METHODE GENERALE DE CALCUL POUR UN ECHANGEUR DE CHALEUR

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DESCRIPTION D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR

Un échangeur de chaleur est un dispositif mettant deux fluides en présence thermiquement. C’est un appareil destiné à transmettre la chaleur d’un fluide à un autre.
En général, il est constitué d’un bloc de paroi adiabatique munie de deux entrées: l’une pour le fluide primaire qui est le fluide caloporteur et l’autre pour le fluide secondaire ou le fluide utile.
Les deux fluides s’écoulent dans deux conduites différentes et la paroi séparatrice doit avoir une conductivité thermique importante pour qu’il y ait transmission de la chaleur tendant à refroidir le fluide chaud et à échauffer le fluide froid mais dans certains échangeurs les deux fluides se mélangent. Il n’y a pas de règle générale pour fixer la disposition relative des circuits des fluides mais si on veut limiter la déperdition thermique, le fluide chaud doit circuler à l’intérieur; il en est de même pour les fluides agressifs, encrassant.
Ces deux fluides peuvent traverser l’échangeur en plusieurs nombres de fois jusqu’à l’obtention de la température voulue. C’est l’inconvénient de l’échangeur à plusieurs passes car il peut arriver y avoir un pincement des fluides.
La paroi extérieure est thermiquement isolante. Elle possède donc la plus faible conductivité thermique que possible pour éviter les pertes thermiques et tout autre inconfort.
Des chicanes transversales peuvent être disposées à l’intérieur pour prolonger le parcours suivi par le fluide et pour favoriser la turbulence.
Des ailettes sont utilisées si l’un des transferts conduction et convection est médiocre. Elles sont placées dans le côté du fluidemauvais convecteur.
Nous distinguons plusieurs types d’ailettes; leurs utilisations dépendent de la performance et de l’encombrement exigé. Il vaut mieux utiliser des ailettes minces, à moins espacées et possèdent une conductivité thermique élevée.
La température de sortie du fluide froid est maintenue à une valeur de consigne donnée en agissant sur le débit de fluide chaud, par contre la température de sortie du fluide chaud est une grandeur réglée ainsi que son débit.
On peut donc contrôler les caractéristiques du fluide froid qui est le but de notre étude et que nous verrons au chapitre III.

LES DIFFERENTS TYPES D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR

Une classification d’échangeur peut se subdiviser en trois parties.

la circulation de deux fluides

o Echangeur à cocourant ou courant parallèle
Les deux fluides circulent dans le même sens c’est à dire même entrée et même sortie. Leurs débits sont donc  » positifs ».
o Echangeur à contre courant
L’un de fluides a le sens contraire que l’autre, par conséquent l’un des débits est » négatif ». En général, c’est le fluide froid qui l’a.
o Echangeur à courant croisé avec ou sans brassages L’écoulement est perpendiculaire l’un de l’autre, les deux fluides se croisent entre eux.
Le choix dépend de l’efficacité désirée, de la facilité de sa réalisation et de la température admissible des parois.

classification selon les formes de l’appareil

Echangeur à caloducs

Ce type d’échangeur est utilisé lorsqu’il s’agit detransmettre d’une puissance élevée avec un faible écart de température.
Sa fabrication est simple et peu onéreuse et il est un peu encombrant, silencieux mais présente une longue durée de fonctionnement.

Echangeur à plaque ou échangeur compact

Il est caractérisé par un ensemble des plaques fixées par des joints sur sa périphérie. Les fluides s’écoulent entre ces plaques à l’intérieur. Les surfaces primaire et secondaire sont les mêmes. Facile à démonter lors du lavage et on pourra augmenter ou diminuer la surface d’échange en jouant uniquement sur les nombres des plaques. Son inconvénient est qu’il ne supporte pas une pression élevée et qu’on ne peut pas l’utiliser qu’en dessous de 200°C.

