PFE Dimmensionnement des échangeur de chaleur.docx

Dimensionnement des échangeurs de chaleur

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Dédicace Nos familles, Nos chers amis, Nos professeurs, Et à toute personne qui nous a aidés

Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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Projet de fin d’étude


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Remerciements Contrairement à ce que pourrait laisser penser la présence de nos noms seuls sur la couverture, ce travail est avant tout le reflet d’un d’ un effort collectif. Nous précisons ceci pour que chacun de ceux qui ont contribué de prés ou de loin à ce travail travail trouvent ici une juste reconnaissance.

En premier lieu, je tiens à remercier Allah notre dieu qui nous a aidé à accomplir ce travail.

Nous tiendrons à exprimer nos plus vifs remerciements à Mr Youssef Mourad et Mr Abdelmajid Jamil qui ont été des encadrants attentifs et disponibles malgré leurs leurs charges nombreuses, leurs compétences, compétences, leur clairvoyance, leur ponctualité et leur dynamisme dynamisme nous ont beaucoup appris. Nous sommes extrêmement reconnaissants à Mr Ahmad Lahsini pour l’aide qui nous a fournis et pour ces avis toujours éclairés, ainsi que pour son attitude très confiante envers nous. Nous tiendrons à le remercier, tant pour sa contribution à l’étude théorique, que pour son soutien tout au long de ce projet.


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Remerciements Contrairement à ce que pourrait laisser penser la présence de nos noms seuls sur la couverture, ce travail est avant tout le reflet d’un d’ un effort collectif. Nous précisons ceci pour que chacun de ceux qui ont contribué de prés ou de loin à ce travail travail trouvent ici une juste reconnaissance.

En premier lieu, je tiens à remercier Allah notre dieu qui nous a aidé à accomplir ce travail.

Nous tiendrons à exprimer nos plus vifs remerciements à Mr Youssef Mourad et Mr Abdelmajid Jamil qui ont été des encadrants attentifs et disponibles malgré leurs leurs charges nombreuses, leurs compétences, compétences, leur clairvoyance, leur ponctualité et leur dynamisme dynamisme nous ont beaucoup appris. Nous sommes extrêmement reconnaissants à Mr Ahmad Lahsini pour l’aide qui nous a fournis et pour ces avis toujours éclairés, ainsi que pour son attitude très confiante envers nous. Nous tiendrons à le remercier, tant pour sa contribution à l’étude théorique, que pour son soutien tout au long de ce projet.


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Introduction générale générale Le Projet de fin d’étude constitue un élément primordial dans la formation de chaque étudiant, parce qu’il lui permet d’intégrer les connaissances scientifiques et techniques et les mettre en œuvre en situation concrète.

Ce présent rapport se base d ’une ’une part sur les types et classifications des échangeurs de chaleur , et d’autre part sur la phase de dimensionnement thermique d’un échangeur tubulaire en U et d’un ballon à appoint électrique


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Sommaire : Chapitre 1 : Types et classification des échangeurs ..........................................6

I – – Introduction Introduction ........... ..................... ........................ .......................... ........................ ........................ ........................ ........................ ........................ ...................... .......... 7 II – II – Les Les Types des échangeurs de chaleur ........ .................... ........................ ....................... ....................... ........................ ......................8 ..........8 II – II – 11 – – Les Les échangeurs tubulaires ................. ................................ .............................. ............................... ............................... .............................. .........................8 ..........8 II-1-2 Échangeur coaxial ..................... ........................................... ............................................ ............................................ ............................................ ........................................8 ..................8 II-1-1 Échangeur monotube ..................... ........................................... ............................................ ............................................ ............................................... ...................................8 ..........8

II – II – 22 - Échangeur multitubulaire ................. ................................ .............................. ............................... ............................... .............................. ...........................9 ............9 II-2-1 Échangeur à tubes séparés .............................................................. .................................................................................... ............................................ ..............................9 ........9 II-2-2 Échangeur à tubes rapprochés ............................................................. ................................................................................... ............................................ .........................9 ...9 II-2-3 Échangeur à tubes ailettes ..................... ........................................... ............................................ ............................................ ............................................ ...........................9 .....9

II – II – 33 - Echangeur à tube t ube et calendre ................ ............................. .............................. ................................ .............................. ............................... .....................11 .....11 II-3-1 Echangeur de chaleur à tête flottante ................................................................ ...................................................................................... ...............................11 .........11 II-3-2 Echangeur à plaque tubulaires fixes ........................................... ................................................................. ............................................. ...............................12 ........12 II-3-3 Echangeur à tubes en U ...................... ............................................... ............................................... ............................................ ............................................ ........................12 ..12

