TP Echangeur [PDF]

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Introduction : Un échangeur de chaleur est un système qui permet de transférer un flux de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid, à travers une paroi sans contact direct. 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, le Mode de transfert du dispositif : - À co-courant : les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens. - À contre courant : les deux fluides sont disposés dans des sens opposés.

Définition : L’appareil est constitué d’un faisceau de tubes, disposés à l’intérieur d’une enveloppe dénommée calandre. L'un des fluides circule à l'intérieur des tubes et l'autre à l'intérieur de la calandre, autour des tubes. On ajoute en général des chicanes dans la calandre, qui jouent le rôle de promoteurs de turbulence et améliorent le transfert à l'extérieur des tubes. Six(6) thermomètres ( Tfe, Tfs, Tce , Tcs , Tme , Tme )sont disposés le long de chacun des deux circuits pour permettre de mesurer la température des deux courants ( à l’entrée, à la milieux- et à la sortie ) et deux débitmètre (qc, qf ) pour mesure le débit des fluide chaud et froid

But du tp : Ce tp a pour but de montrer et faire comprendre des concepts importants comme : -profiles de température -Ecoulements en co-courant et en contre courant -rendement de l’échangeur -coefficient global du transfert de chaleur -moyenne logarithmique

Modes de transfert : Il existe plusieurs types d'échangeurs de chaleur : 



À co-courant (ou échangeur anti-méthodique) : les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens. Dans un échangeur anti-méthodique la température de sortie du fluide froid est nécessairement moins élevée que la température de sortie du fluide chaud. À contre-courant (on dit aussi : échangeur méthodique) : idem, mais les courants vont dans des sens opposés. Dans un échangeur méthodique, le coefficient d'échange est sensiblement supérieur à celui d'un échangeur anti-méthodique et la température de sortie du fluide froid peut être plus élevée que la température de sortie du fluide chaud.

Partie expérimentale : A. On maintient la température de l’eau chaude à Tc=40°c, après on fixe les débits des courants chaud et froid respectivement à QC=2 L /min et Qf=3 L /min. On relève les températures des deux fluides à l’entrée, au milieu et à la sortie B. On fait varier la température du courant chaud de 30 à 45°c tout en maintenant les débits des deux courants chaud et froid constant Qc=3 L /min et Qf= 4 L /min et on relève les 6 températures C. On fait varier le débit du fluide chaud de Qc=(1-1,5-2-2,5) L/min tout en maintenant sa température à T=52°c et le début du fluide froid à Qf=5 L/min; et on relève les 6 températures pour chaque valeur de Qc Résultats et réponses aux questions : La puissance émise par le fluide chaud (pe) : pe= Cpc . Qc . ρc. (Tce – Tcs) Cp: chaleur spécifique de l’eau= 4185 j/kg.c° Qc: débit massique de l’eau chaude=Qv×ρ Avec ρ=1000 kg/m3 Tce: température de l’eau chaude à l’entrée Tcs : température de l’eau chaude à la sortie La puissance absorbée par le fluide froid : pa= Cpf . Qf . ρf. (Tfs – Tfe) Cp: chaleur spécifique de l’eau Qf: débit massique de l’eau froide Tfe: température de l’eau froide à l’entrée Tfs : température de l’eau froide à la sortie La puissance dissipée (Pp) : Pp= Pe – Pa Le rendement ( ɽ ) : ɽf = Tfs - Tfe / Tce-Tfe ɽc = Tce - Tcs / Tce-Tfe Le rendement(ɽmoy) : ɽmoy =( ɽf + ɽc)/ 2 La moyenne logarithmique des températures(ΔTm) : ΔTm=( ΔT1- ΔT2)/log(ΔT1/ ΔT2) Avec : ΔT1 = Tce - Tfe ΔT2 = Tcs - Tfs Le coefficient global de transfert de chaleur : U=Pa/ ΔTm*surface surface =0.067 m

1. Ecoulement contre -courant : tableau01 : Qc (𝐿/𝑚𝑛)

Qf (𝑙/𝑚𝑛) 2 2 2

Tce Tcm Tcs Tfe Tfm Tfs Pe Pa (°c) (°c) (°c) (°c) °(c) (°c) (w) (w) 3 37 36 34 12 26 32 418,5 3348 4 37 36 33 11,5 23 30 558 3418 5 43 39 38 10 32 36 697,5 3348

Pp (w) -2930 -2860 -2651

ŋf

ŋc

ŋ (moy) 80% 12% 46% 73% 16% 44% 65% 19% 42%

40

35

35

30

30

25

25

T°C

temperature

40

20

20

15

15

10

10

5

5 0

0.75

1.5

Tc

37

36

34

Tf

32

26

12

0

0

0.75

1.5

Tc

37

36

34

Tf

30

23

11

T(°C)=f(L(m)) 50 45 40 35

T°C

30 25 20 15

10 5 0

U (w/𝑚2 °𝑐) 9,10628307 455042,3243 10,5136936 536316,0659 11,7533788 587318,0922

T(°C)=f(L(m))

T(°C)=f(L(m))

0

ΔTm (c°)