Echangeur tubulaire(en verre ou en acier inoxydable)

C’est un échangeur formé soit par deux tubes coaxiaux ou échangeur bitube, soit en un tube en serpentin ou soit en faisceau de tube réunie dans une enveloppe appelée calandre. Leur paroi forme sa surface d’échange.
Il est plus économique et facile à réaliser. On pourra augmenter facilement sa vitesse d’écoulement pour avoir un coefficient d’échange élevé à cause de sa petite section.
Son inconvénient est qu’il est difficile à démonter donc il faudra utiliser des matériaux non corrosifs.
Si le fluide caloporteur est encrassant, il est à conseiller d’utiliser une tête flottante ou glissante pour permettre la libre dilatation des tubes.

Echangeur non métallique(plastique ou céramique)

Ces matériaux sont non corrosifs donc on n’est pas obligé de le nettoyer.
Certains ne résistent pas à une très haute température (ils se dilatent).
Les plastiques ont souvent des petits diamètres et ne résistent pas au choc.

classification selon les appareils existants

Le condenseur
C’est un échangeur air et fluide, destiné à évacuer la chaleur extraite du système vers l’extérieur. Il y a condensation lorsque la vapeur recueillit du système à l’état(pv , T) vient en contact avec une paroi( Tp , Tsat )et il se forme un dépôt liquide sur la surface d’échange. Le gaz devient liquide sous l’action d’un refroidissement.
On a plusieurs types de condenseur:
Condenseur à air Condenseur à eau
Condenseur à double tube
Condenseur à immersion
Dans la plupart des cas on utilise l’air que ce soit pour le condenseur que pour l’évaporateur cité ci-dessous pour assurer l’économie mais sa chaleur spécifique est faible donc pour avoir un bon rendement il faut augmenter la surface d’échange sans penser à l’appareil trop encombrant.
L’évaporateur
Comme le condenseur il est caractérisé par un tube en serpentin, garnie d’ailettes de faible épaisseur espacée les unes des autres. Ces dernières accumulent des givres ou bien favorisent les dépôts de poussière même s’ils offrent une grande surface d’échange.
Son rôle est de prélever la chaleur à l’air par l’intermédiaire de la vaporisation du fluide frigorigène.
Le fluide caloporteur passe de l’état liquide à l’état vapeur en donnant sa chaleur de vaporisation au produit à refroidir après une diminution de pression et absorbe le flux calorifique.
On peut citer:
Le refroidisseur de liquide ou de gaz
Le congélateur
Les évaporateurs spéciaux
L’évaporateur plafonnier et mural
La nature de matériau est bien sûr en fonction du f luide utilisé et l’écartement des ailettes dépend de la température de la chambre froide, de fréquence de dégivrage, de la nature de la denrée.
Le réchauffeur d’air et le réchauffeur d’eau ou économiseur
Ce sont des échangeurs à surfaces, constitués par des tubes généralement horizontaux disposés de façon que la circulation de l’eau soit ascendante, avec ou sans ailettes. Il utilise la condensation pour chauffer un liquide ou un gaz; son principe est toutefois identique au condenseur.
Le réchauffeur d’air, muni des chicanes délimitant les passages d’air, est chargé de récupérer la chaleur sensible contenue dans le gaz pour chauffer l’air, généralement à contre courant et disposé après l’économiseur. L’air chaud est transmis à la sortie par une cheminée appelée carter; en augmentant la hauteur de celle ci l’échange s’améliore.
Le radiateur
Ce type d’échangeur assure le refroidissement des organes ou des moteurs (en général les chemises et les culasses.) Il utilise l’eau comme fluide caloporteur sous une pression normale et légère pour éviter l’ébullition qui est stocké dans le réservoir afin d’éviter un brusque changement detempérature; certain utilise l’air lorsqu’il s’agit de renouvellement d’air. A une valeur élevée de température( ex 120°C ), la pression doit être plus basse ( inf érieur à 2 bars) sinon il y a formation de vapeur. Ceci est assuré par un vase d’expansion d’air atmosphérique ou une sous pression d’azote.
La performance de l’appareil est limitée du coté air (zone extérieure) donc il est inutile d’augmenter quoique ce soit à l’intérieur.
Le récupérateur
Cet échangeur utilise toute la chaleur perdue pour réchauffer un fluide(le cas le plus répandu est le chauffage d’un bâtiment en hive r.)
On distingue:
Le récupérateur à plaques
Batterie à eau glycolée Le récupérateur rotatif
Lorsque la récupération n’est pas possible ou n’est pas rentable, il faut l’évacuer par exemple dans l’automobile la chaleur transmise à l’eau de refroidissement est évacuée dans l’atmosphère.
La surchauffeur de vapeur
C’est un échangeur qui sert à dessécher complètemen et à surchauffer la vapeur produite dans les écrans d’eau des surfaces de chauffage par rayonnement et convection.
Le climatiseur
Le climatiseur a pour rôle de recréer un climat dans un local par traitement de l’air. Il utilise le même principe que le réchauffeur mais il peut aussi refroidir.
On extrait du local un débit d’air, et on le remplace par l’air neuf traité thermiquement, puis on souffle le local.

