Cours TC2 Echangeur de Chaleur Avec Changement de Phases [PDF]

Zitiervorschau

4éme Année

Transfert de Chaleur 2020

Partie 2 : Echangeur de chaleur avec changement de phases (Echange diphasique) Introduction Partie 1 a permis de faire le point sur les coefficients de transfert dans les échangeurs à fluides monophasiques. Il reste maintenant à envisager le cas des appareils où l’un des fluides subit un changement de phase, soit que l’on ait besoin de produire de la vapeur ou du liquide, soit que l’on veuille accroître les transferts en utilisant la chaleur latente de changement d’état. Le changement de phase se produisant à température constante, ces appareils sont donc des « échangeurs à fluide isotherme ». Le transfert diphasique, cela signifie que les fluides vont changer d’état (ou de phase) entre l’entrée et la sortie de l’échangeur : les échanges de chaleur se traduisent ainsi quasiment uniquement par un changement d’état sans élévation ni baisse de leur température (pour les corps pures à pression constante). On parle alors d’échange sous forme de chaleur latente. Les changements de phase les plus fréquemment rencontrés dans le domaine des échangeurs de chaleur sont l’évaporation (Liquide → Gaz) et la condensation (Gaz → Liquide), notamment dans le domaine du génie climatique (cycle des pompes à chaleur pour la production de froid) et de la production d’énergie électrique. Les autres changements de phase, tels que la fusion et la solidification, restent encore des domaines plus marginaux bien qu’appliqués de plus en plus par l’utilisation grandissante des MCP (Matériaux à Changement de Phase). On citera également la sublimation (Solide→ Gaz) qui est utilisé, par exemple, dans les process de lyophilisation (procédés de séchage à froid). La puissance (Flux) échangée (P en [W]) entre deux fluides qui vont changer de phase dépend essentiellement des deux critères suivants : Le débit massique des fluides (q m en [kg/s]), La chaleur latente ou enthalpie de changement de phase (liquide/vapeur le plus couramment) qui est une propriété thermophysique des fluides (noté Lv en [J/kg]). Suivant la convection thermodynamique, les chaleurs latentes de changement d’état sont positives si on doit fournir de l’énergie à un corps on négative si le corps libère de l’énergie. La condensation est une opération qui correspond à une libération de chaleur par la vapeur qui se condense Lc0.

Mme O. Rebas

1

4éme Année

Transfert de Chaleur 2020

A. Condenseurs A.1. Définition Un « condenseur » est un échangeur dans lequel le fluide froid provoque un changement de phase du fluide chaud, qui passe de l’état de vapeur à l’état liquide.

A.2. Les types de condenseurs Il existe plusieurs types de condenseur.

A.2.1. Les condenseurs à air Ce sont souvent des échangeurs de chaleur à calandre et à faisceau tubulaires. On utilise des tubes généralement assez fins (un centimètre de diamètre au maximum) avec un pas triangulaire ou carré, un des critères choisi pour limiter la perte de charge, surtout pour des appareils travaillant à pression réduite. On trouve deux sortes de condenseurs à air en réfrigération : Condenseurs statiques : l’air circule librement autour de la calandre du condenseur, par convection naturelle. Ce sont les serpentins, souvent noirs, qui se situent à l’arrière des réfrigérateurs ménagers ou des congélateurs. Condenseurs ventilés : l’air circule à travers le condenseur de manière forcée par l’action d’un ventilateur. On parle alors de ventilo-condenseur. Ce sont les mécanismes les plus utilisés dans le cas des climatisations. Figure 1. Un exemple de ventilo-condenseur

A.2.2. Les condenseurs à eau Ce sont des condenseurs où le fluide réfrigérant est refroidi par de l’eau dans un échangeur. Mme O. Rebas

2

4éme Année

Transfert de Chaleur 2020

L’eau et le fluide réfrigérant sont strictement hermétiques et indépendants. On trouve ce type de condenseurs généralement sur les groupes frigorifiques à eau glacée et sur les pompes à chaleur air/eau ou eau/eau. On trouve plusieurs sortes de condenseurs à eau en réfrigération : Condenseur coaxial : cet échangeur est composé de deux tubes superposés enroulés en spirale, le fluide réfrigérant circulant dans le tube central tandis que l’eau circule dans le second tube extérieur. Les deux fluides circulent à contre-courant afin que l’échange soit le plus efficace possible. Le condenseur coaxial est un concept dépassé, qui présente un mauvais rendement et nécessite de gros échangeurs. Il convenait surtout aux groupes frigorifiques fonctionnant au R22, un fluide frigorigène attaquant la couche d’ozone et totalement interdit de nos jours. Condenseur bouteille : cet échangeur est composé d’un réservoir dans lequel passe le fluide frigorigène et au sein duquel a été installé un serpentin qui contient l’eau de refroidissement. Là encore, les deux fluides circulent à contre-courant pour une meilleure efficacité de l’échange. Ce système est surtout utilisé dans les climatisations automobiles. Condenseur tubulaire ou multitubulaires : ce type d’échangeur est principalement réservé à l’industrie car réservé aux grosses puissances. Des tubes sont placés en grands nombres horizontalement, soudés à chaque bout à deux viroles, séparant la partie fluide frigorigène et l’eau. L’eau circule à l’intérieur des tubes tandis que le fluide frigorigène se condense autour dans le réservoir extérieur, « la calandre ». Ce type de condenseur présente l’avantage d’être démontable et de pouvoir être nettoyé mécaniquement. Condenseur à plaques brasées : ce dernier type de condenseur concerne les machines récentes qui fonctionnent avec les nouveaux fluides réfrigérants (R407C et R410A) pour le froid positif (au-dessus de 0°C). Il est, dorénavant, le remplaçant du R22 dans les climatisations et dans certains processus industriels du froid. Il est composé d’un assemblage de plaques embouties entre deux plateaux au moyen de tirants dont les alvéoles constituent le circuit emprunté par les deux fluides. L’étanchéité entre les plaques est assurée par des joints permettant la séparation des fluides.