0

0.75

1.5

Tc

43

39

38

Tf

36

23

10

Tableau 02 : a-

On trace le graphe a partir de tableau 02 :

Tce (°c)

Tcm (°c)

Tcs (°c)

Tfe (°c)

Tfm °(c)

Tfs (°c)

Pe (w)

Pa (w)

Pp (w)

ŋf

ŋc

ŋ (mo y)

ΔTm (c°)

U (w/𝑚2 °𝑐)

4

38

37

35

12

24

32

3487.5

-3069

77%

12%

554392,3244

4

43

42

39

12

27

35

4185

-3627

74%

13%

13,1855

823606,2077

48

3

4

46

45

42

12

28

38

558

4603.5

4045.5

76%

12%

14,0182

963179,8735

52

3

4

50

48.5

45

12.5

30

41.5

697. 5

5022

4324.5

77%

13%

44 % 44 % 44 % 45 %

10,6506

3

418. 5 558

14,3364

1074591,538

T(eau chaud )

Qc ((𝑙/

Qf ((𝑙/

𝑚𝑛)

𝑚𝑛)

40

3

45

40 35 30 25 20 15 10 5 0

T(°C)=f(L(m)) 50 40

T(°C)

T(°C)

T(°C)=f(L(m))

30 20 10

0

0.75

1.5

Tc

38

37

35

Tf

32

24

12

0

0

0.75

1.5

Tc

43

42

39

Tf

35

27

12

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

T(°C)=f(L(m)) 60 50

T(°C)

T(°C)

T(°C)=f(L(m))

40 30 20 10

0

0.75

1.5

Tc

46

45

42

Tf

38

28

12

0

0

0.75

1.5

Tc

50

48.5

45

Tf

41.5

30

12.5

b-Le rendement thermique indique les pertes inhérentes a l’imperfection de l’échangeur lors de la transmission de chaleur.

Dans la pratique, les pertes en question sont souvent négligeables par rapport à la puissance transmise, c'est pourquoi on considère généralement que le rendement d'un échangeur est de 100% et que l'entièreté de l'énergie cédée par le fluide chaud est emportée par le fluide froid. tableau03 : a-on tracer le graphe a partir de tableau suivant :

T(°C)=f(L(m)) 60

60

50

50

40

40

30 20

30% 26% 21% 18%

ŋ (moy) 42% 43% 39% 43%

ΔTm (c°) 17,989089 16,9586453 19,2536685 16,2709999

30 20 10

10

0

ŋc

T(°C)=f(L(m))

T(°C)

T(°C)

0

0

0.75

1.5

0

0.75

1.5

Tc

51

46

39.5

Tc

51.5

47

41.5

Tf

33

21

12.5

Tf

36

25

13

T(°C)=f(L(m))

T(°C)=f(L(m))

60

60

50

50

40

40

T(°C)

1 1,5 2 2,5

Qf Tce Tcm Tcs Tfe Tfm Tfs Pe Pa Pp ŋf ((𝑙/𝑚𝑛) (°c) (°c) (°c) (°c) °(c) (°c) (w) (w) (w) 5 51 46 39,5 12,5 21 33 1604,25 4673,25 -3069 53% 5 51,5 47 41,5 13 25 36 1395 4743 -3348 60% 5 51 48 43 13 28 35 1116 4882,5 -3766,5 58% 5 51 48 44 13 28 39 976,5 4882,5 -3906 68%

T(°C)

Qc ((𝑙/ 𝑚𝑛)

30

20

20 10

10 0

30

0

0.75

1.5

Tc

51

48

43

Tf

35

28

13

0

0

0.75

1.5

Tc

51

48

44

Tf

39

28

13

U (w/𝑚2 °𝑐) 1254738,955 1200520,219 1403075,173 1185718,764

b- comparaison avec les résultats présidentes : on voir que il y a une grande augmentation dans les températures de fluid froid et une grande diminution de T° de fluide chaud temps que en augmente le débits chaud. Donc on peut dire qu’il y a une relation de corrélation directe avec la température et le débit. La condition du travail de cette échangeur : Le fluide chaud se refroidit au contact

du fluide froid et le fluide froid se réchauffe au contact du fluide chaud jusqu'a ce que l’équilibre thermique entre les deux milieux soit obtenu " c’est le principe zéro de la thermodynamique sur lequel le mode opératoire des échangeurs de chaleur est principalement basé. c- conclusion : à contre-courants ou à courants opposés : les deux fluides circulent en sens contraire et l'écart de T° reste important tout le long de la surface d'échange. Ce mode circulation donne des échangeurs qui, à même surface d'échange que ceux à cocourants, sont plus efficaces que ces derniers. 2. Ecoulement co-courant : Tableau01 : Qc Qf ((𝑙/ ((𝑙/ Tce Tcm 𝑚𝑛) 𝑚𝑛) (°c) (°c) 2 3 43 39 2 3 39 36

Tcs (°c) 38 35

Tfe Tfm Tfs Pe Pa (°c) °(c) (°c) (w) (w) 10 23 32 697,5 4045,5 10 23 30 558 3627

ΔTm Pp ŋf ŋc ŋ (w) (moy) (c°) -3348 67% 15% 41% 15,8381172 -3069 69% 14% 41% 13,6529806

