Faculté des sciences et des sciences Appliquées
** Département de
En vue d’obtention diplôme de Master
Option
Réalises par :
MERZOUK AKLI
LAIDLI ELAID
Devant le jury composé de :
Président : Mr : M.MERZOUK Rapporteur : Mr : S.ABERKANE Examinateurs :
Mr : R.Lakhal Mr : M.TAMRABET
Faculté des sciences et des sciences Appliquées
Département de Génie Mécanique **
Projet de fin d’étude
d’obtention diplôme de Master en
Génie mécanique
Option : énergétique
MERZOUK AKLI
MERZOUK Université de Bouira
S.ABERKANE Université de Bouira
Université de
: M.TAMRABET Université de
Année
Faculté des sciences et des sciences Appliquées
en :
Université de Bouira Université de Bouira Université de Bouira Université de Bouira: 2017 /2018
Remerciements
Toute gratitude, tout d’abord à ALLAH qui nous a
donné le courage de terminer ce projet.
Nous tenons à remercier notre encadreur
S.Abarkane pour sa disponibilité et ses
orientations fructueuses.
Nous tenons aussi à remercier tous les
enseignants de département génie mécanique
pour leurs efforts dans le but de nous instruire.
Nous tenons aussi à remercier
profondément tous ceux qui nous ont aidés
à bien bénéficier de notre stage au sein de
la SONATRACH DE HASSI RMEL
En fin nous remercions tous les amis et les
camarades pour leurs soutiens.
« On ne subit pas l’avenir mais on le fait »
Dédicaces
A mes parents, qui ont toujours cru en moi et qui
m’ont accompagné moralement tout au long de ce
parcours. L'éducation, soins et conseils qu'ils m'ont
prodigués, m'ont toujours guidé pour faire les bons choix
dans ma vie. Ils m'ont appris comment réaliser les rêves
difficiles. Sans leur soutien, encouragement et prières,
rien n'aurait été possible.
A mes frères et mes sœurs et mes amis qui étaient
toujours là pour me conseiller, me soutenir,
m'encourager et prier pour moi. Je les remercie de tout
mon cœur.
Dédicaces
Je dédie ce travail :
A mes parents qui m’on aidé et soutenu
tout au long de mes études.
A mes frères
A mes sœurs
A toute ma famille
A mes amis
A tous les gens qui me connaissent
Abstract
We present a numerical study on the heat exchanger behavior of two coaxial tubes against current and current and steady state. The two fluids hot (water) and cold (water) circulate respectively in the annular space and in the internal cylindrical pipe of the heat exchanger.
The ANSYS Fluent code based on the finite volume method is used to numerically solve the equations governing the studied phenomenon. Validation of the results was made, by comparison with numerical data found in the literature [19]. And experimental [18].
The numerical simulation was done in 3D, where the turbulence model k -ԑ was used with the finite volumes in the ANSYS Fluent software.
The numerical results obtained in this study are in good agreement and correspond to the results given by the literature [19]. and experimental directed by BENAYAD Nada. It has been found that the compact turbulent coaxial exchanger has a good configuration since it gives a high exchange power for small exchange surfaces.
Résumé
Nous présentons une étude numérique sur le comportement d'échangeur de chaleur de deux tubes coaxiaux à contre-courant et à Co courant et en régime permanent. Les deux fluides chaud (eau) et froid (l’eau) circulent respectivement dans l’espace annulaire et dans la conduite cylindrique interne de l'échangeur de chaleur.
Le code ANSYS Fluent basé sur la méthode des volumes finis est utilisé pour résoudre numériquement les équations gouvernant le phénomène étudié.Une validation des résultats a été faite, par comparaisons avec des données numériques trouvées dans la littérature [19]. Et expérimentale [18].
La simulation numérique a été faite en 3D, ou on a utilisé le modèle de turbulence k -ԑ à l’aide des volumes finis au sein du logiciel ANSYS Fluent.
Les résultats numérique obtenus dans cette étude sont en bonne concordance et correspondent aux résultats données par la littérature [19]. et expérimentale réalisé par BENAYAD Nada. On a trouvé que l’échangeur coaxial compact turbulent possède une bonne configuration puisque il donne une puissance d’échange importante pour des petites surfaces d’échange.
Mots clés : échangeur coaxial, Fluent, modèles de turbulences, écoulement
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Nomenclature
Cp : Chaleur spécifique à pression constante [J.kg-1.K-1]
K : Coefficient d’échange global [Wm-2k-1]
L : Longueur de la conduite cylindrique (tube) [m]
mc : Débit du fluide chaud [Kg s-1]
mf : Débit du fluide froid [Kg s-1]
p : La pression [Pa]
R : Rayon du cylindre [m]
r
: Rayon adimensionnelle du cylindre Re : Nombre de Reynolds φ S : Terme source. S : Surface d’échange [m2] T : Température [K]. t : Temps [s].Tc : Température de fluide chaud [K].
Tf : Température de fluide froid [K].
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: Composante de la vitesse suivant la direction axiale [m. s-1].v
: Composante de la vitesse axiale adimensionnelle. [m. s-1]VC : Volume de contrôle [m3]
Z : Direction axiale [m].