Mme O. Rebas

3

4éme Année

Transfert de Chaleur 2020

Figure 2. Un exemple de condenseur à eau

A.3. Echange thermique d’un condenseur

Figure 3. Représentation des allures de températures dans le cas d’un condenseur

Mme O. Rebas

4

4éme Année

Transfert de Chaleur 2020

B. Evaporateurs B.1. Définition Un « l’évaporateur » utilise le fluide chaud pour faire passer le fluide froid de l’état liquide à l’état de vapeur.

B.2. Les types des évaporateurs B.2.1. Classification des évaporateurs Il existe déférentes classifications, on rapporte dans ce présent travail celles qui concernent le mode de fonctionnement et selon le type de l’évaporateur. B.2.1.1. Classification selon le mode e fonctionnement B.2.1.1.1. Evaporateur a détente sèche Il est alimenté par un détendeur thermostatique qui ne laisse passer que la quantité de fluide frigorigène liquide nécessaire à une vaporisation complète pour une charge thermique bien déterminée. En sortie de ces évaporateurs les vapeurs de fluide frigorigène sont surchauffées ; cette surchauffe est suffisamment importante pour protéger le compresseur des coups de liquide. B.2.1.1.2. Evaporateur en régime noyé Le fonctionnement de ces évaporateurs résident sur le principe que les surfaces d’échanges doivent toujours être en contact avec du fluide frigorigène liquide. Par ailleurs, on obtient des coefficients d’échanges thermiques plus élevés qui permettent de meilleurs rendements. Cependant, à cause de l’absence de la surchauffe on accentue les risques d’exposer le compresseur par les coups de liquide et de piéger l’huile dans l’évaporateur lorsque celui-ci est miscible avec le fluide frigorifique. B.2.1.2. Classification selon le type de l’évaporateur : On distingue les évaporateurs tubulaires, à plaques et à air. B.2.1.2.1. Les évaporateurs tubulaires Ce type des évaporateurs sont constitués d’un faisceau de tubes dans lequel circule l’un des fluides, sont disposés en parallèle dans un corps cylindrique (calandre), pour former des passes. Le fluide de refroidissement (fluide frigorigène, l’eau, saumure…) peut circuler, soit à l’intérieur des tubes (cas d’évaporateurs multitubulaires), soit à l’extérieur des tubes, donc entre les tubes et la calandre. Mme O. Rebas

5

4éme Année

Transfert de Chaleur 2020

B.2.1.2.2. Evaporateur à plaques Les évaporateurs à plaques sont des échangeurs qui sont en concurrence avec les échangeurs tubulaire. On distingue principalement trois types : L’évaporateur à plaques à joints démontables Il est constitué d’un ensemble de plaques métalliques embouties maintenues serrées entre deux plateaux au moyen de tirants de serrage. Chaque plaque est équipée d’un joint qui assure à la fois l’étanchéité de l’ensemble et la répartition des fluides dans les canaux constitués par les plaques, le transfert de chaleur s’effectue à travers ces plaques. L’évaporateur à plaques brasées Il est constitué d’une série de plaques métalliques embouties, mais sans joint, ni tirant, ni barre, ni bâti, il se compose en fait de plaques intermédiaires en acier inoxydable et de deux plaques extérieures. Les plaques sont brasées sur le pourtour et aux points de contact entre deux plaques successives avec du cuivre dans un four sous vide, formant aussi un appareil compact qui assure une étanchéité convenable aux fluide frigorigène. L’évaporateur à plaques spiralées brasées Ce sont des échangeurs où les plaques sont enroulées et brasées. Ils sont plus résistants aux fortes pressions. B.2.1.2.3. Evaporateur à tubes et ailettes Dans ce type d’évaporateur le fluide frigorigène circule dans les tubes alors que l’air passe autours des tubes et entres les ailettes, généralement ces évaporateur sont utilisés pour le refroidissement de l’air. On distingue : L’évaporateur à convection naturelle Ils sont utilisés pour des puissances frigorifiques relativement faibles à titre d’exemple : dans les réfrigérateurs, congélateurs. Leur coefficients globaux d’échanges thermiques sont généralement faible (inférieur à 15 W/m2.°C) L’évaporateur à convection forcée La circulation de l’air à travers les surfaces d’échanges est assurée par un ou plusieurs ventilateurs, ce type d’évaporateur est utilisé dans les installations destinées pour la conservation de denrées ou en climatisation. Par ailleurs, selon le degré d’humidité de l’air un phénomène de condensation de vapeur d’eau contenue dans l’air peut apparaitre sur les parois de l’évaporateur. Ce qui peut même conduire à la formation de givre pour des températures suffisamment basses qui a pour conséquence de diminuer les performances de l’évaporateur (réduction importante de la section de passage de l’air dans les échangeurs thermiques). Mme O. Rebas

6

4éme Année

Transfert de Chaleur 2020

Figure 4. Exemple d’évaporateur à ailettes

B.3. Echange thermique d’un évaporateur

Figure 5. Représentation des allures de températures dans le cas d’un evaporateur

Mme O. Rebas

7