Critères de classification des échangeurs de chaleur

Critères de classification des échangeurs de chaleur

Critères de classification des échangeurs de chaleur

Il existe plusieurs critères de classification des échangeurs de chaleur dont les plus importants sont cités ci-dessous :
Classification selon la technologie
Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants  :
A tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires ;
A plaques : à surface primaire ou à surface secondaire ;
Autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé.
Classification selon 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 .
Classification 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
Classification fonctionnelle
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  :
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.
Classification suivant la nature du matériau de la paroi d’échange
On retiendra deux types de parois  :
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.

Encrassement

L’encrassement peut être définit comme l’accumulation des éléments solide indésirables sur l’interface, affecte une grande variété d’opérations industrielles. Ce dépôt qui évolue dans le temps, peut être constitué de cristaux, de sédiments, de résidus biologiques, des produits d’une réaction chimique ou bien encore être la combinaison de plusieurs de ces éléments.
Apres un certain temps de fonctionnement, les anomalies les plus courantes sont en générale due a l’encrassement et a la corrosion qui provoquent la diminution du coefficient d’échange thermique, et peuvent aller jusqu’au bouchage, et la perforation des échangeurs.
L’encrassement et la corrosion restent les phénomènes les moins compris de l’industrie ; ils se traduisent par :
Un surdimensionnement des appareils dans les bureaux d’études ;
Une dépense d’énergie supplémentaire ;
Le remplacement des appareils corrodés ;
Des couts d’arrêt des installations pou démontage et nettoyage.

Différents types de corrosion 

Plusieurs cas types de corrosion peuvent être distingués suivant l’aspect (la morphologie) des dégradations.
Corrosion généralisée : La corrosion se produit avec la même vitesse sur toute la surface du métal en contact avec le milieu agressif. On a l’habitude d’adopter une surépaisseur de corrosion qui tient compte de la durée de vie que l’on désire pour l’appareil en fonction de la vitesse de corrosion.
Corrosion localisée : La corrosion se produit avec des vitesses différentes a divers endroits de la surface du métal ; elle peut présenter les formes suivantes :
Corrosion par piqures, localisée dans certains endroits ponctuel ; sur le reste de la surface, le métal n’est pas corrodé ;
Corrosion inter cristalline, se manifestant uniquement aux joints des grains du métal ;
Corrosion sous tension, se produisant dans une zone sollicitée par une contrainte mécanique. Ce type de corrosion provoque des fissures perpendiculaires a la direction de contrainte ;
Fatigue-corrosion ; la fatigue en milieu corrosif conduit à la fissuration et à la rupture pour un nombre de cycles et une contrainte bien inférieurs au cas de fatigue en milieu non corrosif.

Nanofluide dans les échangeurs de chaleur à double tubes (EHDT)

Au cours de ces dernières années, l’ajout de particules solides dans un fluide caloporteur a été l’une des techniques considérables pour augmenter le taux de transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur. Bien qu’ils aient attiré beaucoup des attentions, ils causent des problèmes tels que la chute de pression élevée, abrasion, encrassement et sédimentation. Mais l’utilisation de nanofluides provoque une augmentation relativement plus importante du transfert de chaleur par rapport aux particules solides. Afin de résoudre les problèmes susmentionnés, les nanofluides sont utilisés avec des particules solides de très petites tailles et à faible concentrations. En conséquence, de nombreuses études ont été effectuées concernant les nanofluides dans les échangeurs de chaleur .
En ce qui concerne les nanofluides dans les EHDT, plusieurs études ont été réalisées. Au cours des dernières années, citons les travaux suivants . Dans beaucoup de ces études, les auteurs ont essayé d’utiliser des nanofluides avec d’autres sources de chaleur et d’autres méthodes d’amélioration qui sont principalement des méthodes passives.

Choix de la méthode numérique

En analyse numérique basée sur la méthode des volumes finis qui est utilisée pour résoudre numériquement des équations aux dérivés partielles. Contrairement à la méthode des différences finies qui met en jeu des approximations des dérivées, les méthodes des volumes finis et des éléments finis exploitent des approximations d’intégrales. Le choix de l’utilisation de telle méthode numérique va dépendre essentiellement du type et de la complexité : la nature de fluide, le comportement thermodynamique de milieu et le problème stationnaire et instationnaire. Pour notre étude nous avons choisis la méthode des volumes finies, car elle présente des avantages considérable de fait qu’elle soit simple, qu’elle garantisse la conservation de masse et de la quantité de mouvement dans chaque volume de contrôle et dans tout le domaine de calcule et qu’elle soit applicable dans les géométries complexes.
La méthode des volumes finis est localement conservative car elle est basée sur une approche «balance ». La balance locale est écrite sur chaque cellule de discrétisation, qui sera appelé «volume de contrôle », par la formule de divergence, une formulation intégrale des flux sur les bords du volume de contrôle est alors obtenue .