Symboles grecs
α : Diffusivité thermique du liquide [m2.s-1]
δt : Epaisseur de couche limite thermique [m]
: Conductivité thermique [Wm-1k-1] : Masse volumique [Kg.m-3] Φ : Flux de chaleur [W] : Viscosité cinématique [m2s-1] : Viscosité dynamique [Kg.m-1s-1] Ø : Variable dépendante Γ : Coefficient diffusion
Sommaire
Introduction générale………1
I. Technologie des échangeurs de chaleur ...4
I.1 Introduction ...4
I.2 Principe de fonctionnement des échangeurs de chaleur ...5
I.3 Les types des échangeurs de chaleur ...5
I.3.1 Les échangeurs tubulaires ...5
I.3.2 Échangeur monotube ...7
I.3.3 Échangeur coaxial ...7
I.3.4 Échangeurs à plaques ...8
I.3.5 Autre échangeurs de chaleur ... 10
I.4 Classification des échangeurs ... 11
I.4.1 Classement technologique ... 11
I.4.2 Classement suivant le mode de transfert de chaleur ... 11
I.4.3 Classement suivant le procédé de transfert de chaleur ... 11
I.4.4 Classement fonctionnel ... 12
I.4.5 Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange ... 12
I.4.6 Classement suivant la compacité de l’échangeur ... 12
I.4.7 Classification selon le sens des écoulements ... 13
I.4.8 Type de contact ... 14
I.5 Les principaux problèmes de fonctionnement d'échangeur ... 14
I.5.1 L’encrassement... 15
I.5.2 Corrosion ... 19
I.5.3 La vibration ... 20
I.6 Choix d’un échangeur ... 20
I.6.1 Connaissance des fluides ... 20
I.6.2 Connaissance des conditions de service ... 20
I.6.3 Corrosion ... 21
I.6.4 Encrassement ... 21
I.6.5 Perte de pression ... 21
I.6.6 Nettoyage ... 22
I.6.7 Conception générale ... 22
I.7.1 Les tubes ... 25
I.7.2 Chicanage des calandres ... 25
I.8 Notions sur la maintenance ... 28
I.8.1 Système de maintenance et réparation ... 28
I.8.2 Définition de la maintenance ... 28
I.8.3 Nettoyage des échangeurs ... 29
I.8.4 Objectifs et importance de la maintenance ... 30
CHAPITRE II II.1 Description ... 33
II.2 Utilisation de l’échangeur coaxial ... 34
II.2.1 Avantages ... 34
II.2.2 Inconvénients ... 34
II.3 Principe de fonctionnement général de l’échangeur coaxial ... 35
II.4 Calcul sur les échangeurs ... 38
II.4.1 Équations fondamentales ... 38
II.4.2 Coefficient d’échange global U ... 39
II.4.3 Coefficient h ... 39
II.4.4 Nombre de Reynolds ... 39
II.4.5 Le nombre de Prandtl ... 40
II.4.6 Nombre de NUSSELT ... 40
CHAPITRE III Introduction ... 41
III. Simulation numérique sur ANSYS FLUENT ... 42
III.1 Le but de travail ... 42
III.2 Description de problème ... 42
III.2.1 Dimensions de l’échangeur de chaleur ... 42
III.3 Code ANSYS FLUENT ... 43
III.3.1 Les différentes étapes à suivre pour la modélisation numérique ... 43
III.3.2 Description du solveur fluent ... 43
III.3.3 Méthodes numériques ... 44
III.4 Modélisation avec FLUENT ... 45
III.4.1 Modèle physique ... 45
III.6 Les conditions aux limites ... 47
III.7 Classification des modèles de turbulence ... 48
modèle à 2 équations. ... 48
III.8 Maillage ... 50
III.8.1 Le choix de la méthode dépend de la ... 50
III.8.2 Différentes types de maillages ... 50
III.8.3 Technique générales de génération du maillage ... 51
III.8.4 Composants du maillage ... 52
III.8.5 Qualité d’un maillage ... 52
III.9 Création de la géométrie ... 52
III.9.1 Notice d’utilisation de Workbench ... 52
III.9.2 Définir la géométrie ... 52
III.9.3 Le maillage utilisé ... 53
III.9.4 Simulation ... 55
III.9.5 Calcul ... 57
CHAPITRE IV IV. Résultats et interprétations... 59
IV.1 Validation des résultats ... 59
IV.2 Calcul des barres d’erreurs ... 60
IV.3 Le comportement de l’écoulement turbulent à l’intérieur de l’échangeur coaxial ... 60
IV.4 Le comportement de l’écoulement turbulent à l’intérieur de l’échangeur coaxial ... 61
IV.5 Échange total de la température cas limite ... 62
IV.6 Contour de la Pression statique ... 64
IV.7 Contour de la Vitesse suivant Z ... 65
LISTE DES FIGURES
Figure I.1: Échangeur multi- tubes ... 6
Figure I.2:Les formes des échangeurs multitubes ... 7
Figure I.3: Échangeur monotube ... 7
Figure I.4: Échangeur coaxial ... 8
Figure I.5: Échangeurs à plaques ... 8
Figure I.6: Classement suivant la compacité de l’échangeur ... 12
Figure I.7: Échangeur à courants parallèles ... 13
Figure I 8: Échangeur à contre-courants ... 13
Figure I.9: Échangeur compact à courant croisé ... 14
Figure I.10 : encrassement d'un échangeur ... 15
Figure I.11: corrosion ... 20
Figure I.12: Classification des échangeurs selon TEMA... 24
Figure I.13: les différentes chicanes ... 27
Figure I.14 : Organigramme de la maintenance ... 28
Figure II.1 : échangeur coaxial... 33
Figure II.2: Échangeur coaxial configuration Co-courant ... 35
Figure II.3: Échangeur coaxial configuration Contre-courant ... 36
Figure II.4: évaluation de température dans un échangeur à contre courant ... 36
Figure II. 5: Échangeur coaxial configuration Co-courant ... 37
Figure II .6: évaluation de température dans un échangeur à co-courant…… ... .37
Figure III.1: géométrie de l'échangeur coaxial...42
Figure III.2: caractéristiques de la géométrie ...43
Figure III.3: Exemples de mailles utilisées en volume finis par Fluent ...45
Figure III. 4: Maillage structuré et non structuré ...51
Figure III.5: Interface de Workbench ...52
Figure III.6: géométrie de la pièce...53
Figure III.7: échangeur coaxial maillage de différents profils. ...54
Figure III.8: Détail du maillage triangulaire et hexagonal. ...54
Figure III.9: Organigramme de calcul numérique. ...57
Figure VI.1 profil de température Co-Courant par CASTAING-LASVIGNOTTES………59
Figure VI.2 profil de température Co-Courant Expérimentale et numérique de notre cas….59 Figure VI.3 : Contour de température Co courant au plan milieu. ...60
Figure VI.4: Contour de température contre - courant au plan milieu. ...61
Figure VI.5: La longueur d’établissement de température. ...62
Figure V.6 :L’évolution de la température le long de l’échangeur coaxial ...63
Figure VI .7: Contour de la Pression statique au plan milieu suivant Z...64
Figure VI.8 : Contour de la Vitesse résultante moyenne au plan milieu suivant Z. ...65
Figure VI.9: Les vecteurs vitesses pour la ligne x=100mm en mode Co courant ...65
LISTES DES TABLEAUX
Tableau III.1: Dimensions de l’échangeur de chaleur... Erreur ! Signet non défini.
Tableau III.2 : Les avantages et les inconvénients de chaque type de turbulence :Erreur ! Signet non défini. Tableau .III.3: les données... Erreur ! Signet non défini.
Tableau .III.4:Cas contre-courant ... Erreur ! Signet non défini. Tableau. III.5:Cas Co-courant... Erreur ! Signet non défini. Tableau .III.6:Schémas de discrétisation... Erreur ! Signet non défini. Tableau. III.7:Les conditions aux limites... Erreur ! Signet non défini. Tableau .III.8:les données pour le cas co-courant... Erreur ! Signet non défini. Tableau. IV 1:cas Co-Courant ... Erreur ! Signet non défini.
Introduction générale
La transmission de chaleur est devenue l’une des plus importants domaines scientifiques à cause de leur besoin et leur rôle dans la vie d’une part, et pour développer les moyens dans tous les domaines technologiques et économiques.
