TP de Thermique. Évaluation des performances thermiques d un échangeur à plaques et d'un échangeur à tubes

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1 L3 Mécanique TP de Thermique Évaluation des performances thermiques d un échangeur à plaques et d'un échangeur à tubes Un échangeur de chaleur est un dispositif permettant de transférer de l'énergie thermique d'un fluide vers un autre, sans les mélanger. Le flux thermique traverse la surface d échange (ou surface de contact) qui sépare les fluides. La plupart du temps, on utilise cette méthode pour refroidir ou réchauffer un liquide ou un gaz qu'il est impossible ou difficile de refroidir ou chauffer directement, par exemple l'eau d'un circuit primaire de refroidissement d'une centrale nucléaire. 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 mille-feuilles 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. L échangeur de chaleur à plaques est l un des modèles les plus efficaces compte tenu de sa taille. L'avantage de ce type d'échangeur est sa simplicité qui en fait un échangeur peu coûteux et facilement adaptable par ajout/retrait de plaques afin d'augmenter/réduire la surface d'échange en fonction des besoins. L'échangeur à tube est un autre type d'échangeur de chaleur plus simple : il s'agit de l'assemblage de deux tubes concentriques. Le tube intérieur est traversé par un premier fluide tandis que le tube extérieur enveloppant est traversé par le deuxième fluide. Le sens d'écoulement des deux fluides peut être le même (on parle d'échangeur co-courant) ou opposé (échangeur contre-courant). 1 Description du banc Ces deux types d échangeurs vont être monté successivement sur la partie frontale du panneau, où des bornes vont fournir un écoulement conditionné (en débit et température). Ainsi du côté gauche, deux bornes concerneront le «côté chaud» (avec alimentation depuis une thermostat «chaud» et retour vers celui-ci) tandis que les deux bornes sur la droite concerneront le circuit «froid». L eau chaude circule par le tuyau tressé «sortie chaude». Ensuite, l eau passe à travers l échangeur puis sort par la connexion inférieure «retour chaud». L écoulement d eau froide se fait par un autre passage, indiqué par des lignes en pointillés sur la figure 2. L eau froide entre dans l échangeur par un tuyau renforcé (sortie froide) et sort par le tuyau «retour froid». Le circuit d eau chaude doit toujours être connecté comme décrit précédemment. Pour utiliser l échangeur dans une configuration à contre-courant, il suffit d inverser la direction de l écoulement d eau froide en inversant la position des tubes d arrivée et de sortie.

2 2 Fonctionnement du banc Ouvrez le robinet d arrivée d eau froide et assurez-vous que l eau circule librement au travers de l échangeur de chaleur jusqu à la cuve. Réglez un débit d eau froide à un faible débit (10-25 g/s environ). Mettre ensuite le panneau sous tension, puis alimentez le chauffage de l eau. L instrument de mesure du débit d eau chaude devra indiquer un écoulement dans l appareil. Les deux indicateurs numériques, l un de température et l autre du contrôle de température vont s illuminer. ATTENTION : quelques surfaces métalliques sont susceptibles de chauffer jusqu à 90 C. Faites attention, et considérez les comme si vous aviez une bouilloire entre les mains. 4 thermocouples sont installés sur les tubes en cuivre à l intérieur du panneau et permettent de mesurer les températures d entrées et de sorties des fluides chaud et froid : - T1, sortie de l eau chaude vers l échangeur de chaleur - T2, retour de l eau chaude depuis l échangeur de chaleur - T3, sortie de l eau froide vers l échangeur - T4, retour de l eau froide depuis l échangeur Le contrôleur de température de l eau chaude est une DIP numérique (Dérivée Intégrale Proportionnelle) qui ajuste la puissance fournie au système pour imposer une température constante. La valeur mesurée est évaluée au contact des résistances.

3 Programmez la température désirée comme température consigne. La DIP va adapter sa puissance de façon a atteindre l équilibre. Une fois que le système sera stabilisé, on pourra alors commencer à prendre les mesures. Remarquez qu il y a une légère différence entre T1 et la valeur indiquée sur le contrôleur de température en raison de leur relatif éloignement. Notez que si la température de l eau chaude excède les 80 C environ, le disjoncteur éteindra automatiquement les résistances. Le courant se rétablira automatiquement lorsque la température T1 diminuera jusqu aux alentours de 60 C environ. 3 Échangeur à plaques Le premier échangeur que l on utilise dans le début de ce TP est un modèle à 4 plaques. Chaque plaque est ondulée afin de provoquer des turbulences et est perforée pour permettre aux flux d eau chaude et froide de rester confinés dans des passages fermés sur les côtés opposés des plaques et ainsi permettre le transfert de chaleur. C est la combinaison de la turbulence, d une grande surface de contact et d importantes vitesses fluides qui permet d obtenir une grande capacité de transfert de chaleur dans un petit volume. L échangeur est monté sur la partie frontale du panneau, supporté par deux chevilles et retenu par un collier en plastique. Les bornes du «côté chaud» se trouvent sur la gauche et les prises «côté froid» sont à droite. Les plaques à travers lesquelles se déplacent le circuit d eau froide et d eau chaude sont en acier inoxydable. L échangeur, de dimension totale de m x m, comprend 2 canaux chauds et 1 canal froid. La surface de transfert totale est de m². Principe de l'échangeur à plaque suivant le sens de l'écoulement et positionnement des sondes de température Expérience 1 : Évaluer les pertes d énergie à travers le système. La coque de l échangeur n est pas isolée. Il se peut donc qu il y ait des pertes de chaleur plus ou moins importantes en fonction de la température ambiante. Programmez la température d eau chaude à 60 C, puis imposez un débit massique d eau chaude et qc=40g/s un débit d eau froide qf=15 g/s.

