circulent contre0courant. 6l poss)de une capacité autonetto$ante garantissant un encrassement réduit. 6l ne peut travailler qu'avec des diérences de températures et de pression limitées.
AVA!A"E#
> Brande surface de contact > Large passage > 2ncom!rement réduit > 2xcellent condenseur > 4utonetto$ant
$C%VE$E!#
> Con démonta!le > 2carts de température limités
- Echangeur à ailettes: Un échangeur ailettes est un échangeur relativement simple il est constitué d’un conduit c$lindrique ou rectangulaire sur lequel sont xées des lames métalliques de diérentes formes. Le uide de refroidissement est en général l'air am!iant. *n utilise également ce t$pe d'installation pour refroidir les moteurs de voiture ou encore les moteurs en tout genre.
AVA!A"E#
> Don rendement > Aeut prendre des formes précises
$C%VE$E!# > raint les chocs
- Echangeur à bloc
L'échangeur !loc consiste en un !loc d'une mati)re thermiquement conductrice percée de multiples canaux dans lesquels circulent deux uides. il est réservé des applications particuli)res, composé de 5ilicium parfois de graphite additionné a des pol$m)re 6l résiste aux environnement tr)s corrosifs tels que les acides forts, les organiques de !ase et chlorés comme l’acide sulfurique, l’acide phosphorique, E@, C4*E , El F 6l peut encore /tre composé de plusieurs parties empilées de mani)re permettre les uides de passer d'une partie une autre.
AVA!A"E# > Donne résistance chimique > 6nertie > Aeu de pertes thermiques > 2xcellent condenseur > Godula!le
$C%VE$E!# > 5ensi!le aux grands écarts de température > 5ensi!le aux chocs > oe%cients de transfert mo$en
Colonne de &ouhy La colonne de Douh$ est un dispositif thermod$namique original destiné au séchage de l'air comprimé par voie frigorique , c’est un échangeur t/te d'épingle auquel a été ajouté un séparateur air(eau centrifuge dans la partie
inférieure e dispositif particuli)rement original ore l'avantage de concentrer plusieurs fonctions dans un dispositif mono!loc, 2lle dispose de deux échangeurs coaxiaux, le premier servant amener l'air en dessous de son point de rosée, le second servant la fois ramener l'air une température convenant son utilisation et surtout augmenter l'e%cacité du refroidissement. 4insi elle dé!arrasse l'air comprimé de son humidité qui se concentre la sortie du compresseur dans les m/mes proportions que le taux de compression de l'air. La tr)s forte concentration d'eau dans l'air comprimé est source d'importants dégHts dus l'ox$dation du matériel, de pertur!ations dans les processus industriels et d'usure prématurée du matériel.
Echangeur a tube calendre
Un échangeur de chaleur tu!e est le t$pe le plus répandu dans les ra%neries de pétrole et d'autres procédés chimiques, 6l est adapté pour des applications de haute pression.
L’appareil est constitué d’un faisceau de tu!es, disposés l’intérieur dune enveloppe dénommée calandre. Lun des uides circule l’intérieur des tu!es et l’autre l’intérieur de la calandre, autour des tu!es. *n ajoute en général des chicanes dans la calandre, qui jouent le rIle de promoteurs de tur!ulence et améliorent le transfert l’extérieur des tu!es. 4 chaque extrémité du faisceau sont xées des !oites de distri!ution qui assurent la circulation du uide l’intérieur du faisceau en une ou plusieurs passes. La calandre est elle aussi munie de tu!ulures d’entrée et de sortie pour le second uide qui circule l’extérieur des tu!es- suivant le chemin imposé par les chicanes
Avantages : 0 résistent aux fortes pressions 0 pour toutes les puissances 0 économique 0 accepte des écarts de température 0 peut /tre utilisé en condensation partielle
$nconvénients : contraintes sur les tu!es di%culté de netto$ages multitu!essensi!le aux vi!rations
2n vu des contraintes mécanique su!i par l’échangeur de chaleur comme +
La Aression + les échanges thermiques concernent souvent les u ides sous pression, la structure de l’changeur doit résister a celle0ci la température + les diérences de temperature au sein des échangeurs peuvent entrainer des contraintes mécaniques dangereuses
Gais aussi des contraintes de process comme + Le volume alloué a l’échangeur qui peut imposer des modications dans le nom!re de passage de tu!es dans la calendre ou l’utilisation de montage en parall)le et en série. Le changement de phase + certains échangeurs ont pour fonction de faire évaporer un uide, &ans ce cas il faut prévoir un volume su%sant pour ce changement de phase et une sortie par le haut pour la vapeur. Une normalisation a été xée pour diriger la fa!rication.
Conclusion : la conception des échangeurs impose en général des compromis pour répondre au mieux toutes ces contraintes et il convient de toujours terminer la démarche de conception par un calcul de validation.
