Echangeur thermique

LES ECHANGEURS THERMIQUES
I Présentation de l’étude
1.1 Les différents rôles des échangeurs
•
•
Abaisser ou augmenter la température d’un fluide
Effectuer un changement d’état ou plusieurs
1.2 Quelques exemples d’utilisation
•
•
•
•
•
Condenseur total ou partiel dans une colonne de distillation
Préchauffeur sur ligne d’alimentation d’une distillation continue
Réfrigérant sur ligne de soutirage
Echangeur sur poste d’évaporateur
Double enveloppe sur Grignard
Rem : multitude de fonction en GC, donc rôle important
1.3 Technologie des échangeurs
1.3.1 Echangeur où se mélangent les deux fluides
• Préchauffeur fonctionnant à la vapeur
• Entrainement à la vapeur
1.3.2 Echangeur où les deux fluides sont séparés par une surface.
• Faisceau tubulaire
• Tube concentrique ou coaxial
• Serpentin
• Echangeur à plaques
1.3 Les différents modes d’alimentation
• Co-courant
• Contre courant
II Présentation des échangeurs étudiés
2.1 Faisceau tubulaire
2.1.1 Schéma
• Représenter rapidement l’échangeur
• Définir les tubes et la calandre
• Faire une coupe longitudinale et transversale de l’échangeur pour
calculer les sections de passage du fluide chaud et du fluide froid.
• Signaler où se trouvent les deux fluides à l’aide de couleur (bleu et
rouge par exemple). Cette signalisation sera très utile pour justifier le
calcul des pertes thermiques.
• Sens d’alimentation
• Signaler la surface d’échange à l’aide de couleur. (Utile pour calculer S)
2.1.2 Calcul de la surface d’échange
S = ! .D.L.n
avec D : diamètre du tube
avec L : longueur du tube
et n : nombre de tube
2.1.3 Calcul de la section de passage des tubes pour calculer le régime
d’écoulement du fluide correspondant
! .D 2
.n
4
avec D : diamètre intérieur du tube
et n : nombre de tube
Sp =
Connaissant la section de passage Sp, on peut calculer la vitesse du fluide :
Qv
V =
Sp
A l’aide de la vitesse V, on peut calculer le régime d’écoulement Re
Re =
2.2 Tube concentrique
! .V .D
µ
2.2.1 Schéma
• Représenter rapidement l’échangeur
• Définir les tubes intérieur et extérieur
• Faire une coupe longitudinale et transversale de l’échangeur pour
calculer les sections de passage du fluide chaud et du fluide froid.
• Signaler où se trouvent les deux fluides à l’aide de couleur (bleu et
rouge par exemple). Cette signalisation sera très utile pour justifier le
calcul des pertes thermiques.
• Sens d’alimentation
• Signaler la surface d’échange à l’aide de couleur. (Utile pour calculer S)
2.2.2 Calcul de la surface d’échange
S = ! .D.L.
avec D : diamètre du tube
avec L : longueur du tube
2.2.3 Calcul de la section de passage du tube intérieur pour calculer le régime
d’écoulement du fluide correspondant
! .D 2
.
4
avec D : diamètre intérieur du tube intérieur
Sp =
Connaissant la section de passage Sp, on peut calculer la vitesse du fluide :
Qv
V =
Sp
A l’aide de la vitesse V, on peut calculer le régime d’écoulement Re
Re =
! .V .D
µ
2.2.4 Calcul de la section de passage du tube extérieur pour calculer le régime
d’écoulement du fluide correspondant
2
2
! .Dext
" ! .Dint
.
4
avec D ext : diamètre intérieur du tube extérieur
avec D int : diamètre extérieur du tube intérieur
Sp =
Connaissant la section de passage Sp, on peut calculer la vitesse du fluide :
Qv
V =
Sp
III Explication des calculs
Rem : Pour chaque échangeur étudié, il faudra expliquer une série de mesures, ce qui
correspond à une ligne de calcul ou une colonne pour un fichier Excel.
3.1 Faisceau tubulaire
•
•
•
Rappeler la surface d’échange calculée auparavant.
Faire un calcul pour le fluide chaud
Faire un calcul pour le fluide froid
3.1.1 Fluide chaud
•
Expliquer pourquoi on fait un calcul de température moyenne
Ce calcul nous permet de déterminer une masse volumique moyenne, une capacité
calorifique moyenne et une viscosité dynamique moyenne à l’aide de graphiques mis à notre
disposition.
•
•
Calcul de ΔT
Calcul de φ
# = Qv." .Cp.!T
Il faut donner les unités choisies et vérifier que le choix est homogène car vous allez être
très pénalisés s’il y a une erreur d’unité.