L’échange de chaleur, qui produit entre deux corps à des températures différentes, peut se faire selon trois modes :
Conduction Convection Rayonnement
Dans les sociétés industrielles, l’échangeur de chaleur est un élément essentiel de toute politique de maîtrise de l’énergie. Il est parmi les appareils les plus importantes pour la récupération des énergies thermique c’est bien qui est le sujet de notre projet de fin d’étude.
Une grande part (90 %) de cette énergie est 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.
Les échangeurs de chaleur sont des composants prépondérants, On les utilise principalement dans les secteurs de l’industrie (chimie, pétrochimie, agroalimentaire, production d’énergie, etc.), du transport (automobile, aéronautique), mais aussi dans le secteur résidentiel et tertiaire (chauffage, climatisation, etc.).
La majorité des activités de transformation nécessite, à un stade de leur processus, un échange de chaleur, que cela soit pour évacuer une énergie excédentaire, réaliser un changement de phase, ou être converti en travail. De nombreux travaux prenant des formes diverses ont été conduits dans le but de les optimiser, c’est-a-dire de les rendre plus compacts, plus légers et plus performants en terme de transfert.
Un échangeur de chaleur est un appareil destiné à transmettre la chaleur d’un fluide à un autre, le plus souvent à travers une paroi. En général, les deux fluides sont séparés par une paroi (simple ou composée) constituant ainsi une résistance thermique. Dans certains équipements, le transfert thermique se fait par contact direct entre les fluides. C’est le cas des condenseurs et évaporateurs, ou l’un des fluides subit un changement de phase.
Il dispose de quatre niveaux de températures : les températures d’entrée et de sortie du fluide froid (Tfeet fs
T ) et les températures d’entrée et sortie du fluide chaud (
e c T et s c T ).Souvent les fluides mis en jeu n’ont pas les mêmes masses volumiques ni les mêmes débits d’écoulement. En fonction des caractéristiques spécifiques du problème à traiter, on peut choisir un mode de fonctionnement à Co-courant (les fluides parcourent l’échangeur dans le même sens) ou à contre-courant (les fluides parcourent l’échangeur dans un sens contraire) pour l’échangeur.
Son type et son mode de fonctionnement nous permettront de choisir la méthode d’évaluation et ainsi déterminer ses performances.
Le choix d’un échangeur de chaleur, pour une application donnée, dépend de nombreux paramètres : domaine de température 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.
Nous nous intéresserons aux échangeurs à fluides séparés, précisément aux échangeurs Coaxiaux du fait de leur emploi quasi fréquent.
Ils présentent un certain nombre d’avantages, en particulier ils sont faciles à fabriquer, relativement bon marché, de maintenance aisée et surtout ils peuvent être utilisés à des pressions élevées et des fortes températures.
Ce travail qui s’inscrit dans le cadre de notre mémoire de fin d’études a pour thème «
simulation numérique de transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur coaxial »
L’objectif de notre étude est de comprendre le comportement de l’écoulement turbulent dans un échangeur coaxial en modes Co-courant et contre-courant, et de montrer l’effet des différents paramètres permettant d’améliorer le coefficient d’échange permettant ainsi d’obtenir une meilleure configuration d’échangeur.
Organisation de travaille
Notre travail est réparti en quatre chapitres : le premier chapitre est consacré à une description générale du principe de fonctionnement de l’échangeur de chaleur et son application dans l’industrie. Aussi ce chapitre comprend une étude bibliographique sur les échangeurs.
Le deuxième chapitre présente la formulation mathématique de l’écoulement dans un échangeur coaxial.
Le troisième chapitre expose la description du problème et la simulation numérique par le code de calcul ANSYS FLUENT. La réalisation de toutes les étapes de la simulation construction des géométries avec génération de maillage et l’incorporation des conditions aux limites et l’exploitation des résultats sont effectuées par la plate forme (ANSYS WorksBench 16.0).
Dans le dernier chapitre nous interprètent les résultats obtenus, l’exploitation de ces résultats et leurs discutions nous mènent à proposer quelque perspectives et finaliser ce travail par une conclusion.
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.
Technologie des échangeurs de chaleur
I.1
Introduction
Un échangeur de chaleur est un dispositif permettant de transférer la chaleur entre un ou plusieurs fluides ayant une température différente. Dans la plupart des cas, les deux fluides ne sont pas en contact, et le transfert s’effectue à travers une surface d’échange.
En général, les deux fluides sont séparés par une paroi (simple ou composée) constituant ainsi une résistance thermique.
Au sein de la paroi séparatrice, le mécanisme de transmission de la chaleur est la conduction, et, sur chacune des deux surfaces de contact avec les fluides, ce sont presque toujours les phénomènes de convection qui prédominent. Dans de nombreux cas, les fluides restent monophasiques, qu’ils soient gazeux ou liquides.
Dans certains équipements, le transfert thermique se fait par contact indirect entre les fluides, C’est le cas des condenseurs et évaporateurs, et ou l’un des fluides subit un changement de phase, généralement le fluide chaud des qui cède de la chaleur à un fluide froid.
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.2
Principe de fonctionnement des échangeurs de chaleur
Le principe général d’un échangeur de chaleur consiste à faire circuler deux fluide à travers des conduites qui les mettent on contacte thermique. De manière générale, les deux fluides sont mis en contact thermique à travers une paroi, le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. On a en général un fluide chaud qui cède de la chaleur à un fluide froid.
Le problème majeur consiste à définir une surface d’échange suffisante entre les deux fluides pour transférer la quantité de chaleur nécessaire dans une configuration donnée. Cette quantité dépend de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètres, ce qui rend une étude précise de ces appareils assez complexe.
Les flux de chaleurs transférés vont aussi dépendre :
Des températures d’entrée
Les caractéristiques thermiques des fluides (chaleur spécifique, conductivité thermique).
Des coefficients d’échanges par convection.
I.3
Les types des échangeurs de chaleur
Il existe plusieurs configurations industrielles des échangeurs de chaleur, on peut distinguer deux grandes familles :
Les échangeurs tubulaires Les échangeurs à plaques Autres échangeurs
I.3.1
Les échangeurs tubulaires
Ils représentent la majorité des échangeurs utilisés dans les industries (chimiques et pétrolières). Dans leur plus simple configuration, ils sont constitués de deux tubes concentriques raccordés à leurs extrémités par des coudes. Cependant, pour les cas courants, ils sont faits de plusieurs tubes empilés sous forme d’un faisceau, d’où l’appellation échangeurs à faisceaux tubulaires ou d’échangeurs à faisceaux et calandres.
Chapitre I
Il existe quatre formes :
Échangeur à tubes séparés :
de 100 mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à 20 mm) maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être soit rectiligne, soit enroulé,
Échangeur à tubes rapprochés:
suffisant pour le fluide extérieur au tube, on place un ruban enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. Les tubes s’appuient les uns sur les autres par l’intermédiaire des rubans,
Échangeur à tubes ailettes: d’échange thermique.
