LES ECHANGEURS DE CHALEUR (cours de Pascal Tobaly 2002)
L’change de chaleur !ui se produit entre 2 corps !ui sont " des te#pratures diffrentes peut se faire selon $ #odes: - CONDUCTION : La chaleur se propage propage de proche en proche " tra%ers la #ati&re sans !u’il n’ait de transfert de cette derni&re. La conduction assure 'n bon transfert de chaleur " tra%ers les solides. - CONVECTION : dans un fluide fluide les diffrences de te#prature te#prature produisent produisent des diffrences diffrences de densit pou%ant a#ener " des #ou%e#ents de la #ati&re dits #ou%e#ents de con%ection - RAYONNEMENT : Les Les corp corpss #et #etten tentt de l’ne l’nerg rgie ie par par leur leur surfa surface ce sous sous for# for#ee des des radiations. ’est un #oyen !ui n’a pas besoin de support #atriel on le rencontre donc dans le %ide. Tous les corps transparents per#ettent " la chaleur de se propager ainsi. *ans *ans les instal installati lations ons industr industriel ielles les il est sou%en sou%entt ncessa ncessaire ire d’appo d’apporter rter une !uanti !uantit t de chaleu chaleurr i#portante " une partie du syst&#e. *ans la #a+orit des cas la chaleur est trans#ise " tra%ers un d"#er$e ralise par les changeurs changeur de chaleur. ,n esti#e " 90% la part des tras!erts d"#er$e de chaleur dans l’industrie.
& 'r(pe $##ral : Le pr(pe le pl)s $##ral (*sste + !are (r()ler de), !l)des + traers des (*d)ts .) les /ettet e (*ta(t ter/.)e. *e #ani&re gnrale les deu- fluides sont #is en contact ther#i!ue " tra%ers une paroi !ui est le plus sou%ent #talli!ue ce !ui fa%orise les changes de chaleur. ,n a en gnral un fluide chaud !ui c&de de la chaleur " un fluide froid. Les de), !l)des #(a$et de la (ale)r + traers la par* d"*1 le */ de l"apparel2 Le principal probl&#e consiste " dfinir une surface d’change suffisante entre les deu- fluides pour transfrer la !uantit de chaleur ncessaire dans une configuration donne. ,n %ient de le dire la !uantit de chaleur transfre dpend de la surface d’change entre les deu- fluides #ais aussi de no#breu- autres para#&tres ce !ui rend une tude prcise de ces appareils asse co#ple-e. Les flu- de chaleurs transfres %ont aussi dpendre : des te#pratures d’entre et des caractristi!u caractristi!ues es ther#i!ues ther#i!ues des fluides fluides (chaleurs (chaleurs spcifi!ues spcifi!uescondu conducti%it cti%it ther#i!ue) ther#i!ue) des fluides des coefficients d’change par con%ection.
’est de loin le type d’changeur le plus rpandu #ais la part !u’il reprsente ne cesse de di#inuer au profit de configurations plus efficaces. *ans ce type d’changeurs l’un des fluides circule dans un rser%oir autour de tubes !ui le tra%ersent tandis !ue l’autre fluide circule " l’intrieur des tubes. Le #od&le le pl)s s/ple sera (*stt)# d") r#ser*r das le.)el serapl*$# ) serpet . Le #od&le le plus courant est constitu d’un faisceau de tubes tra%ersant un rser%oir de #ani&re longitudinale. ,n parle alors d"#(a$e)r /)ltt)4)lare2 *es parois bien places per#ettent de forcer la circulation du fluide " tra%ers les tubes de #ani&re " ce !u’il effectue un ou #;#e plusieurs allerretours. 323 E(a$e)rs t)4)lares (*a,a), : *ans cette configuration l’un des fluides circule dans le tube central tandis !ue l’autre circule dans l’espace annulaire entre les deu- tubes. ,n distingue deu- types de fonctionne#ent selon !ue les 2 fluides circulent dans le #;#e sens ou en sens contraire. *ans le pre#ier cas on parle de configuration en cocourant (parfois appel " tort en parall&le). *ans le deu-i&#e cas on parle de configuration en contrecourant. ,n trou%e asse sou%ant ce type d’changeurs dans l’industrie frigorifi!ue en particulier pour les condenseurs " eau ou encore les groupes de production d’eau glace.
