LES ECHANGEURS THERMIQUES I Présentation de l étude. Les différents rôles des échangeurs Abaisser ou augmenter la température d un fluide Effectuer un changement d état ou plusieurs. 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.3 Technologie des échangeurs.3. Echangeur où se mélangent les deux fluides Préchauffeur fonctionnant à la vapeur Entrainement à la vapeur.3. Echangeur où les deux fluides sont séparés par une surface. Faisceau tubulaire Tube concentrique ou coaxial Serpentin Echangeur à plaques.3 Les différents modes d alimentation Co-courant Contre courant II Présentation des échangeurs étudiés
. Faisceau tubulaire.. 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).. 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..3 Calcul de la section de passage des tubes pour calculer le régime d écoulement du fluide correspondant D =. n 4 avec D: diamètre intérieur du tube et n : nombre de tube Connaissant la section de passage Sp, on peut calculer la Qv V = vitesse du fluide: A l aide de la vitesse V, on peut calculer le régime d écoulement Re V. D Re = µ. Tube concentrique
.. 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).. Calcul de la surface d échange S = D. L. avec D:diamètre du tube avec L: longueur du tube..3 Calcul de la section de passage du tube intérieur pour calculer le régime d écoulement du fluide correspondant D =. 4 avec D: diamètre intérieur du tube intérieur Connaissant la section de passage Sp, on peut calculer la Qv V = vitesse du fluide: A l aide de la vitesse V, on peut calculer le régime d écoulement Re Re = V. D µ..4 Calcul de la section de passage du tube extérieur pour calculer le régime d écoulement du fluide correspondant Dext " Dint S p =. 4 avec D : diamètre intérieur du tube extérieur avec D ext int : diamètre extérieur du tube intérieur
Connaissant la section de passage Sp, on peut calculer la Qv V = vitesse du fluide: 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. Faisceau tubulaire Rappeler la surface d échange calculée auparavant. Faire un calcul pour le fluide chaud Faire un calcul pour le fluide froid 3.. 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.. Fluide froid Même chose 3..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..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. Etude du faisceau tubulaire Observation : 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 h Coefficient partiel au sein du métal inox relatif à un échange thermique par conduction que l on note h 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 h 3 K! h + h + h 3 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 K en W/m/ C 00 L/h 59,69 800 L/h 05,68 Débit d eau froide T sortie eau chaude 00 L/h 38, 800 L/h 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 : 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. 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 ~ C Débit d eau chaude = 900 L/h Débit d eau froide = 900 L/h Type d échangeur K en W /m/ C Faisceau tubulaire 040 Tube concentrique 6 A plaques 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 Tube concentrique Qv froid : 900 L/h Qv chaud : 900 L/h Qv froid : 350 L/h Qv chaud : 300 L/h Re froid : 000 Re chaud : 4000 Re froid : 000 Re chaud : 4000 K = 040 W/m/ C K = 767 W/m/ C