Échangeurs à faisceau tubulaire
l'intérieur d'une carcasse (l'échangeur est aussi appelé tubes et calandre l’expression anglaise « Shell
tubes et l'autre dans la carcasse, autour des tubes. A l'intérieur de la carcasse sont rajoutés des chicanes afin d'influencer l'écoulement du fluide dans la carcasse. C permet d'améliorer le transfert de chaleur et de maintenir un espacement uniforme entre les tubes.
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
Figure I.1: Échangeur multi- tubes
à tubes séparés : à l’intérieur d’un tube de diamètre suffisant (de l’ordre
de 100 mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à 20 mm) maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être soit rectiligne, soit
à tubes rapprochés: pour maintenir les tubes et obtenir un passage
suffisant pour le fluide extérieur au tube, on place un ruban enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. Les tubes s’appuient les uns sur les autres par l’intermédiaire
à tubes ailettes: ces tubes permettent d’améliorer le coef
Échangeurs à faisceau tubulaire : est constitué d'un faisceau de tubes, se trouvant à
l'intérieur d'une carcasse (l'échangeur est aussi appelé tubes et calandre
l’expression anglaise « Shell-and-tube ». L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre dans la carcasse, autour des tubes. A l'intérieur de la carcasse sont rajoutés des chicanes afin d'influencer l'écoulement du fluide dans la carcasse. C permet d'améliorer le transfert de chaleur et de maintenir un espacement uniforme
echnologie des échangeurs de chaleur
à l’intérieur d’un tube de diamètre suffisant (de l’ordre de 100 mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petit diamètre (8 à 20 mm) maintenus écartés par des entretoises. L’échangeur peut être soit rectiligne, soit
pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour le fluide extérieur au tube, on place un ruban enroulé en spirale autour de certains d’entre eux. Les tubes s’appuient les uns sur les autres par l’intermédiaire
ces tubes permettent d’améliorer le coefficient
est constitué d'un faisceau de tubes, se trouvant à l'intérieur d'une carcasse (l'échangeur est aussi appelé tubes et calandre – ou par tube ». L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre dans la carcasse, autour des tubes. A l'intérieur de la carcasse sont rajoutés des chicanes afin d'influencer l'écoulement du fluide dans la carcasse. Cela permet d'améliorer le transfert de chaleur et de maintenir un espacement uniforme
Chapitre I
Figure
I.3.2
Échangeur monotube
Dans lequel le tube est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généra serpentin.
I.3.3
Échangeur coaxial
Un échangeur tubulaire simple est constitué de deux tubes cylindriques coaxiaux. L’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes. Le transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid
paroi qui constitue le tube intérieur.
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
Figure I.2:Les formes des échangeurs multitubes
Échangeur monotube
est placé à l’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’un
Figure I.3: Échangeur monotube
Échangeur coaxial
Un échangeur tubulaire simple est constitué de deux tubes cylindriques coaxiaux. L’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre circule dans l’espace annulaire entre les deux tubes. Le transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid s’effectue à travers la paroi qui constitue le tube intérieur. [3]. (plus de détails voir Chapitre II)
echnologie des échangeurs de chaleur
lement la forme d’un
Un échangeur tubulaire simple est constitué de deux tubes cylindriques coaxiaux. L’un des fluides circule dans le tube central tandis que l’autre circule dans l’espace annulaire entre s’effectue à travers la
Chapitre I
I.3.4
Échangeurs à plaques
Ceux sont des échangeurs composés d'un nombre variant de plaques disposées les unes à côté des autres et séparées par un espace. Les fluides chauds et froids circulent en passages alternés, chaque fluide froid est entouré par deux fluides chauds et inversement
leur compacité, ces échangeurs permettent une grande surface d'échange dans un volume limité. [4]
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
Figure I.4: Échangeur coaxial
Échangeurs à plaques
sont des échangeurs composés d'un nombre variant de plaques disposées les unes des autres et séparées par un espace. Les fluides chauds et froids circulent en passages alternés, chaque fluide froid est entouré par deux fluides chauds et inversement
leur compacité, ces échangeurs permettent une grande surface d'échange dans un volume
Figure I.5: Échangeurs à plaques
echnologie des échangeurs de chaleur
sont des échangeurs composés d'un nombre variant de plaques disposées les unes des autres et séparées par un espace. Les fluides chauds et froids circulent en passages alternés, chaque fluide froid est entouré par deux fluides chauds et inversement. Du fait de leur compacité, ces échangeurs permettent une grande surface d'échange dans un volume
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.3.4.1
Échangeur à plaques ondulées
Les surfaces d’échange sont constituées de plaques ondulées serrées en série. Des joints entre plaques assurent l’espacement permettant la circulation du fluide. Par suite les ondulations des plaque et de leur rapprochement l’écoulement et toujours turbulent, ce qui contribue a donné les excellents coefficients de transfert de chaleur de ces appareils.
Les ondulations sont réalisées par emboutissage, leurs dessins sont variable selon les constricteurs. Un échangeur est constitué d’un ensemble de plaques serrées entre deux bâtis d’extrémités. Les fluides circulent normalement à contre courant dans les canons alternés.[6]
L’agencement des systèmes plaques et joints permet une multitude de combinaisons des circuits :
Écoulement en série. Écoulement en parallèle.
Écoulement en parallèle, montage en Z. Écoulement en parallèle, montage en U.
Écoulement en série / parallèle, montage en Z.
Remarque
L’utilisation de plateaux de raccordement permet de traite de plusieurs fluides dans un même échangeur.
I.3.4.2
Échangeur à plaque planes et ondulation
Certain échangeurs sont formés par des tôles planes parallèles entre les quelle sont disposées des ondulations .chaque fluides emprunte un canal sur deux et la circulation qui peut être à contre courant est le plus souvent à courants croisés.
I.3.4.2.1
Les types des ondulations
• Ailettes planes (planes ou perforées) • Ailettes ondulées continues
• Ailettes planes décalées
• Ailettes en forme de persiennes • Ailettes sous forme de fils métalliques
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.3.4.3
Les avantages et les inconvénients
Les avantages :
• La conception modulaire des échangeurs à plaques permet de modifier facilement la surface d’échange.
• Faible rétention de liquide (1.5 l/m2)
• Un échangeur à plaques pèse de 3 à 5 fois moins qu’un échangeur tube et calandre équivalent.
• Grande surface de contact, échangeur compact. • Échangeur peu coûteux
Les inconvénients :
• La multiplication des joints qui sont parfois fragiles • Montage difficile
• Sensible aux variations de pression résultant des dilatations consécutives aux variations des températures
• Pertes de charge
• Écart de température limité (pour éviter dilatation des plaques) [6]
I.3.5
Autre échangeurs de chaleur
I.3.5.1
Caloduc
Est constitué d’un tube ferme étanche assurant la liaison thermique entre une zone chaude et une zone froide. La transmission de chaleur d’une zone à l’autre se fait par vaporisation dans la zone chaude d’un liquide contenu dans le caloduc. La vapeur produite va se condenser dans la zone froide.
