Caractéristiques et modèles des échangeurs de chaleur
Caractéristiques et modèles des échangeurs de chaleur
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. 1. Généralités sur les échangeurs de chaleur : Dans l’industrie, on doit très souvent réaliser un transfert de chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid qui ne doivent pas être mis en contact . Cette opération est généralement effectuée dans des appareils où les deux fluides circulent de part et d’autre des parois solides.ces appareils sont appelés échangeurs de chaleur. Un échangeur de chaleur est un dispositif permettant de transférer de l’énergie thermique d’un fluide vers un autre, sans les mélanger. Le flux thermique traverse la surface d’échange qui sépare les fluides. La plupart du temps, on utilise cette méthode pour refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu’il est impossible ou difficile de refroidir ou chauffer directement. En principe, pour les échangeurs les plus courants dans l’industrie, les deux fluides s’écoulent dans des espaces séparés par une paroi ou cloison à faible inertie thermique a travers de laquelle les échanges se font par conduction. En effet, la chaleur que l’un des fluides cède à la paroi par convection, le long de la surface de contact est transférée par conduction puis cédée à l’autre fluide par convection le long de l’autre face.
Faisceau : Les tubes constituant le faisceau forment une classe spéciale. Les conditions de fonctionnement imposent le choix suivant du matériau :
•Acier au carbone pour usage général.
•Laiton amirauté pour les appareils travaillant avec de l’eau de mer. •Aciers alliés pour les produits corrosifs et les températures élevées.
•Aluminium ou cuivre pour les très basses températures. Les tubes sont fixes à chacune de leur extrémité par mandrinage (ou dudgeonnage) dans deux plaques tubulaires dans la figure ci-dessous.
La perforation des trous dans ces plaques est normalisée, elle s’effectue selon une disposition soit au pas carre, soit au pas triangulaire. Compte tenu de (‘orientation du faisceau par rapport a la direction générale du fluide circulant dans la calandre, on obtient les quatre dispositions de la figure suivante : Le pas triangulaire permet de placer environ 10% de tubes de plus que le pas carré sur une plaque tubulaire de diamètre donné, mais, en contrepartie, la disposition des tubes rend impossible leur nettoyage extérieur par insertion de grattoirs ou de racloirs à travers le faisceau. Pour ces appareils, il faut avoir recours au nettoyage chimique et réserver leur emploi pour des fluides propres. Le faisceau de tubes porte également des chicanes transversales qui ont pour but d’allonger le chemin du fluide circulant dans la calandre et d’améliorer ainsi le transfert à l’extérieur du tube par accroissement de la vitesse.
Ces chicanes sont généralement constituées par un disque ayant un diamètre légèrement inferieur à celui de la calandre et comportant un segment libre dont l’aire représente 20 a 45% de la section totale. Des essais de normalisation tendent à imposer une hauteur du segment libre égale à 25% du diamètre intérieur D, de la calandre. L’espacement B entre chicanes qui conditionne directement la vitesse du fluide est comprises entre Dc/5 et D, Ces chicanes assurent en outre la rigidité du faisceau et sont solidaires de la plaque tubulaire fixe au moyen de tirants et entretoises qui occupent la place de tubes.
Conclusion générale
L’échangeur thermique est un appareil thermique de grande importance dans les installations thermique et énergétiques. Le principe constructif des échangeurs thermiques est simple : ce sont des appareils destinés à transférer de la chaleur entre deux fluides de températures différentes. Rappelons que les échangeurs de chaleur sont des appareils où le transfert de chaleur à basses et moyennes températures se fait sans changement de phase. Des méthodes de calcul plus ou moins élaborées existent pour les échangeurs à faisceau et calandre. Le but de ce travail est l’optimisation énergétique d’un échangeur tubulaire (Faisceau et calandre) utilisé comme un réchauffeur (Air / Fumées) d’une chaudière à mazot. Cette optimisation est basée sur deux logiciels de simulation « MATLAB » et « FLUENT ».