I – – 44 - Echangeur à plaque .............. ............................. .............................. .............................. ................................ ................................ ............................... ......................13 ......13 I-4-1 Échangeurs à surface primaire ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................13 ..................13 I-4-2 Échangeurs à plaques et joints .......................................... ................................................................ ............................................ ..........................................13 ....................13 I-4-3 Échangeurs à plaques soudées ou brasées ............................................................ .................................................................................. .............................14 .......14

I – – 55 - Échangeurs Échang eurs avec un fluide changeant de phase .............. .............................. ............................... .............................. .........................18 ..........18 I-5-2 Condenseurs tubulaires ......................................... ............................................................... ............................................ ............................................ ...............................18 .........18 I-5-1 Évaporateurs tubulaires ................... ............................................ ............................................... ............................................ ............................................... ............................20 ...20


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III-Classification des échangeurs .........................................................................................22 III-1 Classement technologique .........................................................................................................21 III-2 Classement suivant le mode de transfert de chaleur ..................................................................21 III-3 Classement suivant le procédé de transfert de chaleur ..............................................................21 III-4 Classement fonctionnel ..............................................................................................................21 III-5 Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange ..............................................22 Chapitre 2 : Dimensionnement d’un échangeur de chaleur ...............................23

Partie 1 : échangeur tubulaire en U (TP) ..........................................................24 I - 1 - Principe de fonctionnement ...................................................................................................24 I - 2 -Travaux effectués ...................................................................................................................24 I-2-1- Comparaison des deux modes de fonctionnement ........................................................................24

Partie 2 : Dimensionnement d’un ballon à appoint électrique ..........................28 I- Introduction ....................................................................................................28 II- Préparation en accumulation pure ....................................................................................28 II-1-Les étapes de dimensionnement ...............................................................................................30

III- Etude pratique d’un ballon de référence .........................................................................34 III-1- Les Dimensions du ballon étudié ..........................................................................................34 III-2- L’expérience sans isolation ...................................................................................................35 III-3 l’expérience avec isolation .............................................................................................. .......40 III-4 Conclusion sur le rôle de l’isolation .......................................................................................43


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Chapitre 1 : Types et classification des échangeurs


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I – Introduction : 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.


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II – Les Types des échangeurs de chaleur : II – 1 – 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 tr ois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réalisés pour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée .

II-1-1 Échangeur monotube : Dans lequel le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un serpentin comme montré à la figure au dessous.

Figure I.1: Échangeur monotube en serpentin

II-1-2 Échangeur coaxial : Dans lequel les tubes sont le plus souvent cintrés ; en général, le fluide chaud ou le fluide à haute pression s’écoule dans le tube intérieur comme montré à la figure au dessous.

Figure I.2: Échangeur coaxial Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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II – 2 - Échangeur multitubulaire : Existant sous quatre formes :

II-2-1 Échangeur à tubes séparés : À l’intérieur d’un tube de diamètre suffisant (de l’ordre de 100 mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à 20 mm) maintenus écartés par des entretoises. L’échangeu r peut être soit rectiligne, soit enroulé.

Figure I.3: Échangeur à tube séparé

II-2-2 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.

Figure I.4: Échangeur à tube rapproché

II-2-3 Échangeur à tubes ailettes : Ces tubes permettent d’améliorer le coefficient d’échange thermique, différents types d’ailettes sont toutefois présentés si contre . Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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Figure I.5: Échangeur à tube ailette

• Ailettes transversales :

Ailettes continues

Ailettes indépendant

Ailettes annulaire


Ailettes spirale

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Ailettes à fils préformés

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Ailettes poinçonnées

Ailettes en brosse

• Ailettes longitudinal :

Figure I.6: Autre différent type d’ailettes

II – 3 - Echangeur à tube et calendre : II-3-1 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. Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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Figure I.7: Échangeur à tête flottante

II-3-2 Echangeur à plaque tubulaires fixes Dans ce cas, les plaques tubulaires peuvent être directement soudées sur la calandre.

Figure I.8 Échangeur à plaque tubulaire fixe

II-3-3 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.


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Figure I.9: Échangeur à tube en U

I – 4 - Echangeur à plaque : I-4-1 Échangeurs à surface primaire : Les échangeurs à surface primaire sont constitués de plaques corruguées, nervurées ou picotées. Le dessin du profil de plaques peut être assez varié mais il a toujours un double rôle d’intensification du transfert de chaleur et de tenue à la pression par multiplication des points de contact.

Figure I.10: Différentes géométries de plaques d’échangeurs à surface primaire

I-4-2 Échangeurs à plaques et joints : La surface d’échange est alors composée de plaques métalliques, équipées de joints, serrées les unes contre les autres à l’aide de tirants entre deux flasques, l’un fixe, l’autre mobile.


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Figure I.11: Échangeur à plaque et joint

I-4-3 Échangeurs à plaques soudées ou brasées : Ils sont utilisés en récupération de chaleur, dans les domaines de la chimie, de la pétrochimie, de l’agro alimentaire, etc. Parmi leur différent type.