Le retour du liquide condensé à la zone d’évaporation s’effectue par gravité mais surtout grâce à un réseau capillaire l’intérieur du tube.[6]
I.3.5.2
Échangeur alternatif
Le plus ancien et le plus connu est le cowper qui est un empilage de briques réfractaires formant une ruche qui est chauffée par les fumées perdues, puis refroidie par l’air entrant les haut fourneaux.
Ces échangeurs ont un fonctionnement cyclique et sont utilisés par paires, l’un étant en chauffage pendant que l’autre est en refroidissement.
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.3.5.3
Échangeur par contact direct
Les échangeurs par contact direct sont caractérisés par l’absence de paroi matérielle entre les fluides, ce qui leur confère l’avantage de ne pas poser de problème de corrosion ou d’encrassement de cette paroi. Ces échangeurs ne sont utilisables que si les deux fluides ne sont pas réactifs. Les applications les plus connues sont :
• Les condenseurs par mélange. • Les réfrigèrent atmosphériques. • Les échangeurs à lits fluidisés.
I.4
Classification des échangeurs
Il existe plusieurs critères de classement des différents types d’échangeurs. On cite les plus importants.[2]
I.4.1
Classement technologique
Les principaux types d’échangeurs rencontrés sont les suivants : à tubes : monotubes, coaxiaux ou multitubulaires à plaques : à surface primaire ou à surface secondaire autres types : contact direct, à caloducs ou à lit fluidisé.
I.4.2
Classement suivant 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.
I.4.3
Classement 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. [2]
Chapitre I
I.4.4
Classement fonctionnel
Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer ave phase suivant le cas, on dit que l’on a un
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 é des condenseurs
• les deux fluides ont condenseurs
I.4.5
Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange
On retiendra deux types de paroi :
• les échangeurs métalliques en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux : superalliages, métaux ou alliages réfractaires ;
• les échangeurs non métalliques en plastique, cér
I.4.6
Classement suivant la compacité de l’échangeu
La compacité est définie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur. R.K. Shah propose qu’un échangeur soit considéré comme compact si sa compacité est supérieure à 700 m
m2/m3. Une classification en fonction de la compacité peut être donnée :
Figure I.6: Classement suivant la compacité de l’échangeur
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
Classement fonctionnel
Le passage des fluides dans l’échangeur peut s’effectuer avec ou sans changement de suivant le cas, on dit que l’on a un écoulement monophasique ou diphasique. On rencontre alors les différents cas suivants :
ont un écoulement monophasique
un seul fluide à un écoulement avec changement de phase, cas des é
un écoulement avec changement de phase, cas des
Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange
On retiendra deux types de paroi :
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.
Classement suivant la compacité de l’échangeur
La compacité est définie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur. R.K. Shah propose qu’un échangeur soit considéré comme compact si sa compacité est supérieure à 700 m2/m3 ; cette valeur est susceptible de varier de 500 à 800
. Une classification en fonction de la compacité peut être donnée :
Classement suivant la compacité de l’échangeur
echnologie des échangeurs de chaleur
c ou sans changement de écoulement monophasique ou diphasique. On
un seul fluide à un écoulement avec changement de phase, cas des évaporateurs ou
un écoulement avec changement de phase, cas des
évapo-Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange
les échangeurs métalliques en acier, cuivre, aluminium ou matériaux spéciaux :
amique, graphite, verre, etc. [2]
La compacité est définie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de l’échangeur. R.K. Shah propose qu’un échangeur soit considéré comme compact si sa ; cette valeur est susceptible de varier de 500 à 800
Chapitre I
I.4.7
Classification selon le sens
Dans les échangeurs à fluide rangèrent deux catégories
• Même sens « Co-courants même sens.
Figure I.7:
• Sens contraire « contre vont dans le sens opposé.
Figure I 8:
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
selon le sens des écoulements
à fluide séparés, les modes de circulation des fluides peuvent se
courants » : les deux fluides circulent parallèlement et vo
: Échangeur à courants parallèles
contre-courants » : les deux fluides circulent parallèlement mais
ns le sens opposé.
: Échangeur à contre-courants
echnologie des échangeurs de chaleur
s, les modes de circulation des fluides peuvent se
les deux fluides circulent parallèlement et vont dans le
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
• à courants croisés : (2 types brassé et non brassé comme la figure I.9)
Les deux fluides circulent perpendiculairement. - à tête d'épingle : un des fluides fait demi-tour dans un conduit plus large tandis que le deuxième le traverse. On peut considérer que cela correspond à un courant parallèle sur une moitié de la distance de l'échangeur et sur l'autre moitié à un contre-courant.
Figure I.9: Échangeur compact à courant croisé
I.4.8
Type de contact
Échangeurs à contact direct : Le type le plus simple comprend un récipient ou canalisation dans lequel les deux fluides sont directement mélangés et atteignent la même température finale.
Échangeurs à contact indirect : les deux fluides s'écoulent dans des espaces séparés par une paroi.
I.5
Les principaux problèmes de fonctionnement d'échangeur
Les principaux problèmes de fonctionnement d’échangeur de chaleur ont trait aux phénomènes d’encrassement, de corrosion, de vibration.
L’encrassement et la corrosion restent les phénomènes les mois compris de l’industrie ils impactent le dimensionnement des appareils et leur durée de vie, et induisent des surcouts (énergie, arrêt des installations).
Les phénomènes vibratoires doivent être pris en compte dans le dimensionnement des échangeurs du même titre que les transferts de chaleur ou les pertes de charge. Les problèmes de tenue mécanique sont, pour les géométries les plus classiques, traités dans divers textes
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
réglementaires basés sur la normalisation européenne. Enfin, le fonctionnement des échangeurs en régime transitoire peut répondre à de nouveaux types de fonctionnement (sources de chaleur intermittentes) ou tester leur capacité à subir des vibrations de régime.
I.5.1
L’encrassement
L’encrassement, qui sous sa forme la plus générale peut être défini comme l’accumulation d’éléments solides indésirable sur une interface, affecte une grande variété d’opérations industrielles. Dans le cas des échangeurs, la présence d’un fort gradient thermique près de la surface d’échange peut perturber les mécanismes d’encrassement isotherme rencontrés par exemple lors de l’utilisation de membrane ou de filtre.
