La grande majorité des opérations réalisées dans l’industrie du raffinage ou de la
pétrochimie utilise la température comme une des variables opératoires principales .en effet, que ce soit pour vaporiser une coupe d’hydrocarbures lors d’une distillation ou pour faire réagir certaines molécules à transformer (avec ou sans catalyseur), il est toujours nécessaire d’ajuster la température au niveau requis pour l’opération à réaliser. Ainsi, les équipements qui permettent d’ajuster cette variable opératoire sont indispensables à de très nombreux points d’un procédé. L’échelle des températures à réaliser est très vaste, allant, si l’on considère les extrêmes, de la température de liquéfaction du méthane (-161C°) à environ 1000C° pour le craquage de cette molécule.
Pour réaliser tous ces ajustements, on dispose de deux types distincts d’équipements :
• Les fours, qui produisent, de la chaleur à température élevée.
• Les échangeurs de chaleurs, qui permettent de récupérer au maximum l’énergie thermique contenue dans les divers flux de la raffinerie et ainsi d’ajuster les niveaux de température en tous points des schémas de raffinage.
Le transfert de chaleur est le processus par lequel de l’énergie est échangées sous forme
de chaleur entre des corps ou des milieux à la température différentes cette chaleur peut être transmis par Conduction, Convection ou Rayonnement.
III-2 - Modes de transfert de chaleur :
III-2-a- Conduction :
La conduction thermique est la propagation de la chaleur, de molécule à molécule, dans un corps ou dans plusieurs corps contigus et non réfléchissants, sans qu’il y ait mouvement du milieu ou que ce mouvement intervient dans la transmission.
Ce mode de transmission caractérise essentiellement les transferts de chaleur dans les solides où entre corps solides contigus. La conduction intervient également dans les liquides et Les gaz mais, sauf dans le cas des liquides très visqueux ou des gaz emprisonnés dans des matériaux poreux.
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Il ne faut pas confondre la conduction thermique et le chauffage par passage de courant électrique directement dans la pièce à chauffer, appelé chauffage par conduction électrique. Le transfert de chaleur par conduction caractérise tous les transferts de chaleur qui s’effectuent dans les parois séparant deux corps à des températures différentes. C’est le cas des surfaces d’échange des échangeurs de chaleur, mais c’est aussi celui des murs et vitrages d’un bâtiment, des cuves contenant des liquides chauds ou froids, des parois des fours, etc.
Il est courant que les parois soient constituées de plusieurs matériaux ayant chacun un rôle spécifique (réfractaire, revêtement anticorrosion, isolant thermique, etc.) et qui sont des parois composites à travers lesquelles s’effectue le transfert de chaleur.
La loi fondamentale de la convection s’écrit comme suit :
Q=λ. S. ∆T
Avec :
Q : quantité de chaleur échangée. λ : coefficient de conduction. S : surface d’échange.
∆T : différence de température.
I I I - 2 - b . C o n v e c t i o n :
La convection caractérise la propagation de la chaleur dans un fluide, gaz ou liquide, dont les molécules sont en mouvement.
Imaginons un solide baignant dans un fluide en mouvement. Si le solide et le fluide ne sont pas à la même température, de la chaleur est échangée entre le solide et les particules fluides qui sont à son contact. Cet échange se fait par conduction. Mais la particule de fluide, dès qu’elle a échangé de la chaleur, se déplace et est remplacée, au contact du solide, par une autre particule. Par ailleurs, la particule fluide initiale rencontre, au cours de son déplacement, d’autres particules fluides avec lesquelles elle échange de la chaleur par conduction.
Le mécanisme élémentaire de transfert de chaleur est la conduction thermique mais le phénomène global, qui est la convection thermique, résulte de la combinaison de cette conduction avec les mouvements du fluide qui obéissent à des lois spécifiques.
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Deux types de convection sont généralement distingués :
la convection naturelle dans laquelle le mouvement résulte de la variation de la masse volumique du fluide avec la température ; cette variation crée un champ de forces gravitationnelles qui conditionne les déplacements des particules du fluide ;
La convection forcée dans laquelle le mouvement est provoquée par un procédé
mécanique indépendant des phénomènes thermiques ; c’est donc un gradient de pression extérieur qui provoque les déplacements des particules du fluide.
L’étude de la transmission de chaleur par convection est donc étroitement liée à celle de l’écoulement des fluides.
Les applications du transfert de chaleur par convection sont beaucoup trop nombreuses
pour que l’on puisse envisager de les citer toutes. Elles interviennent chaque fois que l’on chauffe ou que l’on refroidit un liquide ou un gaz, qu’il s’agisse de faire bouillir de l’eau dans une casserole, du radiateur de chauffage central, du radiateur associé au moteur d’une voiture ou de l’échangeur dans un procédé, évaporateur ou condenseur.
La convection s’applique même si la surface d’échange n’est pas matérialisée par une paroi, ce qui est le cas des condenseurs par mélange ou des réfrigérants atmosphériques, voire des sécheurs à air chaud.
La loi fondamentale de la convection s’écrit comme suit :
Q = h. A. DTLM
Avec :
Q : quantité de chaleur échangée. h : coefficient de transfert. A : surface d’échange.
DTLM : différence de température logarithmique moyenne.
La similitude thermique est déterminée par les critères : Nu = f (Re, Pr)
• Critère de Nusselt:
Nu = h.d/ λ
Page 30 • Critère de Prandtl :
Pr= Cp.µ / λ
Il Caractérise les propriétés physiques des fluides
• Critère de Reynolds :
Re = µ. d / v
Avec :
µ : viscosité dynamique
d : longueur caractéristique de la géométrie v : viscosité cinématique
λ : conductibilité thermique Cp : chaleur massique
Ces grandeurs étant exprimées dans un système d’unités cohérent.
III-2-c- Rayonnement :
Il est fondamentalement différent des deux autres types de transfert, ce sens que les substances qui échangent de la chaleur n’ont pas besoin d’être en contact l’une à l’autre, elles peuvent même être séparées par le vide.
Le rayonnement est l’émission d’ondes électromagnétiques par un corps chauffé selon la théorie quantique.
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