Échangeur platulaire

Il est constitué d’un assemblage de tôles planes embouties. Il existe différents types d’appareils : les uns sont composés de chambres planes munies de tubulateurs, les autres constitués de picots emboutis et soudés.


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Figure I.12: Échangeur platulaire et schéma canaux



Échangeur Compabloc :

Il est constitué d’un assemblage de plaques corruguées identiques à celles utilisées dans les échangeurs à plaques et joints ; la circulation des fluides est à courants croisés.

Figure I.13: Échangeur Compabloc et l’empilement des plaques



Échangeur Packinox

C’est un échangeur à plaques soudées de grandes dimensions. Le faisceau est constitué d’un empilement de plaques formées par explosion et insérées dans une calandre pouvant atteindre une longueur de plus de 10 m. Cet échangeur peut fonctionner jusqu’à des températures de l’ordre de 600 °C et des pressions de 50 bar .


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Figure I.14: Échangeur Packinox



Échangeur lamellaire

C’est une variante de l’échangeur de type tubes et calandre, dans lequel le faisceau est constitué de tubes aplatis ou lamelles. Ces lamelles sont réalisées à l’aide de deux plaques formées et soudées ensemble et constituant un canal dans lequel circule l’un des fluides. Chaque lamelle peut contenir un élément interne (turbulateur) qui per met d’obtenir une meilleure tenue à la pression et un meilleur échange thermique.

Figure I.15: Échangeur lamellaire



Échangeur à spirale

Il est constitué de deux rubans de tôle gaufrée, enroulés et maintenus parallèles. La distance entre les surfaces d’échange des deux canaux est maintenue constante par des taquets soudés sur les plaques. La Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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circulation des fluides est du type monocanal à courants parallèles ou croisés. Cet échangeur peut fonctionner jusqu’à des pressions de l’ordre de 25 bar et des températures de l’ordre de 300 °C [1]. La figure suivante représente l’échangeur à spirale.

Figure I.16: Échangeur à spirale 

Échangeur brasé

C’est une variante de l’échangeur plaques et joints conventionnels, car sa surface d’échange est constituée d’une série de plaques métalliques à cannelures inclinées.

Figure I.17 Échangeur brasé


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I-5 Échangeurs avec un fluide changeant de phase : L’un des deux fluides peut subir un changement de phase à l’intérieur de l’échangeur. C’est le cas des évaporateurs si le fluide froid passe de l’état liquide à l’état gazeux, ou des condenseurs si le fluide chaud se condense de l’état de vapeur à l’état liquide.

I-5-1 Évaporateurs tubulaires : Ces appareils sont généralement utilisés pour concentrer une solution, refroidir un fluide, ou produire de la vapeur. Le fluide chauffant peut être une phase liquide qui transmet sa chaleur sensible ou de la vapeur cédant sa chaleur latente de condensation sur la paroi. Il existe deux types d’évaporateurs, qui sont :



Évaporateurs à l’intérieur de tubes

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

a) Évaporations à tubes verticaux Ces appareils sont utilisés pour concentrer une solution, fournir de la vapeur nécessaire au réchauffement d’un fluide à distiller ou comme évaporateurs cristallisateurs. Les tubes sont généralement chauffés extérieurement par de la vapeur qui se condense

Figue I.18: Évaporateur à tubes cours et à panier Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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Figure I.19: Évaporateur à longs tubes verticaux et à grimpage

Figure I.20: Évaporateur à tube tombant

b) Évaporateurs à tubes horizontaux Ces appareils sont généralement utilisés comme refroidisseurs de liquide (eau, saumure, eau glycolée, etc.). Le liquide à évaporer qui circule dans les tubes est un fluide frigorigène, alors que le fluide à refroidir circule à l’extérieur des tubes.



Évaporation à l’extérieur de tubes

Ces évaporateurs utilisent généralement des tubes horizontaux. On distingue deux types : les évaporateurs noyés (ou submergés) et les évaporateurs arrosés (ou aspergés) Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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Figure I.21: Évaporateur noyés et arrosés

I-5-2 Condenseurs tubulaires : Le but de ces échangeurs est de condenser une vapeur à l’aide d’un fluide réfrigérant. Ils concernent des secteurs d’activité très variés comme la production d’énergie (centrale thermique), les industries chimiques (colonnes à distillation), les industries du génie climatique, de l’agro-alimentaire, du séchage, etc.

Figure I.22: Condensation extérieur aux tubes

Figure I.23: Condensation intérieur aux tubes Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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III-Classification des échangeurs Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs. On cite les plus importants.

III-1 Classement technologique : Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants : 

à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires.



à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire.



autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé.