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I Généralités sur les échangeurs de chaleur
Introduction
Définitions
I.2 Critères de classification des échangeurs de chaleur
I.2.1. Classification selon la technologie
I.2.2. Classification selon le mode de transfert de chaleur
I.2.3. Classification suivant le procédé de transfert de chaleur
I.2.4. Classification fonctionnelle
I.2.5. Classification suivant la nature du matériau de la paroi d’échange
I.2.6. Classification selon le contact
I.2.7. Classification selon le nombre de fluides
I.3.Classification par mode de conception
I.3.1 .Echangeurs tubulaires
A. Echangeur monotube
B .Echangeur coaxial
C. Echangeur multitubulaire
Echangeur a tubes séparés
Echangeur a tubes rapprochés
D. Echangeur a tubes à ailettes
ailettes transversales
ailettes longitudinales
E. Echangeur tube et calandre
E.1.Calandre
E.2.Faisceau
E.3.Boite d’échangeur
E.4.Chicanes
Chicanes transversales
Chicanes doublés
E.5.plaques tubulaires
Fixation des tubes sur la plaque tubulaire
E.6.Tirants et entretoises
E.7.déflecteurs d’entrée
E.8.Classification des échangeurs tubes-calandres
E.8.1.Echangeur a plaque tubulaires fixes
E.8.2.Echangeurs avec tubes en U
E.8.3.Echangeurs à tête flottantes
E.9. Echangeurs a plaques
a. Echangeurs à surface primaire
Echangeurs à plaques et joint
Echangeurs à plaques soudées ou brassées
b. Echangeurs à surface secondaire
Echangeurs à plaques serties 24Echangeur a plaques brasées
I.4.Problèmes de fonctionnement des échangeurs de chaleur
I.4.1Encrassement
a. Définition
b. Les causes d’encrassement
c. Différents types d’encrassement
Encrassement particulaire
Corrosion
Entartrage
Encrassement biologique
Encrassement par réaction chimique
Encrassement par solidification
d. Méthodes de nettoyage des échangeurs pendant les phases d’arrêt
Nettoyage chimique
I.4.2.Corrosion
A. définition
B. Différents types de corrosion
Corrosion généralisée
Corrosion localisée
Corrosion par piqures
Corrosion inter cristalline
Fatigue-corrosion
C. Protection contre la corrosion
I.4.3.Vibrations
Conclusion
Chapitre II Recherche Bibliographique
Introduction
Les méthodes amélioration du transfert de chaleur dans les EC
1. Méthode active
2. Méthode passive
3. Méthode composée (mixte)
4. Nanofluide dans les échangeurs de chaleur à double tubes (EHDT)
Chapitre III Formulation mathématique
III.1. Position du problème
III.1.1. Introduction
III.1.2. Modèle physique
III.1.3. Hypothèses
III.1.4. Equations gouvernantes
II.1.4.1 : Pour le fluide chaud (eau chaude)
(1) continuité
(2) quantité de mouvement
(3) énergie
III.1.4.2 : Pour le fluide froid (eau froide)
(1) continuité
(2) quantité de mouvement
(3) énergie
III.1.4.3 : Dans le solide du tube interne
(4)Equation de l’énergie cinétique
(5)Equation de la dissipation pour
III.1.5. Conditions aux limites 54A- Fluide chaud (eau chaude)
B- Fluide froide (eau froide)
C- Dans les parois solides
D- Aux interfaces fluides solides
E- Dans la symétrie
F- La paroi supérieure est parfaitement isolée (adiabatique)
III.6. Paramètres caractéristiques
III.6.1. Paramètres hydrodynamiques
III.6.1.1 Nombre de Reynolds
III.6.1.2. Frottements à la paroi
III.6.1.3. Perte de charge dans un échangeur double tubes
III.1.7.1. Paramètres thermiques
III.1.7.1.1. Coefficient de transfert thermique
III.1.7.1.2 Nombre de Nusselt
III.1.7.1.3. Performances thermo-hydrodynamiques
Modification 1 : Géométrie EHDT conique simple
Modification 2 : Géométrie EHDT conique convexe
Modification 3 : Géométrie EHDT conique concave
Chapitre IV Simulation par Fluent
Introduction
IV.1. Choix de la méthode numérique
IV.2. Présentation de logiciel CFD
IV.3. Principes des codes CFD
IV.4. Principe de la méthode des volumes finis
IV.5. Maillage
IV.6. Choix de maillage
IV.7. GAMBIT
Astuce
Important
IV.8. Détail des principaux menus
IV.9. Commandes dans le Gambit
IV.10. Exportation du maillage de gambit
IV.11. Fluent
IV.12. Différents étapes à suivre pour la modélisation numérique par FLUENT
IV.13. Les étapes à suivre sur fluent
A. Choisir le type de résolution
B. Importer le fichier
C. Vérification du maillage
D. Vérification du maillage importé
E. Choix du solveur
F .Choix du solveur sous Fluent
G .Conditions d’opération
H .Définition des caractéristiques du fluide
I .Conditions aux limites usuelles
J .Lancement du calcule
Conclusion
Chapitre V Résultats et discussions
Introduction
V.1. Indépendance de maillage
V. 2. Validation des résultats de simulation
V.3. Effet de diamètre d’entrée et de sortie du tube conique
V.4. Comportement dynamique
V.4. 1. Profil de vitesse axiale dans tout le domaine à x=L/2
V.4. 2. Coefficient de friction local
V.4. 2.1 Coefficient de friction local dans le tube interne
V.4 2.2. Coefficient de friction local dans le tube externe
V.4. 3. Facteur de frottement moyen
V.5. Comportement thermique
V.5.1. Profil de température axiale dans tout le domaine à x=L/2
V.5.2 Nusselt local
V.5.2.1. Nusselt local interne
V.5.2.2 Nusselt local annulaire
V.6.Effet de présence d’ondulation
V.6.1 Comportement dynamique
V.6-1-1 Profil de vitesse axiale dans tout le domaine à x=L/2
V.6-1-2 Le coefficient de friction local
a- Coefficient de friction local interne
b- Coefficient de friction local annulaire
c- Facteur de frottement moyen dans le tube annulaire
d – la chute de pression dans le tube annulaire
V.7Comportement thermique
V.7-1-1 Profil de température axiale dans tout le domaine à x=L/2 pour différents arrangements
V.7-1-2 Nombre du Nusselt local pour différents arrangements
V.8.Nombre du Nusselt moyen
V.9Critère d’évaluation des performances
Conclusion
Conclusion générale

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