Figure I.10 : encrassement d'un échangeur
I.5.1.1
Différentes types d’encrassement
Il est possible de classer L’encrassement selon le mécanisme qui contrôle la vitesse de dépôt, selon les conditions d’utilisation de l’échangeur ou selon le mécanisme dominant, même s’il ne contrôle pas la vitesse de dépôt.[8]
Alors six types différents peuvent alors être définis : • Encrassement particulaire,
• Corrosion, • Entartrage,
• Encrassement biologique
• Encrassement par réaction chimique, • Encrassement par solidification.
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.5.1.1.1
Encrassement particulaire
Il s’agit du dépôt puis de l’accumulation sur les surfaces d’échanges de particules transportées par l’écoulement des fluides industriels.
I.5.1.1.2
Corrosion
L’encrassement par corrosion est le résultat d’une réaction chimique ou électrochimique entre la surface de transfert de chaleur et le fluide en écoulement. Les produits de la réaction qui se forment et restent sur la surface d’échange créent l’encrassement.
I.5.1.1.3
Entartrage
Il est généralement associé à la production d’un solide cristallin à partir d’une solution liquide. Il dépend donc de la composition de l’eau industrielle. Lorsque les sels dissous sont, comme le Carbonate de calcium, à solubilité inverse, le liquide devient sursaturé au voisinage de la surface d’échange plus chaude, la cristallisation se produit alors sur la surface et le dépôt est dur et adhèrent, dans le cas contraire d’une cristallisation se produisant au sein même d’un liquide plus chaud que la surface, le dépôt est plus mou et friable.
L’encrassement par les sels à solubilité normale existe, même s’il est plus rare, il faut signaler le cas des saumures géométriques à forte teneur en silice.
L’entartrage peut se produire dans des échangeurs refroidis à l’eau, dans les unités de dessalement d’eau de mer ou saumâtre, dans les chaudières, dans les échangeurs de l’industrie agroalimentaire, dans les systèmes géothermiques.
I.5.1.1.4
Encrassement biologique
Il est dû au développement de micro-organismes (bactéries, champignons) qui créent un film au contact de la surface d’échange : il peut même, à l’échelle macroscopique, être caractérisé par le développement de coquillages.
Les actions de prévention consistent soit à détruire les microorganismes, soit à empêcher leur développement. Les traitements correspondants utilisent des biocides et il est essentiel de maintenir la concentration du produit pendant le temps de réaction.
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.5.1.1.5
Encrassement par réaction chimique
On rencontre ce type d’encrassement quand une réaction chimique se produit près d’une Surface d’échange et que les solides produits par la réaction s’y déposent. Cette réaction est souvent une polymérisation.
I.5.1.1.6
Encrassement par solidification
Il s’agit de la solidification d’un liquide pur au contact d’une surface d’échange sous-refroidie (formation d’une couche de glace à l’intérieur des conduites forces ou de givre) ou du dépôt d’un constituant à haut point de fusion d’un liquide au contact d’une surface de transfert de chaleur froide. Une vapeur peut également se déposer sous une forme solide sans passer par l’état liquide.
I.5.1.1.7
Modes combinés
La plupart des dépôts réels sont le résultat de la combinaison d’au moins deux des types précédemment décrits. Dans les échangeurs refroidis à l’eau par exemple, les dépôts peuvent provenir de l’entartrage, de l’encrassement particulaire, de la corrosion in situ et de l’encrassement biologique. Au stade initial de la formation du dépôt, un type peut prédominer et accélérer ainsi la contribution des autres. Si quelques progrès ont été réalisés dans la compréhension du mode d’action des types élémentaires, leurs interactions restent encore bien souvent difficiles à préciser.
I.5.1.2
Apparition et développement de l'encrassement
En général il existe cinq phases de l’apparition et le développement de l’encrassement. Ces cinq phases peuvent chronologiquement se décomposer comme suit.
Initiation : cette phase est associée au temps nécessaire avant de pouvoir observer la formation d’un dépôt encrassant sur une surface propre.
Transfert des particules à la paroi : il peut être contrôlé par la diffusion turbulente, l’impaction inertielle ou un champ de forces extérieures (thermiques, électrique, etc.) ces mécanismes peuvent coexister.
Adhésion des particules : les particules transférées à la paroi peuvent s’y maintenir grâce aux forces d’adhésions dues à l’attraction moléculaire (forces de van der waals), aux forces électriques ou capillaires.
Réentraînement des particules déposées : il est classique de supposer que le mécanisme de réentraînement est lié aux forces de cisaillement s’exerçant sur le dépôt. Lorsque la force aérodynamique est supérieure aux forces d’adhésion d’une particule,
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
le réentraînement se produit par érosion, lorsqu’il concerne des agglomérats de particules, il correspond à un phénomène d’écaillage.
Vieillissement du dépôt : il s’agit d’un changement de texture du dépôt d’origine chimique ou cristalline. On peut alors observer soit consolidation, soit son écaillage.
I.5.1.3
Effet de l’encrassement sur le fonctionnement des échangeurs
L’encrassement s’accentuera d’autant plus la température augmente et que la vitesse des fluides diminue. Il existe des tables donnant des valeurs représentatives du facteur d’encrassement par la TEMA (tubular exchanger manufacturers association) pouvant servir au dimensionnement des échangeurs.[6]
L’encrassement d’échangeurs thermiques induit un certain nombre d’effets indésirables ayant un coût ou environnemental non n’négligeable.
L’encrassement affaiblit le coefficient de transfert thermique par conséquent, le coût dépense pour obtenir le coefficient de transfert thermique voulu augmente. L’encrassement peut provoquer un écart de température supérieur à la normale et
augmenter ainsi les consommations énergétiques. Ceci peut aussi engendrer des pannes des équipements en raison des surchauffes (surtout la surchauffe des pompes et compresseurs)
Les coûts d’entretien sont plus élevés afin de supprimer les dépôts d’encrassement avec des produits chimiques, des dispositifs anti-salisseurs en mécanique, ou le remplacement des équipements corrodés.
Les coûts de consommation d’eau, l’électricité et de carburant augmentent pour compenser des effets de l’encrassement.
Des pertes de productions liés aux arrêts d’entretienne planifiés ou non cause par l’encrassement entraînants des coûts d’exploitation.
I.5.1.4
Déférents méthodes pour limite l’encrassement d’échangeurs
En effet il existe plusieurs méthodes indispensables de lutte contre ce phénomène :
Traitement des fluides : par filtration
Par nettoyage programme des parois : pendant les phases de fonctionnent par procédé mécanique (brossage, injection de vapeur ou de boules en caoutchoucs) [6]
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
Remarque
Ces méthodes ne font que ralentir l’encrassement et un nettoyage complet des installations reste indispensable .cela nécessite bien souvent l’arrêt complet de la production.