III-2 Classement suivant le mode de transfert de chaleur : Les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement) sont couplés dans la plupart des applications (chambre de combustion, récupération sur les fumées, etc.) ; il y a souvent un mode de transfert prédominant. Pour tout échangeur avec transfert de chaleur à travers une paroi, la conduction intervient.

III-3 Classement suivant le procédé de transfert de chaleur : Suivant qu’il y a ou non stockage de chaleur, on définit un fonctionnement en récupérateur ou en régénérateur de chaleur : 

transfert sans stockage, donc en récupérateur, avec 2 ou n passages et un écoulement en général continu.



transfert avec stockage, donc en régénérateur, avec un seul passage et un écoulement intermittent, la matrice de stockage étant statique ou dynamique.

III-4 Classement fonctionnel : Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de phase, suivant le cas, on dit que l’on a un écoulement monophasique ou diphasique. On rencontre alors les différents cas suivants : Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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

les deux fluides ont un écoulement monophasique.



un seul fluide à un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou des condenseurs.



les deux fluides ont un écoulement avec changement de phase, cas des évapo-condenseurs.

III-5 Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange : On retiendra deux types de paroi : 

Les échangeurs métalliques en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires ;



Les échangeurs non métalliques en plastique, céramique, graphite, verre, etc.


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Chapitre 2 : Dimensionnement d’un échangeur de chaleur


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Partie 1 : échangeur tubulaire en U (TP) Notre choix s’est porté sur un échangeur à faisceau tubulaire simple constitué de deux cylindres concentriques sous forme de U inversé fixer sur un support métallique.

I – 1 – Principe de fonctionnement : Le principe de fonctionnement de l’échangeur choisit est comme suit : L’eau chaude circule dans le tube central .ce dernier est muni de trois thermomètre pour la mesure de température de l’eau chaude, et d’un débitmètre pour mesurer le débit L’eau froide circule dans l’espace annulaire entre le tube intérieur et l’autre extérieur, et de même que le tube central, cette espace est munie de trois thermomètres et d’un débitmètre L’eau chaude circule, à l’aide d’une pompe centrifuge, dans un parcoure fermé , le chauffage est assurer par des résistances thermique placer a l’intérieur du réservoir de stockage. L’eau froide provient du réseau de distribution de l’eau potable, le long de son parcours l’eau froide rencontre des vannes qui permettent de passer du mode échangeur à co-courant à celui à contre-courant.

I – 2 – Travaux effectués : I-2-1- Comparaison des deux modes de fonctionnement : •Fonctionnement à co-courant : Pour obtenir ce mode on doit mettre les robinets dans les positions données pour le mode co-courant. On règle les valeurs de débits à : -

Débit d’eau chaude D C = 800 cm 3/min

-

Débit d’eau froide

DF = 2000 cm 3/min

L’eau chaude entre avec la température T=40°C


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En (°C)

TC1

TCM

TC2

TF1

TFM

TF2

1

40

35

32

21

22

24

2

45

38

34

21

23

25

3

50

42

36

21

24

26

4

55

44

38

21

24

27

5

60

46

40

21

25

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On va utiliser les relations suivantes dans les calcules suivants :                                

       

      

On peut faire les calcule suivant :

Qa (kj/s)

Qe (kj/s)

∆Q (kj/s)

η(%)

∆Tm1(°C)

U(kw/m 2°C)

0,416

0,441

0,025

94,33

12,71

0,48

0,416

0,604

0,118

68,8

15,29

0,39

0,694

0,767

0,073

90,48

17,84

0,58

0,833

0,929

0,096

89,66

20,38

0,61

0,972

1,095

0,123

88,76

22,90

0,63


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Diagramme de températureT(°C)=F(L) 45 40 35 e r 30 u t a r 25 é p20 m e 15 T 10

Tc Tf

5 0 0

1

1,5

longueur d'échangeur

•Fonctionnement à contre courant : On fait la même étude que dans le cas du fonctionnement à co-courant et on remplie le tableau suivant :

TC1

TCM

TC2

TF1

TFM

TF2

40

38

34

24

30

35,5

On fait les même calcule que la première partie et on obtient le tableau suivant :

Qa

Qe

∆Q

∆Tm1

U

0,725

0, 82

0,095

1,195

1,56


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• conclusion : Le fonctionnement à contre-courant est plus efficace que celle a Co-courant, mais il y a des cas où il est obligatoire d’utiliser le co-courant (Changement d’état).


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Partie 2 : Dimensionnement d’un ballon à appoint électrique I-Introduction : Dans ce chapitre, on va étudier l’échauffement de l’eau dans un ballon à appoint électrique. Le ballon à appoint électrique est un réservoir en eau de forme cylindrique, dont une résistance est plongée dans l’eau à chauffer, le ballon est donc un éc hangeur de chaleur entre la résistance électrique chauffante et l’eau.

II- Préparation en accumulation pure : On peut classifier les différents modes de production d’eau chaude Sanitaire en : • production instantanée. • production semi-instantanée ou en

semi-accumulation.