T(°C)=f(L(m))

50

50

40

40

T(°C)

T(°C)

T(°C)=f(L(m))

30

30

20

20

10

10

0

U (w/𝑚2 °𝑐) 956314,9692 739094,9335

0

0.75

1.5

Tc

43

39

38

Tf

10

23

32

0

0

0.75

1.5

Tc

39

36

35

Tf

10

23

30

Tableau 02 : a- On tracer le graphe T° Qc Qf eau chaud (𝑙/ ((𝑙/ ΔTm U Tce Tcm Tcs Tfe Tfm Tfs Pe Pa Pp ŋf ŋc 𝑚𝑛)𝑚𝑛) ) ŋ (°c) (°c) (°c) (°c) °(c) (°c) (w) (w) (w) (w/𝑚2 °𝑐) (c°) (moy) 40 3 4 38 35 35 10 24 30 418,5 3487,5 -3069 71% 11% 41% 13,3506 694929,5941 45

3

4

44

41

40

10,5

27

34

558 4254,75

-3696,75 70% 12% 41%

15,9903 1015447,645

48

3

4

47

45

43

11

29

37

558

4743

-4185 72% 11% 42%

16,7433 1185277,031

52

3

4

51

48

46

11

31

39 697,5

5161,5

-4464 70% 13% 41%

18,9332 1458563,462

40 35 30 25 20 15 10 5 0

T(°C)=f(L(m)) 50 40

T(°C)

T(°C)

T(°C)=f(L(m))

30 20 10

0

0.75

1.5

Tc

38

35

35

Tf

10

24

30

0

0

0.75

1.5

Tc

44

41

40

Tf

10.5

27

34

T(°C)=f(L(m))

50

60

40

50

30

T(°C)

T(°C)

T(°C)=f(L(m))

20 10 0

40 30 20 10

0

0.75

1.5

Tc

47

45

42

Tf

11

29

37

0

0

0.75

1.5

Tc

51

48

46

Tf

11

31

39

Tableau 03 :

a- On tracer le graphe a partir de tableau : Qc Qf ΔTm U Pa Pp ŋf ŋc ŋ ((𝑙/ ((𝑙/ Tce Tcm Tcs Tfe Tfm Tfs Pe (w) (w) (w/𝑚2 °𝑐) 𝑚𝑛) 𝑚𝑛)) (°c) (°c) (°c) (°c) °(c) (°c) (w) (moy) (c°) 1 5 51 44 41 11 24 30 1395 4603,5 -3208,5 48% 25% 36% 22,4634821 1543442,383 1,5 5 51 45 42 11 26 33 1255,5 4743 -3487,5 55% 23% 39% 20,7822872 1471199,821 2 5 50 46 44 11 27 35 837 4882,5 -4045,5 62% 15% 38% 20,4591432 1490921,887 2,5 5 50 46 45 11 28 36 697,5 4882,5 -4185 64% 13% 38% 20,4591432 1490921,887

T(°C)=f(L(m))

60

60

50

50

40

40

T(°C)

T(°C)

T(°C)=f(L(m))

30 20 10 0

30 20 10 0

0

0.75

1.5

0

0.75

1.5

Tc

51

44

41

Tc

51

45

42

Tf

11

24

30

Tf

11

26

33

0

0.75

1.5

Tc

50

46

45

Tf

11

28

36

T(°C)=f(L(m))

60

60

50

50

40

40

30

30

T(°C)

T(°C)

T(°C)=f(L(m))

20

10

10 0

20

0 0

0.75

1.5

Tc

50

46

44

Tf

11

27

35

b- On comparer le résultat président : on dit que on voir une faible augmentation de T° dans la partie du fluide froid et une faible diminution de T° dans la partie du fluide chaud temps que on augmente le débits chaud . c- conclusion : à co-courants ou courants parallèles : dans ce cas les deux fluides

parcourent la surface d'échange dans le même sens et l'écart de t° entre ceux-ci chute tout le long de la surface. Finalement on dit que : il est facile de comprendre que grâce à l'inversion du sens de

circulation d'un des deux fluides, l'échangeur à contre-courant transfère plus de chaleur que celui à co-courant.

Conclusion générale : 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 qui sépare les fluides, une paroi qui est le plus souvent métallique ce qui favorise les échanges de chaleur. 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 de chaleur le plus commun est celui a plaques. De nouveaux échangeurs a fils fins permettent des échanges eau /air a très faibles écarts de température en chauffage ou refroidissement. on le voit, le principe général est simple mais il donne lieu a un grand nombre de réalisations différentes par la configuration géométrique, la quantité de chaleur transférée dépend de la surface d’échange entre les deux fluides mais aussi de nombreux autres paramètres : comme les températures d’entrée et des caractéristiques thermiques des fluides (chaleurs spécifiques, conductivité thermique) des fluides ainsi que des coefficients d’échange par convection. ce dernier paramètre dépend fortement de la configuration des écoulements et une étude précise doit faire appel a la mécanique des fluides.