3.1.2 Fluide froid
Même chose
3.1.3 Calcul de K : coefficient global d’échange thermique
Il faut faire un schéma de la variation de température des deux fluides au sein de
l’échangeur pour calculer la ΔT mln
Ce dessin permettra de vérifier le mode d’alimentation et de contrôler vos calculs sous la
feuille Excel.
K=
"
S .!Tm ln
Pour calculer K, on prend le flux correspondant au fluide qui est isolé de l’extérieur. Pour
notre cas, on prendra le flux du fluide qui circule dans les tubes du faisceau tubulaire ou le
fluide qui circule dans le tube intérieur de l’échangeur concentrique.
3.1.3 Calcul des pertes thermiques
φ extérieur
φ chaud
Fluide chaud
Fluide froid
Donc
! froid = ! chaud - ! ext
Les pertes thermiques correspondent au flux extérieur
Donc
Pertes thermiques = ! chaud - ! froid
Attention : Si le fluide chaud est en contact avec l’extérieur, alors il faut modifier la
formule (calcul inverse).
III Exploitation des résultats
3 .1 Etude du faisceau tubulaire
Observation 1 :
A débit constant d’eau chaude , à contre courant, à simple passe, et l’eau chaude circulant
dans les tubes, le coefficient d’échange global thermique augmente avec le débit d’eau froide.
En effet , en augmentant le débit d’eau froide, la turbulence augmente et favorise les échanges
thermiques au sein du fluide froid.
Le coefficient global dépend de trois coefficients partiels :
•
•
•
Coefficient partiel au sein du fluide chaud relatif à un échange thermique par
convection forcée (celui-ci est constant car le débit d’eau chaude est constant) que l’on
note h1
Coefficient partiel au sein du métal inox relatif à un échange thermique par conduction
que l’on note h2
Coefficient partiel au sein du fluide froid relatif à un échange thermique par
convection forcée (celui-ci est variable car le débit d’eau froide varie) que l’on note h3
1
1 1
1
! +
+
K h1 h2 h3
Il suffit donc pour favoriser un échange thermique d’augmenter les débits ;
ce qui se traduit par une augmentation du coefficient global d’échange thermique K
et par une diminution de la température de sortie du fluide chaud
Débit d’eau froide
100 L/h
800 L/h
K en W/m2/°C
529,69
1025,68
Débit d’eau froide
100 L/h
800 L/h
T sortie eau chaude
38,2
35,9
Il faut noter que le coefficient global d’échange thermique n’a pas de relation
linéaire avec le débit d’eau froide.
« Pour doubler K, il ne suffit pas de doubler le débit d’eau froide »
Observation 2 :
Quand le débit d’eau froide augmente, sa température de sortie diminue.
En effet, en augmentant le débit d’eau froide, on diminue son temps de séjour dans
l’échangeur et donc « il n’a pas suffisamment de temps pour se réchauffer »
3 .2 Etude des autres échangeurs
Mêmes observations
3 .3 Comparaison des échangeurs
Pour les mêmes débits et mêmes températures d’entrée en mode contre-courant et à
surface d’échange identique, on peut s’apercevoir en analysant les coefficients
globaux d’échange thermique que l’échangeur à plaques est le plus performant.
T entrée eau chaude = 40°C
T entrée eau froide ~ 11 °C
Débit d’eau chaude = 900 L/h
Débit d’eau froide = 900 L/h
Type d’échangeur
Faisceau tubulaire
Tube concentrique
A plaques
K en W /m2/°C
1040
1621
4580
Rem : On peut constater que le tube coaxial est plus performant que le faisceau tubulaire,
anomalie qui s’explique par le régime d’écoulement.
En effet, à débit identique, le régime d’écoulement des deux fluides est plus important
dans le tube concentrique que dans le faisceau tubulaire ce qui modifie de façon
importante le coefficient d’échange global .
L’échange thermique est meilleur dans le tube concentrique mais il y a beaucoup
plus de pertes de charge (En faisant un bilan énergétique, on pourrait constater que
le faisceau tubulaire est meilleur que le tube concentrique)
Pour vérifier cette hypothèse, nous avons choisit des débits différents
pour les deux échangeurs concernés de telle sorte que le régime d’écoulement des deux
fluides soit identique.
Faisceau tubulaire
Qv froid : 900 L/h
Qv chaud : 900 L/h
Re froid : 2000
Re chaud : 4000
K = 1040 W/m2/°C
Tube concentrique
Qv froid : 350 L/h
Qv chaud : 300 L/h
Re froid : 2000
Re chaud : 4000
K = 767 W/m2/°C