Figure 3. 1: Production semi-instantanée


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Figure 3. 2 Production en semi-accumulation

• production en accumulation.

Figure 3. 3 Production en accumulation

• sans aucun stockage : il s’agit de la préparation instantanée, • avec un stockage limité, inférieur à certains appels, mais une puissance permettant de préparer le complément nécessaire pendant la durée de l’appel, il s’agit de la préparation semi-instantanée. • avec un volume de stockage correspondant au volume prélevé lors d’une période de pointe et une puissance suffisante à la remise en température du stock entre deux pointes : il s’agit de la préparation en

semi-accumulation. • avec un stockage égal au volume puisé journalier, la puissance correspondant à la puiss ance de réchauffage en 6 à 8 heures (heures creuses, nuit) : il s’agit de la préparation en accumulation. on va s’intéresser seulement au mode de production en accumulation.

Préparation en accumulation pure : Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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Dans ce cas, l’entièreté des besoins journaliers est stockée. Le stock est reconstitué durant 6 à 7 heures (en général durant la nuit).

II-1-Les étapes de dimensionnement : Etape 1 : Energie puisée durant la journée Il s’agit de déterminer par une des méthodes suivantes le volume d’eau chaude maximum (équivalent à 60°) nécessaire durant la journée la plus chargée de l’année.

Méthode 1 : Les profils types On peut se référer à des statistiques de consommation établies sur des bâtiments identiques. L’utilisation de ces profils types s’applique particulièrement bien aux immeubles à appartements. On appliquera souvent cette méthode pour les bâtiments neufs.

Méthode 2 : Le recensement des points de puisage : On peut répertorier les points de puisage, leur débit nominal et leur période d’utilisation d’après les statistiques disponibles. Ce mode de recensement est à réaliser avec extrêmement de prudence. En effet, le risque de sur-dimensionner largement le système est important si on n’établit pas un scénario cohérent du mode d’utilisation simultanée des différents points de puisage.

Méthode 3 : Le comptage des consommations réelles : La méthode idéale est de mesurer les consommations réelles en eau chaude. Cette méthode sera la plus adaptée dans le cadre de rénovations dans le secteur tertiaire. Si le mode d’utilisation du bâtiment reste identique, une campagne de mesures au moyen de compteurs d’eau soit sur l’alimentation des différents points de puisage ou appareils consommateurs, soit sur l’alimentation en eau froide de l’appareil de production existant met à l’abri de tout sur ou sous-dimensionnement du système. L’investissement consenti lors de l’étude est alors rapidement rentabilisé. Il est évident que la température de l’eau puisée varie en fonction du type de puisage. Aussi, pour faciliter les calculs et permettre l’addition de volumes puisés à des températures différentes, tous les volumes Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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quelconques V x à une température quelconque T x seront convertis en des volumes d’eau équivalents à 60°C par l’expression suivante:    

     

Dans cette expression, 10° représente la température de l’eau froide. Dans la pratique, ne connaissant pas exactement la température de l’eau puisée, on considérera : • pour les cuisines :     • pour les sanitaires :     • si les volumes puisés sont mesurés par compteur sur l’alimentation en eau froide de l’appareil de production :   température de l’eau chaude dans le ballon ou à la sortie de l’échangeur si le ballon est inexistant. La connaissance du volume de l’eau puisé nous aide par la suite à déterminer l’énergie puisée (qui sera générée par une résistance électrique). -

L’énergie puisée via l’eau chaude est donnée par la formule :

 

 

     

Avec:                         é à °    

   

  é  ’ 

Etape 2 : Volume de stockage et puissance de l’échangeur Le volume du ballon de stockage est donné en litres par :  

          

Avec : Ecole Supérieure de Technologie de Fes

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                                        (Kwh. /°C.V)

Le choix de   Le dimensionnement d’un ballon éventuel de stockage de l’eau chaude dépend directement de la température de consigne choisie au préalable pour l’eau chaude de ce ballon (appelée dans la suite Tec). La température de stockage de l’eau sera choisie en fonction de la température souhaitée au niveau des points de soutirage. Dans les cas courant d’utilisation d’eau chaude sanitaire, il est conseillé de choisir une température de stockage de 55 à 60°C. Des températures supérieures à 60°C présentent les inconvénients suivants: • forte augmentation de l’entartrage, • plus grande usure de la robinetterie, • danger de brûlures, • augmentation des pertes par stockage.