I.5.1.5
Les méthodes utilisé pour détecté l’encrassement
Les méthodes classiques de détection sont basées sur le passage de l’échangeur ou d’une de ses parties, sur l’examen du coefficient d’échange thermique ou de l’efficacité, sur l’observation simultanée des chutes de pression et du taux de débit massique, sur la mesure de la variation de température en entrée et en sortie d’un des deux fluides, sur l’utilisation d’outils de mesure à ultrasons ou électriques . Aucune de ces solutions n’est parfaite et toutes exigent des conditions d’emploi particulières. Ainsi, la première nécessite l’arrêt de fonctionnement du processus. [9]
I.5.2
Corrosion
La corrosion est une dégradation des matériaux sous l’action du milieu ambiant, on peut le traduire par un processus de l’oxydoréduction entre le métal et le milieu corrosif. La notion de corrosion est évoquée par le terme résistance chimique ou physico-chimique. Les mécanismes de dégradation des matériaux métalliques et non métalliques sont pratiquement toujours différents dans leur principe mais ils conduisent au même résultat pratique, c'est-à-dire à la destruction du matériau.
Il y’a deux types de corrosion :
corrosion généralisée : qui se produit avec la même vitesse sur toute la surface en contact avec le milieu corrosif.
Corrosion localisée : qui se produit avec des vitesses différentes à divers endroits de la surface du métal.
Chapitre I
Figure
I.5.3
La vibration
Les vibrations constituent un paramètre essentiel à prendre en compte dans conception d’un échangeur, au même titre que le transfert de chaleur et les
charge. Outre les aspects classiques
extérieur, les échangeurs induisent leurs propres vibrations sous l’effet du fluide qui les parcourt.
I.6
Choix d’un échangeur
I.6.1
Connaissance des fluides
Pour pouvoir calcules les coefficients de transfert thermique il faut connaitre, aux températures rencontrées au cours de l’échange, la viscosité, la conductibilité thermique, la chaleur massique, la masse volumique de chacun des fluides.
La connaissance de la composition corrosion, d’érosion, d’encrassement, de cristallisation, solidification). [5]
I.6.2
Connaissance des conditions
Il est dispensable de connaitre la pression et la température de service, ne serait pour fixer la pression et la température de calcul.
qui peuvent se rencontrer lors de démarrage exposition au soleil ou, au contraire, cristallisations ou solidifications pouvant
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
Figure I.11: corrosion
Les vibrations constituent un paramètre essentiel à prendre en compte dans conception d’un échangeur, au même titre que le transfert de chaleur et les
charge. Outre les aspects classiques (chocs, spectre de vibrations)
extérieur, les échangeurs induisent leurs propres vibrations sous l’effet du fluide qui les
Choix d’un échangeur
Connaissance des fluides
pouvoir calcules les coefficients de transfert thermique il faut connaitre, aux températures rencontrées au cours de l’échange, la viscosité, la conductibilité thermique, la chaleur massique, la masse volumique de chacun des fluides.
composition exacte des fluides permet de mesurer les risques de encrassement, de changement de phase (dégazage,
[5]
des conditions de service
connaitre la pression et la température de service, ne serait
pour fixer la pression et la température de calcul. Mais il faut aussi envisager les cas extrêmes peuvent se rencontrer lors de démarrage ou lors des arrêts (montée en
exposition au soleil ou, au contraire, températures très basses susceptibles de créer des cristallisations ou solidifications pouvant créer des bouchages).
echnologie des échangeurs de chaleur
Les vibrations constituent un paramètre essentiel à prendre en compte dans la conception d’un échangeur, au même titre que le transfert de chaleur et les pertes de (chocs, spectre de vibrations) issue du milieu extérieur, les échangeurs induisent leurs propres vibrations sous l’effet du fluide qui les
pouvoir calcules les coefficients de transfert thermique il faut connaitre, aux températures rencontrées au cours de l’échange, la viscosité, la conductibilité thermique, la
des fluides permet de mesurer les risques de changement de phase (dégazage, ébullition,
connaitre la pression et la température de service, ne serait-ce que faut aussi envisager les cas extrêmes (montée en température par basses susceptibles de créer des
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.6.3
Corrosion
Si l’un des fluides est corrosif on doit avoir recours à un nombre limité de matériaux résistant à la corrosion. Le matériau retenu peut limiter le choix dans les types d’échangeurs réalisables.
Si les deux fluides sont corrosifs, il faut trouver un matériau qui constituera la surface d’échange résistant à la corrosion sur ses deux faces.si ce matériau n’existe pas il faut se résigner à utiliser un troisième fluide qui sert de caloporteur entre deux échangeurs. L’augmentation du coût par la multiplication des échangeurs ainsi que la réduction de l’efficacité peuvent conduire à revoir sous un autre aspect l’ensemble du procédé étudié.
Le fluide qui impose le matériau le plus cher circule habituellement à l’intérieur des tubes d’un échangeur tubulaire. Ceci limite l’utilisation de matériau noble et par conséquent le prix. Mais ce choix n’est pas toujours compatible avec d’autres contraintes.
I.6.4
Encrassement
Si l’un des fluides est encrassant, il faut prendre toutes les dispositions qui peuvent faciliter le nettoyage.
Si l’on est amené à choisir un faisceau démontable, il faut vérifier que tout est bien prévu pour faciliter la manipulation (crochet de levage..) l’implantation réserve-t-elle une place suffisante pour enlever le faisceau sans démonter la calandre ? A-t-on réservé l’accès aux moyens mobiles de la manutention ? A-t-onpris toutes les précautions pour que l’appareil soit complètement vidangé avant démontage ? et s’il arrivait que cela soit impossible, ne serait-ce qu’accidentellement, a-t-on tout prévu pour la sécurité du personnel charge du démontage ?
Si les deux fluides sont incrustants est on certain de pouvoir nettoyer chacune des surfaces d’échange et de contrôler le nettoyage ?
I.6.5
Perte de pression
Plus la vitesse de circulation est élevée. Meilleur est le coefficient de transfert, ce qui réduit la surface d’échange et l’investissement.
Mais la perte de pression qui est proportionnelle au carré de cette vitesse augmente la consommation de l’énergie nécessaire au transport des fluides. Dans quelle mesure est-il
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
raisonnable d’utiliser une énergie mécanique noble pour produire de la chaleur par frottement ?
Par ailleurs la trop grande vitesse peut entrainer des vibrations qui causent une usure prématurée par fatigue du matériel. L’érosion est naturellement d’autant plus importante que la vitesse est grande. De même, dans certains cas, on constate l’enlèvement à partir d’une certaine vitesse de la couche protectrice de certains métaux et une accélération insupportable de la corrosion.
Côté calendre, la multiplication des chicanes augmente les pertes de pression, ce qui a pour conséquence de diminuer l’efficacité » par augmentation des débits de fuite.
Enfin une trop grande étanchéité des chicanes pose des problèmes pour la vidange des appareils
I.6.6
Nettoyage
A-t-on choisi le bon coefficient d’entartage ? Si l’on fonde le calcul sur des prévisions pessimistes de performances, on est inévitablement conduit à un matériel surdimensionné. Ceci peut conduire à des réductions de vitesse qui favorisent l’encrassement, ce qui va tout à fait à l’encontre du but poursuivi.