4 Vous mesurerez les températures d entrées et de sorties des fluides chaud et froid avec les débits correspondants. Vous évaluerez les pertes de chaleur. Les écarts de températures des fluides chaud et froid entre l entrée et la sortie vous paraissent-ils cohérents? Refaites l expérience pour 2 autres débits de votre choix tels que : qc=qf qc<qf Expérience 2 : Caractériser les différences entre un échangeur parallèle et un échangeur contre-courant. Le but de l'expérience est d évaluer quel type d échangeur est le plus efficace pour transmettre de la chaleur entre deux fluides. L échangeur de type co-courant ou l échangeur de type contre-courant? Commencez avec l échangeur en co-courant. Programmez la température d eau chaude à 60 C et imposez des débits massiques d eau chaude et d eau froide à 35 g/s et à 20 g/s respectivement. Mesurez les températures T1, T2, T3 et T4. Ensuite, branchez l échangeur en mode contre-courant. Et refaites les mêmes mesures. Calculez l efficacité de ces 2 échangeurs. Concluez. Enfin, vous déterminerez les coefficients d échange global de transfert de chaleur des deux échangeurs par l utilisation de la méthode DTLM (différence de température logarithmique moyenne). Vous retrouverez théoriquement l expression de la DTLM en supposant que l échangeur est sans perte.

5 4 Échangeur à tubes Expérience 3 : Évaluez les performances d un échangeur à tubes. Nous allons cette fois-ci évaluer les performances thermiques d un échangeur à tubes. L échangeur que nous utilisons ici, installé sur le panneau à votre droite, est schématisé sur la figure suivante : La direction de l écoulement de l eau chaude est indiquée par les flèches. Tout comme l échangeur à plaques, l échangeur à tubes peut être branché en co-courant ou en contre-courant. Pour cela, débranchez l arrivée et la sortie de l eau froide sur l échangeur à plaques, puis branchez-les sur l échangeur à tubes. ATTENTION : NE JAMAIS TOUCHER A L ARRIVEE OU A LA SORTIE DE L EAU CHAUDE! Sur cette photo, le numéro 2 indique la position du débitmètre de l eau chaude (ATTENTION, le débit est indiqué en L/min contrairement à l échangeur à plaques pour lequel les débits étaient indiqués en g/s). Le numéro 3 indique la position d une vanne qui contrôle l entrée de l eau chaude dans l échangeur. Les numéros 4 et 5 indiquent respectivement l entrée et la sortie du circuit d eau chaude. Enfin le numéro 6 est un sélecteur qui permet de choisir le thermocouple voulu. Dix thermocouples sont installés le long de l échangeur. Les thermocouples 1 et 2 mesurent respectivement la température du métal à l entrée et à la sortie du tube. Les thermocouples 3, 4, 5 et 6 mesurent respectivement la température aux positions x/l = 0, 1/3, 2/3 et 1, où L est la longueur totale de l échangeur. Enfin, les thermocouples 7, 8, 9, 10 mesurent respectivement la température du fluide froid aux mêmes positions x/l = 0, 1/3, 2/3 et 1. Les thermocouples de cet échangeur sont accessibles avec le sélecteur numéroté 6 sur la photo cidessus. La valeur de la température s'affiche sur l'indicateur du panneau principal, en ayant pris soin

6 de mettre le sélecteur de ce panneau sur le numéro 5. Principe de l'échangeur à tubes suivant le sens de l'écoulement et positionnement des sondes de température Programmez la température d eau chaude à 60 C, comme à l expérience n 2, et imposez les mêmes débits d eau froide et d eau chaude (respectivement 20 g/s et 35 g/s ; le débitmètre de l'échangeur à plaque devant être réglé sur 0). Vous mesurerez la variation de la température le long de l échangeur pour la configuration en co- et contre-courant. Vous mesurerez l efficacité et le coefficient d échange global pour chacune des deux configurations. Concluez. 5 Annexe Méthode DTLM Pour un échangeur, on calcule la Différence de Température Logarithmique Moyenne avec les expressions suivantes : pour un échangeur co-courant, pour un échangeur contre-courant, où les indices C et F correspondent respectivement aux circuits Chaud et Froid et les indices E et S correspondent à Entrée et Sortie. On peut montrer que le flux de chaleur transmis dans cet échangeur de surface S est où h est le coefficient de convection global et F est un facteur de correction dépendant du type d'échangeur.