Le choix de        : La quantité d’énergie réellement exploitable et contenue dans le stock d’eau chaude dépend entre autre de la conception du stockage et du principe de distribution. Moyennant une construction adéquate de l’appareil (ballon vertical muni de déflecteurs, chicanes, avec retour de boucle de distribution en aval du ballon : des garanties sont à demander aux constructeurs), la stratification dans le ballon est optimale et l’énergie exploitable du ballon est maximum. Dans ce cas, on considérera qu’au moment où le ballon ne fournira plus le confort adéquat aux utilisateurs, la température de son eau sera proche de la température de l’eau froide, à savoir 10°C. Remarquons que dans cette optique, il est préférable de raccorder les ballons multiples en série plutôt qu’en parallèle. De même la présence d’un mitigeur thermostatique en aval de ballon est favorable pour un meilleure stratification des températures dans le ballon. Dans le cas contraire (ballon à mélange partiel ou intégral : ballon horizontal, retour de la boucle dans le ballon), la température minimum de confort du ballon ne peut descendre très loin en dessous de la température minimum de distribution de l’eau (par exemple, la température de distribution est de 45°C, pour assurer 40°C à tous les points de puisage). Le volume du ballon nécessaire pour offrir le même confort sera alors nettement supérieur. Ecole Supérieure de Technologie de Fes

32



2013

Ainsi, le volume d’un ballon avec bonne stratification peut être inférieur au volume d’un ballon où il y a mélange intégral entre l’eau froide et l’eau chaude de plus de 50% pour un même confort fourni à l’utilisateur! Ceci est illustré dans le graphe 1. où deux ballons, un avec bonne stratification, l’autre avec un mélange important, sont vidés en parallèle, l’eau chau de étant remplacée par de l’eau à 10° et aucune source de chaleur ne réchauffant le stock. Dans les calculs, pour tenir compte du degré de stratification des ballons, on considérera une température minimum possible du stock de 10° et on y associera un coef ficient d’efficacité ‘a’. Dans la plupart des cas courants, celui-ci prendra une valeur de 0,8 à 0,95 (bonne stratification), ce qui signifie que 80 à 95% du volume réel du ballon est utilisable pour la température voulue. Si on se trouve dans le cas d’un ballon avec mélange important, ‘a’ peut descendre jusqu’à 0.45. La puissance de l’échangeur, donnée en kW par la formule suivante permet de reconstituer le stock d’eau chaude en 6 ou 8 heures.

 

       

 

Avec :   Pertes dans le réseau de distribution. Dans le cas d’une boucle de distribution.

il s’agit de la puissance de maintien en température de celle -ci. En annexe 5 est repris un tableau permettant d’évaluer ces pertes.   Coefficient de majoration pour tenir compte des pertes de stockage durant la période de reconstitution

du stock.

Graph 3. 1 Température de l'eau fournie par deux ballons en fonction du temps de puisage.


33



2013

III- Etude pratique d’un ballon de référence : Dans cette partie on va contrôler les différents facteurs décrits dans la partie précédente que ça soit la température de consigne, le volume, l’énergie générée et principalement l’avancement de chauffage, et celu i de refroidissement pour enfin conclure la différence entre la présence de l’isolation et son absence.

III-1- Les Dimensions du ballon étudié : Le ballon de référence est à base de Fer (Fe), de forme Cylindrique d’un volume de 12 l et de dimensions indiquée dans la figure ci-contre.

Figure 3. 4 Dimensions du ballon de référence

Figure 3. 5 Photo du ballon non isolé


34



2013

L’eau stockée est chauffée grâce à une résistance électrique, d’une puissance de 1.5 KWh, et de 30 cm de longueur.

Figure 3. 6 Photo résistance électrique de chauffe

III-2- L’expérience sans isolation : On plonge la résistance dans le ballon de référence après sa mise en marche, on mesure dans un intervalle de temps la variation de température, les valeurs sont indiquées dans le tableau 3.1. Avancement du temps (min)

0 5 10

Temps (heures)

-

Mesure 1 (°c)

Mesure 2 (°c)

Mesure 3 (°c)

Mesure 4 (°c)

Moyenne (°c)