METHODE GENERALE DE CALCUL POUR UN ECHANGEUR DE CHALEUR

Le calcul complet d’un échangeur de chaleur est indispensable pour orienter le choix et aussi par raison économique.
Notre but est donc d’optimiser une surface d’échange que ce soit sur son dimensionnement ou sur le plan économique car en général plus la surface est grande, plus l’échange est intéressant mais son coût sera élevé.

Table des matières

Chapitre I L’ECHANGEUR DE CHALEUR
I.1. GENERALITES
I.1.1. Le fluide
I.1.2 La couche limite
I.1.3 Le milieu adiabatique
I.1.4 les métaux
I.1.5. Les différents modes de transferts de chaleur.
I.1.6. les pertes thermiques
I.2 DESCRIPTION D’UN ECHANGEUR.
I.3 LES DIFFERENTS TYPES D’ECHANGEUR.
I.3.1 classification selon la circulation de deux fluides
I.3.2 classification selon les formes de l’appareil
I.3.3 classification selon les appareils existants
Chapitre II METHODE GENERALE DE CALCUL POUR UN ECHANGEUR DE CHALEUR.
II.1 ETUDE ANALYTIQUE
II.1.1 calcul en utilisant la méthode itérative de Gauss Seidel
II.1.2 calcul de l’efficacité d’un échangeur
II.1.3. calcul des pertes
II.2 ETUDE ECONOMIQUE
II.3 CALCUL POUR LE DIMENSIONNEMENT D’UN ECHANGEUR
Chapitre III MODELISATION DU SYSTEME
III.1 INTRODUCTION
III.2 METHODE DE CALCUL
III.3 ORGANIGRAMME DE CALCUL
III.3.1 organigramme principal
III.3.2 organigramme de Gauss Seidel
III.4 CHOIX DE PAS DE TEMPS ET D’ESPACE
III.4.1.pas d’espace
III.4.2. pas de temps
III.5 STRUCTURE DU PROGRAMME
III.5.1 Logiciel pour le calcul thermique
III.5.2. logiciel pour le dimensionnement
III.6.PRESENTATION DU LOGICIEL
III.7.RESULTAS DES SIMULATIONS
III.7.1.variation de la température
III.7.2.variation de la surface d’échange
III.7.3.Variation de l’efficacité
III.7.4.Etude de l’influence des autres paramètres
III.8 DIMENSIONNEMENT
Chapitre IV PROJET DE REALISATION
IV.1.CARACTERISTIQUE DE L’ECHANGEUR
IV.2.PROCEDE DE FABRICATION
IV.3 LES ELEMENTS INDISPENSABLES A LA REALISATION
IV.4. EXPERIENCE ET RESULTAT
IV.5 VERIFICATIONS
Chapitre V IMPACTS ENVIRONEMENTAUX
TABLE DES MATIERES
CONCLUSION.
BIBLIOGRAPHIE.
ANNEXES.

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