Chapitre 9 Échangeurs de chaleur (Deuxième partie) Éléments de technologie des échangeurs tubulaires (TEMA) Transfert de chaleur Chap 9 b - 1
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Procédure de design Définir: La charge thermique q: chaleur échangée, perdue par le fluide chaud (ch) ou reçue par le fluide froid (fr): q= m C ( T - T ) i o ch P ch ch ch q= m C ( T - T ) o i fr P fr fr fr Les températures et les débits des 2 fluides. Collecte des propriétés physiques µ, ρ, k, C P Estimé approximatif de départ de la surface d'échange nécessaire Estimé du coefficient global A q T LM CC Transfert de chaleur Chap 9 b - 4
Choix des caractéristiques d un échangeur ayant une surface A: - d tube, longueur - Nombre de tubes A installée aireinstallée dt Lt nombre detubes surfacelatérale d ' un tube - D calandre - Nombre de passes - Position des fluides. Calcul des coefficients de transfert réels: dans les tubes: p. 9.22 dans la calandre: p. 9.23 (équations + j H fig. p. 9.25) Calcul du coefficient global vrai de l échangeur choisi (p. 9.6) r r Ln r k 1 r 1 1 int 1 r = + + + + 0 rint hint h h encras. rint h 1 int encras. Transfert de chaleur Chap 9 b - 5
Calcul de la surface requise pour accomplir le travail A requise calculé q TLM t CC F Comparaison entre A installée et A requise si A installée A requise (ou A installée A requise ) la surface permet de faire l échange souhaité. si A installée < A requise, on recommence à l étape (Choix des caractéristiques) jusqu à convergence: Calcul des pertes de charges et comparaison avec les P allouées (côté tube p. 9.22 et côté calandre, p. 9.24) Si P calculées > P allouées on reprend depuis l étape (Choix des caractéristiques) jusqu à convergence. Remarque: Le meilleur design est celui qui, en utilisant au mieux les pertes de charge allouées, minimise la surface installée Faire un design: Recherche de l aire minimum avec, au plus, P calculées P allouées Transfert de chaleur Chap 9 b - 6
Information supplémentaire sur les caractéristiques des échangeurs Diamètre érieur des tubes ¾ (po) d t 1 ½ (po) Longueur Grandeurs disponibles sur le marché 6, 8, 10, 12, 16, 20 (pi) Épaisseur des tubes numéro BWG (Birmingham Wire Gauge) 10, 12, 14, 16 et 18 qui augmente quand l'épaisseur diminue. Le plus courant BWG 16 page 9.17 Transfert de chaleur Chap 9 b - 7
Diamètre de la calandre: Fonction a) du nbre de tubes à installer b) du choix du pas (carré ou triangle) c)du nbre de passes (voir p. 9.16) nombre detubes aireinstallée d L / t t Diamètre de la calandre Fonction du nombre de tubes à installer et du choix de pas (carré ou triangle ). (voir p. 9.16) Nombre de passes Côté tube (1, 2, 4, 6, ) (effet sur la vitesse) Côté calandre (1 ou 2) Position des fluides? dans la calandre? dans les tubes Considérations d encrassement et de sécurité Considérations thermiques Transfert de chaleur Chap 9 b - 8
Nombre de chicanes Dépend de l espacement des chicanes. D c D c 5 I B D c I B minimum D c 10" 2" 10" < D c 30" 0,2 D c 30" < D c 60" 6" D c > 60" 0,1 D c Choix de l ouverture des chicanes: (baffle-cut) 15 % 25% 35% 45 % Choix de l ouverture des chicanes: (baffle-cut) 15 % 25% 35% 45 % Transfert de chaleur Chap 9 b - 9
Calcul des coefficients h dans les tubes (p 9.22) hd 1 0.8 t 3 Nu 0.027 Re Pr k W attention: pour le calcul de la vitesse dans les tubes nombre total detubes débit massiquetotal section interne d ' un tube V nombre de passes 0.14 tube 2 n t d t Vtube m/ n P 4 Projet: pour les premières itérations, on peut négliger w 0.14 Calcul des pertes de charges : côté tubes p 9.22 La perte de charge résulte de la friction dans les tubes (de longueur Lt ) et des pertes de charges singulières dans les bouts de la calandre (contraction, expansion, changement de direction): 0.14 L t PnP 4ft 2.5 dt W V 2 f 0.079 Re pour Re 2.10 0.25 4 t d d f 0.046 Re pour Re 2.10 0.2 4 t d d 2 t Transfert de chaleur Chap 9 b - 10
Calcul des coefficients h dans la calandre p 9.23 (méthode Kern - méthode Bell) Calcul des coefficients dans la calandre Transfert de chaleur Chap 9 b - 11
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Coefficient global moyen a) En utilisant des températures moyennes pour chaque fluide h int, h, r r Ln 1 1 1 = R + + + + R r r h k h moyen 0 0 r0 int r0 ri f 0 i i int b) Si les propriétés changent avec la température et si on suppose que varie linéairement avec ( T) alors on peut définir (voir Ex 9.3 p. TDEX 9.2): = chaud T T LM froid cc Ln froid ch fr T T T Où cc : contre-courant pur fr ch chaud f chaud r r Ln 1 1 1 = R + + + + R r r h k h 0 0 r0 int r0 ri f 0 i i int f T ch Contre-courant pur froid T fr ( T LM ) cc = ( Tch Ln T Tch T fr fr ) moyen = chaud T T LM froid cc Ln froid ch fr T T T fr ch chaud Transfert de chaleur Chap 9 b - 13
A requise moyen q TLM Ft CC F t aide à déterminer le nombre de passes requises: F t > 0.85 ; il faut seulement 1 passe côté calandre F t < 0.85 ; il faut au moins 2 passes côté calandre F t = 1 ; contre-courant pur Calcul des températures de paroi pour les termes w On se place aux deux rémités de l échangeurs (coté chaud et coté froid) et pour chaque région on applique: chaud 0.14 W q" = ( T T ) h( T T ) froid t cal t t t q" = ( T ) ( W t Tcal hcal Tcal Tcal ) T ch T fr Transfert de chaleur Chap 9 b - 14
Coûts des échangeurs de chaleurs http://www.matche.com/equipcost/exchanger.htm Pour le dimensionnement des échangeurs dans le projet no 2, vous utiliserez le logiciel (feuille Excel + code Visual-Basic) il existe de nombreux logiciels commerciaux (.. $) pour le design des échangeurs TEMA http://www.tema.org/ HTRI http://www.htri.net/ Transfert de chaleur Chap 9 b - 15