17.5

17.5

17.5

17.5

17.5

28.2

28.8

29.7

30

29.175

37.6

39.2

39.7

40.1

39.15

45

45.6

46.8

47

46.1

52.1

53.2

53.8

54.5

53.4

60.8

61.4

62.5

63.5

62.05

69.9

70.1

70.8

71.3

70.525

68.4

69.4

69.5

69.8

69.275

66.7

66.6

67.5

66.7

66.875

66.1

65.8

65.9

66

65.95

63.6

63.7

63.8

64.4

63.875

61.8

61.7

61.5

61.6

61.65

58.9

59.4

59.6

59.7

59.4

53.5

53.8

54.9

55

54.3

0.08 0.16

15 0.25

20 25 30 35

0.33 0.42 0.50 0.58

40 0.66

45 0.75

50

0.83

55 0.91

60 70

1.00 1.16


35


Dimensionnement des échangeurs de chaleur 80

2013

54

54.8

54.9

55.1

54.7

52.4

52.9

53.3

53.4

53

56.1

57.5

57.6

58.3

57.375

70.4

70.8

71.2

71

70.85

63.8

64.4

65

65.5

64.675

62.2

61.9

61.8

61.9

61.95

58.2

58.1

58.4

58.7

58.35

56.1

56.5

57.2

57.3

56.775

53.4

54

54.3

54.8

54.125

52

52.4

52.8

53.1

52.575

48.7

49.5

49.6

50.3

49.525

65.3

66.9

65.9

66.7

66.2

65

65.5

67.3

67.2

66.25

61.8

62.2

62.4

62.7

62.275

58.6

58.9

59.1

59.7

59.075

55.5

56.3

56.5

56.5

56.2

54.5

55.1

55.2

55.2

55

52.1

52.2

52

52.2

52.125

50.1

50.4

50.6

50.7

50.45

61.9

62.5

64.5

64.8

63.425

67.5

67.6

67.7

67.8

67.65

63.5

63.3

63.5

63.6

63.475

60.1

60.4

60.4

60.4

60.325

1.32

90 100

1.48 1.64

110 1.80

120 130 140 150 160

1.96 2.12 2.28 2.44 2.60

170 2.76

180 190 200 210 220 230 240

2.92 3.08 3.24 3.40 3.56 3.72 3.88

250 4.04

260 270

4.20 4.36

280 4.52

290 300

4.68 5.00 Tableau 3. 1 Mesures de température (sans isolation)

La courbe décrivant la variation de température en fonction du temps : Remarques :


36



2013

Le ballon a une température de consigne (ainsi de sécurité) de 70°C, la résistance se met en arrêt chaque fois

Graph 3. 2 Température = f (temps)

L’eau atteint cette température, l’expérience montre qu’avec un volume de 12 l et une puissance de 1500 Wh la durée de chauffe se limite à une demi heure (30 min environ). Cette observation pratique justifie la relation en thermodynamique de l’enthalpie ou l’énergie nécessaire pour lever la température de l’eau d’une température initiale qui est ici 17.5°C à une température finale de 70°C.                           

   

=

          

52.5°C

     

Application numérique :        L’énergie dissipée durant une heure par la résistance est de 1.5 KWh, donc 0.75 KWh pendant 30 min, ce qui est justifié théoriquement. Ecole Supérieure de Technologie de Fes

37



2013

La Vitesse de l’échauffement :

Le tableau suivant présente la moyenne des mesures de température durant l’échauffement de l’eau en fonction du temps : Avancement du temps (min)

Temps (h)

1er échauffement

2éme échauffement

3éme échauffement

Moyenne

0

0.00

17.45

17.5

17.4

17.5

5

0.08

27.125

31

31

29.7

10

0.17

36.7

37.55

37.6

37.3

15

0.25

44.05

43.625

44

43.9

20

0.33

51.825

51.825

49.9

51.2

25

0.42

60.25

61.95

62.025

61.4

30

0.50

70.2

70.1

70

70.1

Tableau 3. 2 Mesures de température de l'échauffement La courbe décrivant la variation de température en fonction du temps :

Graph 3. 3 Température= f(temps) – durant l’échauffement

Calcul de la vitesse de l’échauffement :



 

  

 

  

 

La vitesse de refroidissement : Le tableau suivant présente la moyenne des mesures enregistrées durant la phase de refroidissement : Ecole Supérieure de Technologie de Fes

38



Temps (min)

Temps (heure)

1er refroidissement

2éme refroidissement

3éme refroidissement

2013

Moyenne

0

0.0

69.9

70.1

70.8

70.27

10

0.2

65.95

64.675

66.1

65.58

20

0.3

63.875

61.95

62.275

62.70

30

0.5

61.65

58.35

59.075

59.69

40

0.7

59.4

56.775

56.2

57.46

50

0.8

54.3

54.125

55

54.48

60

1.0

54.7

52.575

52.125

53.13

70

1.2

53

49.525

50.45

50.99

Chaque colonne indique l’avancement de température pendant une expérience, la colonne moyenne contient les moyens de mesures entre ces expériences.

Courbe de refroidissement sans isolation du ballon :

Graph 3. 4 : refroidissement de l'eau sans isolation

La courbe tracée est remarquablement semblable à une pente. Calcul de la vitesse de refroidissement :

 

 


  

39

 

  

 



2013

III-3 l’expérience avec isolation : Il s’agit de mettre une couverture superficielle (à base d’un matériau de très faible conductivité thermique) sur le ballon afin de réduire le flux de la chaleur dégagée par la surface, pour obtenir un meilleur stockage de l’eau chaude.