Lors de cette simulation « MATLAB », nous permet d’obtenir les paramètres optimaux notamment les vitesses des deux fluides pour obtenir l’efficacité maximale de l’échangeur tubulaire. Dans la deuxième simulation ces résultats ont été comparés à l’aide de logiciel « FLUENT ». Les résultats obtenus démontrent qu’ils existent des vitesses de fonctionnement pour lesquelles l’efficacité d’un échangeur thermique peut être améliorée. La méthodologie appliquée pour l’optimisation de l’échangeur thermique peut être généralisée pour tous les appareils thermiques et pour différents cas et conditions. En fin, nous souhaitons que ce travail qui a demandé beaucoup de temps et beaucoup d’effort apportera également un plus au étudiants d’ingénieure et techniciens concernés.
|
Table des matières
Résumé
Liste des figures
Nomenclature
Introduction générale
Chapitre 1 Caractéristiques et modèles des échangeurs de chaleur
Introduction
1.Généralités sur les échangeurs de chaleur
2..Différents modes de transfert de chaleur
2.1. Modes de transfert thermique
2.2. Lois de transmission de la chaleur
2.3. Fluide Caloporteur
2.4. Régime d’écoulement
2.5. Nombre adimensionnel
2.6. Corrélations usuelles en convection forcée dans les tubes lisses
3.Les différents types d’échangeurs de chaleur
3.1.Échangeur multitubulaire
3.2.Échangeur à plaque.
3.3. Échangeur à tube et calendre
3.4. Les échangeurs tubulaires.
4.Principe de fonctionnement
5.Différents modes de circulation dans un changeur
5.1. Echangeur a courants parallèles
5.2. Echangeur a contre courant
5.3. Echangeur a courants croises
6.Différents types d’échanges
6.1. Echange sans changement de phase
6.2. Echange avec changement de phase
7.Classification des échangeurs
7.1. Suivant la compacité de la surface d’échange
7.2. Suivant le processus de transfert thermique
7.3. Suivant le type de transmission de chaleur
7.4. Suivant le circuit des fluides
7.5. Suivant le type de construction
8.Condenseur et Evaporateur
9.1. Condenseur
9.2. Evaporateur
10.Différents types d’encrassement
10.1. Introduction
10.2. Les divers types d’encrassement
Conclusion
Chapitre 2 Description et calcul de l’échangeur faisceau et calandre
Introduction
1.Description de l’échangeur faisceau et calandre
1.1. Présentation de l’échangeur à faisceau et calandre
1.2. Assemblage faisceau-calandre
1.2.1. Echangeur de chaleur à tête flottante
1.2.2. Echangeur à plaque tubulaires fixes
1.2.3. Echangeur à tubes en U
2.Les méthodes de calcul pour les échangeurs
2.1. Flux thermique maximum dans un échangeur
2.2. Coefficient d’échange dans les échangeurs à fluides séparés
2.3. Coefficient d’échange global de transfert de chaleur K
2.4. Efficacité
2.5. Nombre d’unités de transfert NUT
2.6. Relation entre NUT et Efficacité
Conclusion
Chapitre 3 Outils numériques
1.Logiciel « MATLAB »
1.1. Définition
1.2. Les étapes de fonctionnement
2.Logiciel « FLUENT »
2.1. Gambit
2.2. FLUENT
3.Modélisation Mathématique
Chapitre 4 Optimisation d’un échangeur tubulaire (Faisceau et calandre)
Introduction
4.Conditions de fonctionnement de la chaudière
4.1. Première étape d’optimisation
4.1.1. Méthodes de calcul
4.1.2. Organigramme des deux cas
4.2. Deuxième étape d’optimisation
4.2.1. Domaine de calcul
4.2.2. Maillage
4.2.3. Conditions aux limites
Conclusion
Chapitre 5 Résultats et interprétations
Introduction
Optimisation avec « MATLAB »
Simulation (1)
Figure 5.1 Les résultats d’optimisation
Interprétation
Comparaison des résultats sous « FLUENT »
Simulation (2)
Interprétation
Comparaison des deux courbes
Interprétation
Conclusion générale
Référence
Télécharger le rapport complet