Présentation des échangeurs

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles telles que la climatisation, l’automobile (radiateurs de refroidissement), l’industrie chimique, pharmaceutique, etc. Leur principe de fonctionnement est simple et est basé sur l’échange de chaleur entre deux fluides séparés en général par une paroi. Certains échangeurs comme les condenseurs, bouilleurs, ou tours de refroidissement fonctionnent avec des fluides qui changent de phase. La conception des différents types d’échangeurs se fait en fonction des caractéristiques physiques des fluides véhiculés. En général, lorsque l’échange s’effectue entre deux liquides, l’appareil sera de type tubes et calandres ou plaques. Pour la première configuration, l’un des fluides circule dans le faisceau de tubes et l’autre à l’intérieur de l’enveloppe cylindrique appelée calandre. Pour les échangeurs à plaques également très utilisés, notamment dans l’industrie alimentaire, les deux liquides échangent de la chaleur le long de plaques parallèles. Dans le cas des échangeurs gaz-gaz, les flux thermiques obtenus par convection étant relativement faibles, les surfaces d’échanges thermiques sont très étendues. Une notion importante pour ces échangeurs est la compacité exprimée en m2/m3. Celle-ci exprime la valeur de la surface d’échange par rapport au volume extérieur de l’échangeur que l’on nomme également encombrement. Dans le cas d’échange de chaleur entre ses deux gaz, la compacité est très importante et on utilise des échangeurs à plaques et ailettes. L’écoulement des fluides s’effectue dans des canaux rectangulaires formés par les plaques planes parallèles. Des ailettes (intercalaires) brassées sur ces dernières permettent d’augmenter la surface d’échange. Pour la dernière catégorie, échangeur gaz-liquide, on préfère utiliser des géométries dont la surface d’échange côté gaz et plus importante que du côté liquide, due à la disproportion entre les deux résistances thermiques. Le choix de batteries de tubes ailetés est donc conseillé. Deux grandes familles existent : - échangeurs à tubes et ailettes individuelles où chaque tube possède sa « propre » ailette. - échangeurs à tubes et ailettes continues. Le liquide circulant dans les tubes qui peuvent avoir différentes formes (plats, ovales, ronds…). Le gaz, pour sa part, traverse les rangs de tubes (alignés ou quinconcés) dans des canaux délimités par les ailettes parallèles.


Pour l’étude d’un échangeur, on cherche le plus souvent pour une puissance d’échange thermique donnée, à caractériser tous les paramètres le définissant c’est à dire sa surface d’échange, les matériaux utilisés, le diamètre des tubes… L’intérêt économique étant le facteur prépondérant, on cherchera à fabriquer des échangeurs avec le moins de surface d’échange thermique (réduction du coût d’investissement) et de perte de charge possible (réduction du coût d’exploitation). Pour ce faire, des techniques de calcul des performances globales de l’échangeur ont été développées. Les phénomènes physiques propres aux échangeurs étant complexes, ces calculs sont approximatifs car ils font appel à des hypothèses plus ou moins vérifiées.
Deux méthodes existent :
- Celle de la moyenne logarithmique de la différence de température ou DTLM Celle du « nombre d’unités de transferts » dite du NUT (ou NTU pour les ouvrages anglais).
Durant mon stage, c’est la méthode du DTLM qui a été employée. Mais avant de présenter ces deux méthodes, rappelons les équations régissant les phénomènes thermiques des deux fluides de l’échangeur.
- Analyse thermique :
Considérons l’échangeur décrit sur la Figure 3. Celui-ci est arbitraire et l’analyse suivante est valable quelque soit le type de configurations, Si le régime est permanent et qu’il n’existe aucune perte thermique, on peut écrire la puissance échangée entre les deux fluides de la façon suivante:


- Le 1er et le dernier terme représentent les résistances thermiques convectives entre le fluide et la paroi. hf est le coefficient de convection côté froid, ?f est l’efficacité d’ailette et sera définie dans le paragraphe suivant, Sf est la surface d’échange côté froid.
- Au bout d’un certain temps de fonctionnement, peuvent apparaître des dépôts de tartre et de salissure. L’échangeur est ainsi encrassé. La résistance due à ce film est exprimée par Rec.
- Le terme caractérise la résistance thermique conductive du tube d’épaisseur et.
- Le dernier terme Rcontact représente une résistance de contact entre le tube et le collet. Sa valeur est fonction de la technique de jonction de ces éléments. Deux techniques sont généralement employées: le brassage ou le sertissage.

Les coefficient d’échange intérieur se déduit à partir de corrélations. Il est fonction de la configuration de l’écoulement, de sa dynamique (nombre de Reynolds), mais aussi des propriétés du fluide (Pr). Des études expérimentales sur la détermination de ce coefficient montrent que son évolution spatiale le long de l’échangeur est loin d’être constante. Cela explique pourquoi les méthodes du NUT et du DTLM sont dans quelques cas approximatives (hypothèse que U est constant le long de l’échangeur).

- Efficacité d’ailette :
Dans le cas des batteries à tubes et ailettes continues, la surface d’échange du côté air est volontairement augmentée, ceci afin de réduire sa résistance thermique. Il existe ainsi des gradients de température dans l’ailette dus à la résistance de conduction. Le coefficient d’échange convectif h est déterminé à température de paroi constante et est ensuite corrigé par une efficacité d’ailette (produit h ? ? dans l’expression de l’équation III 2. 13). Celle-ci est définie comme étant le rapport entre la puissance réelle échangée à la surface de l’ailette à celle qui serait restituée si cette dernière était à température constante (conductivité infinie).


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