Nature de l’isolant :

C’est de la laine de verre, parfaitement utilisée dans l’industrie de faible conductivité thermique 

       et donc une grande résistance au flux thermique, et d’une épaisseur de 15 mm

Figure 3. 7 Photo "laine de verre"

Figure 3. 8 Ballon isolé couche de la laine de verre couvert par de l'alluminium Ecole Supérieure de Technologie de Fes

40



2013

Tableau des mesures :

Avancement du temps (min) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

Temps (heures) Mesure 1 (°c) 0.08 0.16 0.25 0.33 0.42 0.50 0.58 0.66 0.75 0.83 0.91 1.00 1.16 1.32 1.48 1.64 1.80 1.96 2.12 2.28 2.44 2.60 2.76 2.92 3.08 3.24 3.40 3.56 3.72 3.88 4.04 4.20 4.36 4.52 4.68 5.00

Mesure 2 (°c)

17.5 26.1 35.2 44 51.5 59.8 67.4 68.3 65.4 64.8 63.7 62.4 62.1 58.5 56 54.2 52.5 51.6 49.5 47.9 60.9 68.1 65.3 62.6 62.3 62.5 62.2 62.2 59.5 57.1 54.2 52.3 51.8 50.4 49.7 61.1 68.5

17.4 27.5 36.9 43.2 51.1 60.6 67.1 68.2 65.6 64.7 63.6 62.5 62.2 59.1 56.1 54.3 52.8 51.7 49.7 48.1 62.7 68.8 65.88 62.8 62.8 62.7 62.5 62.2 59.1 57.2 54.3 53 51.7 50.7 49.8 62.6 68.2

Mesure 3 (°c) 17.5 27.1 36.8 43.8 51.8 60.1 67.9 67.9 65.8 65 63.2 62.4 62.3 59.1 55.8 55 52.7 51.6 49.7 48.2 62.2 68.7 65.1 62.9 62.8 62.1 62.1 62.4 59.1 56 55.3 52.7 51.6 50.7 50 62.3 68.3

Mesure 4 (°c) 17.4 27.8 37.9 45.2 52.9 60.5 70.5 68 65.8 65.3 63.2 62.6 62.6 59.2 56 55.2 53 51.5 49.9 48.7 62 69.2 66.1 63.3 63 62.9 63.1 62.6 59.2 56.3 55.2 53.1 52 50.9 50.1 62.1 69.2

Moyenne (°c) 17.45 27.125 36.7 44.05 51.825 60.25 68.225 68.1 65.65 64.95 63.425 62.475 62.3 58.975 55.975 54.675 52.75 51.6 49.7 48.225 61.95 68.7 65.595 62.9 62.725 62.55 62.475 62.35 59.225 56.65 54.75 52.775 51.775 50.675 49.9 62.025 68.55

Tableau 3. 3 Mesures de températures avec isolation Ecole Supérieure de Technologie de Fes

41



2013

Courbe décrivant l’avancement de température en fonction du temps :

Graph 3. 5 Température = f (temps) avec isolation

Vitesse de l’échauffement :

La vitesse de l’échauffement et la même que celle réalisée sans isolation car l’eau chauffée nécessite la même quantité de l’énergie, et donc l’isolation ne change rien. (Voir Graph 3.3). Vitesse de refroidissement :

Le tableau ci-dessous indique les mesur es de température dans la phase de l’refroidissement: Avancement du temps (min)

Temps (h)

er

1 refroidissement

2

ème

refroidissement

Moyenne

0

0.0

65.65

65.595

65.62

10

0.2

64.95

62.9

63.93

20

0.3

63.425

62.725

63.08

30

0.5

62.475

62.55

62.51

40

0.7

62.3

62.475

62.39

50

0.8

58.975

62.35

60.66

60

1.0

55.975

59.225

57.60

70

1.2

54.675

56.65

55.66

80

1.3

52.75

54.75

53.75

90

1.5

51.6

52.775

52.19

100

1.7

49.7

51.775

50.74

110

1.8

48.225

50.675

49.45


42



2013

L’expérience est faite la première fois, la colonne 1er refroidissement l’indique clairement, la 2 ème indique également le deuxième essai. La colonne « moyenne » présente la moyenne arithmétique entre les deux essais. La courbe représentative Température = fonction du temps, phase de refroidissement sans isolation :

Graph 3. 6 courbe température = f (temps)

Calcul de vitesse de refroidissement de l’eau du ballon isolé:

 



  



 

  

 

III-4 Conclusion sur le rôle de l’isolation : On remarque clairement la différence entre la vitesse de refroidissement dans le Ballon isolé et la vitesse  du ballon non isolé.     

 



   

 



Donc:

  

Le ballon isolé perd chaque minute 0.15 °C, alors que le ballon non isolé perd 0.28°C, à savoir deux fois ce que perd un ballon isolé. Conclusion :

L’isolation est très bénéfique pour le stockage de l’eau chaude sanitaire chauffée dans le ballon de référence.


43


PFE Dimmensionnement des échangeur de chaleur.docx

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