Inversement un trop grand optimisme conduit à un appareil sous-dimensionné qui doit être nettoyé si souvent que l’on ne peut éviter les nettoyages de nuit ou pendant les jours féries, périodes pendant lesquelles le coût de la main-d’œuvre est maximal.
I.6.7
Conception générale
Il est d’usage de placer le fluide le plus visqueux côté calandre, c'est-à-dire la ou le coefficient de transfert de chaleur est naturellement le plus faible.
C’est la disposition qui réduit le moins la performance globale. Peut-on maintenir cet usage compte tenu des contraintes de corrosion et d’encrassement ?c’est une question qu’il faut se poser.
1 Les tubulures d’entrée et de sortie des fluides sont-elles correctement
dimensionnées ?
Il serait bien dommage que l’ensemble de l’échangeur se trouve pénalisé de pertes de pression excessives dans ces tubulures.
2 Les joints sont-ils bien de la qualité le lieu adapté aux fluides ?
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
3 L’épaisseur des tubes est-elle en accord avec la méthode de fixation dans les
plaques ? Si les tubes sont soudés a-t-on pris la précaution de prévoir un accès facile à la soudure ?
On ne peut pas souder correctement si l’on adopte une boite d’extrémité monobloc dont seul le couvercle est démontable
I.7
Norme TEMA
TEMA est une association commerciale des principaux fabricants des échangeurs à tubes et calandres qui ont été les pionniers de la recherche et du développement depuis plus 60 ans. Les normes TEMA ont obtenu l’acceptation dans le monde entier comme une autorité sur la conception mécanique des échangeurs à tube et à calandre.
Les normes TEMA fournissent une approche reconnue pour les utilisateurs finaux et permet la comparaison entre les modèles concurrents pour une application donnée.
TEMA est un ensemble des normes élaborées par les principaux fabricants d’échangeurs de chaleur qui définissant le style de l’échangeur de chaleur et les tolérances d’usinage et d’assemblage pour être employer dans la fabrication d’une unité donnée [7]
TEMA est compose de trois classes différentes pour classer les échangeurs R, B et C, elle a développé une bonne pratique recommandée pour les situations qui ne sont pas couverts par ces trois classes.
Toutes les classes à la norme ASME section VIII, division 1.
• R : destinée généralement au pétrole et les applications de traitement connexes • B : pour les services de traitement chimique.
• C : Pour les exigences des applications de processus commerciaux est généraux
C : généralement est spécifié dans les applications de l’échangeur à tube et calandre, les plus typiques qui ne nécessitent pas des exigences sévères pour les services de traitement chimique au pétrolier
Chapitre I
Figure I.12
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
12: Classification des échangeurs selon TEMA
echnologie des échangeurs de chaleur
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.7.1
Les tubes
Ce sont généralement des tubes normalisés dont le diamètre annoncé correspond exactement au diamètre extérieur. Le démontage de faisceau de tube et de plus en plus difficile au fur et à mesure que sa longueur s’accroit (problème de rigidité de faisceau) pour tous les condenseurs démontable il convient de laisser un espace libre suffisant dans l’axe de condenseur pour permettre la sortie du faisceau de tubes.
Les matériaux utilises dépendent des fluides choisis, les plus courant sont des aciers ordinaires, les aciers inoxydables le cuivre le laiton
I.7.1.1
La disposition des tubes
Il y’a quatre dispositions des tubes :
Triangulaire 30° Tourné triangulaire 60° Carré 90°
Tourner carré 45°
I.7.2
Chicanage des calandres
I.7.2.1
Chicanes longitudinales
Une grande partie des échangeurs de chaleur tubulaires est à une seule passe côté calandre (TEMA type E)
Deux passes dans la calandre peuvent être envisagées par une chicane longitudinale soudée à la plaque tubulaire (TEMA type F).cette disposition est utilisée s’il ya risque de croisement de températures et si des contraintes diverses empêchent de disposer plusieurs échangeurs en série.
Le principal problème rencontré est celui de l’étanchéité entre chicane et calandre. Si l’on ne souhaite pas avoir un faisceau démontable on peut souder la chicane à la calandre. Dans le cas ou le faisceau doit être démontable on fixe sur la calandre des barres de guidage sur lesquelles vient glisser la chicane, ce qui réduit les fuites sans les supprimer.
La chicane de division d’écoulement (TEMA type G ou H) est utilisée pour s’assurer que toute la surface des tubes participe à l’échange. [6]
Chapitre I Technologie des échangeurs de chaleur
I.7.2.2
Le déflecteur
Un déflecteur d’entrée doit être prévu pour protéger les tubes de l’érosion. Le déflecteur est obligatoire chaque fois que l’écoulement peut être diphasique (mélange ou vapeur saturée) ou lorsque le ƿu2 du gaz dépasse 100 Kg/ms2.
Ƿ = la masse volumique en Kg/m3. U= vitesse du fluide en m/s.
I.7.2.3
Chicane transversales
Celles-ci ont pour rôle de contrôler l’écoulement du fluide dans la calandre et d’augmenter la vitesse au contact des tubes. Un autre rôle important est de maintenir l’écartement des tubes, d’en assurer la rigidité et d’éviter les vibrations dues à l’écoulement dans les tubes.[6]
Lorsque la vitesse du fluide a peu d’importance (condensation par exemple) l’espacement des chicanes est déterminé par la longueur maximale non supportée des tubes qui est, selon recommandation du TEMA environ 70 fois le diamètre extérieur du tube si celui-ci est inférieur à 0.03m et 60 fois le diamètre pour des tubes plus gros.
Comme les chicanes ne couvrent pas la totalité de la section. Et ne supportent que 60 à 80 % des tubes selon les cas :
L’espacement entre deux chicanes consécutives doit être au maximum la moitié des valeurs ci-dessus.
Les jeux entre tubes et chicanes sont réglementés par le code TEMA. (Figure I.13) représente plusieurs dispositions de chicanes transversales :
a) En simple segment : le fonctionnement horizontal empêche la stratification et les dépôts de produit en suspension. Le fractionnement vertical est utilisé en cas gazeuse. le fractionnement peut aussi être concentrique.
b) En double segment on réduit la perte de pression le fractionnement peut être horizontal, vertical ou concentrique. On n’utilise que rarement la triple segmentation. Une chicane pleine peut être utilisée pour séparer le courant de calandre eu deux parties distinctes.
Cette disposition est surtout utilisée dans les condenseurs ou on souhaite réaliser des écoulements aussi proches que du courant croisé.
Quelquefois la chicane pleine est placée contre la plaque tubulaire pour protéger cette dernière de l’érosion.