*ans ce type d’changeurs l’un des fluides circule dans une srie de tubes tandis !ue l’autre fluide circule perpendiculaire#ent autour des tubes. *ans la plupart des cas c’est un li!uide !ui circule dans les tubes tandis !ue c’est un ga !ui circule autour. Les tubes sont pres!ue tou+ours #unis d’ailettes !ui per#ettent d’aug#enter le flu- de chaleur change en aug#entant la surface d’change. L’e-e#ple type de ce #od&le d’changeur est le radiateur de refroidisse#ent !u’on trou%e " l’a%ant de la plupart des %hicules " #oteur. 326 E(a$e)rs + pla.)es
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Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Les changeurs " pla!ues sont constitus de pla!ues for#es dont les al%oles constituent les che#ins e#prunts par les fluides. les pla!ues sont asse#bles de fa
1. 6 4 5changeurs " pla!ues Les #(a$e)rs + pla.)es s*t tr8s )tls#s das l"d)stre a$r*al/etarepaste)rsat* d) lat ou l’industrie nuclaire. Les pla.)es s*t $##rale/et e a(er *,7da4le e part()ler das l"a$r*al/etare p*)r des ras*s #detes d"7$8e et de sat# p)4l.)e. 9 noter !ue l’utilisation de +oints en #ati&res organi!ues rduit la ga##e de te#pratures de fonctionne#ent. 5 Cal()l des #(a$e)rs
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Site: http://genie.industriel.iaa.free.fr Pour chauffer ou refroidir (traite#ents ther#i!ues) des fluides ali#entaires on utilise sou%ent des fluides caloporteurs ou frigoporteurs inter#diaires. Les para#&tres ncessaire sau di#entionne#ent d’un changeur sont : la surface d=change (surfaces des pla!ues surface intrieure des tubes concentri!ues...) : S e /; des caractristi!ues de l=appareil (paisseur des pla!ues conducti%it ther#i!ue) et du fluide (rgi#e turbulent ou la#inaire paisseurs des couches li#ites %iscosit...) !ui dter#ine le coefficient global d=change ther#i!ue ?/;2<
de l=cart de te#prature de part et d=autre de la surface d=change. ,n utilise la #oyenne logarith#i!ue descarts de te#prature entre les e-tr#its de l=changeur note ∆T#
L’!uation de dpart est > recue ? >cde (on se #et dans le cas idal ou il n’y a pas de pertes). Pour conna@tre la !uantit de chaleur re
9 utiliser dans le cas on n’a pas de change#ent d’tat (haleur sensible) co##e par e-e#ple la pasteursiation du Lait.
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9 utiliser dans le cas de change#ent d’tat de la #ati&re co##e par e-#ple la condensation de la %apeur dans l’changeur ou la %aporisation de l’eau du produit. 'nits : >? lu- de chaleur : A/s? B ># ? *bit #assi!ue : Cg/s :? apacit ther#i!ue(A/Cg/D)
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∆T
? diffrence de te#prature entre/sortie du produit. 9ttention si la chaleur est cde on a (TeTs) si la chaleur est re
alcul de C : C est fonction de l’paisseur de la paroi du cEfficient de transfert ther#i!ue du #tal du coefficient de fil# e-trieur et intrieur.
62 M#t*de d) */4re d")t#s de tras!ert NUT La #thode !ue nous %enons de %oir n’est %alable !ue pour les changeurs coa-iau-. Pour les autres types d’changeurs une #thode plus gnrale e-iste !ue nous allons dcrire succincte#ent ci dessous : La #thode fait rfrence " une situation idale " sa%oir le cas de l’changeur " contre courant de longueur infinie en%isag " la fin du paragraphe prcdent. 62& D#!t*s : Debit thermique : ,n appelle dbit ther#i!ue le produit pour un fluide donn. '_
Flux maximum : ’est le flu- #a-i#u# chang dans un changeur " contrecourant de longueur infinie soit
Efficacité de l’échangeur : c’est l’efficacit par rapport au flu- #a-i#u# dfini cidessus.
Rapport de déséquilibre : c’est le rapport des dbits ther#i!ues soit : Fo#bre d’units de transfert : ,n appelle no#bre d’units de transfert le no#bre sans di#ension : ,n distingue le no#bre d’units de transfert du cot chaud.
et de #;#e le no#bre d’units de transfert du cGt froid :
*ans la prati!ue seul le F'T correspondant au dbit ther#i!ue #ini#u# est utile. ,n le notera F'T sans prciser d’indice :
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L’ide de la #thode du F'T consist e " e -p r i# e r l’efficacit 5 de l’changeur en fonction des 2 para#&tres 7 et F'T pour cha!ue configuration d’changeur. ,n dispose alors d’une fonction gnrale indpendante des conditions particuli&res de te#prature ou de dbit !ui per#et de calculer rapide#ent les flu- #is en +eu sans conna@tre les te#pratures de sortie. 7e#ar!uons !ue les trois grandeurs utilises ici EB R B NUT s*t sas d/es* ce !ui fait toute l’efficacit de la #thode. .
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K_
_I.
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623N Cal()l d) NUT
Pour cha!ue type d’changeur l’e-pression de la fonction gnri!ue 5? 5(7F'T? doit ;tre d%eloppe une fosi pour toute. Le cocourant est le cas el plus si#ple plus. *ans certains cas 5 est donne graphi!ue#ent sous la for#e d’une srie de courbes pour diffrentes %aleurs du para#&tre 7. Les constructeurs peu%ent aussi fournir de tels diagra##es pour leurs appareils. 5nfin il e-iste aussi un certain no#bre de progra##es per#ettant ce type de calculs certains sont accessibles sur internet et peu%ent #;#e effectuer des calculs en ligne
