Les échangeurs de chaleur et l’étude thermique

Les échangeurs de chaleur et l’étude thermique

Généralités sur les échangeurs de chaleur et l’étude thermique

Introduction

Dans les sociétés industrielles, l’échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l’énergie. Une grande part de (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 detempérature 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.

Qu’est qu’un échangeur thermique ?

Un échangeur est un dispositif permettant de transférer de l’énergie thermique entre deux fluides, habituellement séparés par une paroi solide.

Les modes de transfert

L’échange de chaleur qui se produit entre 2 corps qui sont à des températures différentes peut se faire selon 3 modes :
CONDUCTION : la chaleur se propage de proche en proche à travers la matière sans qu’il n’ait de transfert de cette dernière. La conduction assure un bon transfert de chaleur à travers les solides.
CONVECTION : dans un fluide les différences de température produisent des différences de densité pouvant amener à des mouvements de la matière dits mouvements de convection
RAYONNEMENT : Les corps émettent de l’énergie par leur surface sous forme des radiations. C’est un moyen qui n’a pas besoin de support matériel, on le rencontre donc dans le vide. Tous les corps transparents permettent à la chaleur de se propager ainsi.

Principe général

Le principe le plus général consiste à faire circuler deux fluides à travers des conduites qui les mettent en contact thermique. De manière générale, les deux fluides sont mis en contact thermique à travers une paroi qui est le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur (en général un fluide chaud qui cède de la chaleur à un fluide froid) comme montré ci-dessous :
Figure 7 : principe général du fonctionnement
Les deux fluides échangent de la chaleur à travers la paroi d’où le nom de l’appareil. Le principal problème consiste à définir une surface d’échange suffisante entre les deux fluides pour transférer la quantité de chaleur nécessaire dans une configuration donnée. On vient de le dire, la quantité de chaleur transférée dépend de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètre ce qui rend une étude précise de ces appareils assez complexe.
Les flux de chaleur transférés vont aussi dépendre :
Des températures d’entrée.
Des caractéristiques thermiques des fluides (chaleurs spécifiques, conductivité thermique).
Des coefficients d’échange par convection.

Les types d’échangeurs de chaleur

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 trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réalisés pour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée.

Les échangeurs à faisceaux tubulaires Type : liquide-liquide.

Ce système permet la libre dilatation du faisceau. En revanche, le nettoyage des tubes est difficilement réalisable autrement que par voie chimique.

Les échangeurs coaxiaux

Type : liquide-liquide.
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.

Les échangeurs multitubulaires

– Echangeur à tubes ailettes : Type : Gaz-liquide.
Ces tubes permettent d’améliorer le coefficient d’échange thermique.
Les avantages des échangeurs tubulaires :
– Economique.
– Accepte des grands écarts de température.
Les inconvénients :
– Difficulté de nettoyage.
– Sensible aux vibrations.
– Dimensionnement complexe (échangeur à tubes ailettes).

Les échangeurs à plaques et joints

Type : Liquide-liquide/gaz-liquide.
L’échangeur à plaques est un type d’échangeur de chaleur qui connaît un usage croissant dans l’industrie. Il est composé d’un grand nombre de plaques disposées en forme de millefeuilles et séparées les unes des autres d’un petit espace (quelques millimètres) où circulent les fluides. Le périmètre des plaques est bordé d’un joint qui permet par compression de la structure d’éviter les fuites.
Figure 11 : échangeur à plaques et joints
Les plaques sont généralement en acier inoxydable en particulier dans l’agroalimentaire pour des raisons évidentes d’hygiène et de santé publique. A noter que l’utilisation de joints en matière organique réduit la gamme de température de fonctionnement.
Les avantages des échangeurs à plaques :
– Simplicité/Moins couteux.
– Facilité de l’adaptation.
– Limite des pertes thermiques.
– Turbulence.
Les inconvénients :
– Pertes de charge.

Bilan thermique

Définition
Le but d’un bilan thermique est de déterminer les échanges thermiques qui ont eu lieu dans l’échangeur, afin d’améliorer sa performances, ou de les calculer pour assurer certains impératifs.
Ecriture du bilan thermique
• Bilan thermique simple :
Ce type de bilan peut être utilisé pour la plupart des procédés. Dans notre cas on a deux fluides qui circulent sans être en contact.
Les fluides froid et chaud sont respectivement définis par les grandeurs suivantes : débits massiques (ṁ et ṁ’), chaleurs massiques moyennes (Cp et Cp’), températures d’entrée (Te et Te’) et de sortie (Ts et Ts’).
On doit définir les flux de chaleur qui correspondent à des gains ou pertes d’énergie par unité de temps pour un fluide. Ce sont donc des puissances thermiques exprimées en W ou souvent encore en kJ.h-1.Dans le cas le plus général le flux de chaleur s’écrit comme la somme d’un terme dû à une variation de température

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Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I :Présentation de la société et le processus de fabrication de la levure
I. Présentation de la société
1. Présentation de LESAFFRE group
2. Historique
3. LESAFFRE en quelques chiffres
4. Organigramme de la société
II. Processus de la fabrication
1. Définition de la levure
2. La cellule de la levure
3. Les différentes étapes de la fabrication de la levure
CHAPITRE II :Généralités sur les échangeurs de chaleur et l’étude thermique
I. Introduction
1. Qu’est qu’un échangeur thermique ?
2. Les modes de transfert
3. Principe général
II. Type des échangeurs de chaleur
1. Les échangeurs tubulaires
2. Les échangeurs à plaques et joints
III. Etude thermique d’un échangeur
1. Les résistances thermiques
2. Bilan thermique
3. Rendement de l’échangeur
4. Dimensionnement de l’échangeur
Chapitre III :Elaboration du projet
I. Problématique
II. Etude de la problématique
III. Etude thermique
1. Pratiquement
2. Théoriquement
Conclusion générale
Références