Rapport Echangeur [PDF]

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DIMENSIONNEMENT D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR RAPPORT DE PROJET

RÉALISÉ PAR: RIAD Achraf BAALI Lamya BOUELFAOUAYED Lahbib Option: IP

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur

Introduction : 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. 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. Ce document représente une description détaillée du travail qui a été fait pour le dimensionnement d’un échangeur de chaleur, permettant de réaliser la mission demandée. En effet nous présentons ici les principaux éléments utilisés pour le calcul thermique de l’échangeur ainsi que pour la détermination de ses caractéristiques géométriques. Une méthode analytique a été choisi pour le calcul de cet échangeur. Une description de la problématique et de la configuration de l’échangeur retenue comme solution pour celle-ci, est faite au début du document. Le but étant de vous permettre de comprendre les raisonnements suivis dans la suite du document. Dans chaque partie, on décrit les méthodes et les étapes de calcul suivis ainsi que les hypothèses adoptées pour aboutir aux résultats présentés. En effet la 1 ère partie est consacrée pour le dimensionnement de l’échangeur, ou bien proprement dit la détermination de sa surface d’échange, et la 2ème partie sera consacrée à la simulation sur logiciel. Les détails des calculs faites dans chaque partie, non présentés dans le rapport, se trouve sur les annexes de ce rapport et dans le fichier Excel rendu.

1|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur

Notations utilisées : Notation

Désignation

Unité (SI)

Tce

La température du fluide chaud à

Kelvin (K)

l’entrée de l’échangeur Tcs

La température du fluide chaud à

Kelvin (K)

la sortie de l’échangeur Tfe

La température du fluide froid à

Kelvin (K)

l’entrée de l’échangeur Tfs

La température du fluide froid à la

Kelvin (K)

sortie de l’échangeur U

Coefficient global d’échange

W/m2.°C

DTLM

La différence de température

Kelvin(K)

logarithmique moyenne ρ

La masse volumique du fluide

Kg/m3

Cp

La Capacité calorifique du fluide

J/kg.K

λ

La conductivité thermique du

w/m.k

fluide

µ

La viscosité dynamique du fluide

Pa.s

di

Diamètre interne des tubes

mm

dext

Diamètre externe des tubes

mm

Df

Diamètre du faisceaux tubulaire

mm

2|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur

Description du problème : L’objectif est de transmettre la chaleur d’un fluide chaud (vapeur saturée) vers un autre fluide froid (eau saline), il s’agit donc de concevoir un échangeur tubulaire à faisceaux et calandre, qui permet de transférer le maximum de la chaleur possible Le flux chaud, qui est constitué entre à une température de 120,23 °C (2 bars), qui passe à travers l’échangeur avec un débit de 5 kg/s. De même pour l’eau saline qui entre avec une température d’entrée de 10 °C. Ainsi on a choisi de dimensionner un échangeur de chaleur type faisceaux et calandre (1,2) 2 passes côté tube et 1 passe côté calandre.

Données et hypothèses de calcul : 

Coté tubes (eau saline) et Coté calandre (vapeur saturée) : in

out

Cp(Tmoy) (Kj/kg.°c)

débit (kg/s)

Chaleur (KW)

Tmoy (°C)

Eau saline

10

40

4,2

92,41230159

11643,95

25

Vapeur saturée

120

60

2,12

5

11643,95

90

La température d’entrée de la vapeur est donnée par le biais des tables thermodynamiques. La chaleur de la vapeur est calculée en prenant en considération la chaleur latente. Les températures de sortie sont supposées et elles seront vérifiées par les bilans pour chaque dimensionnement. Ainsi par ces données et pour un débit en fluide chaud supposé égal à 5 kg/s on peut donc trouver la chaleur échangée ainsi que les températures de sortie. Ainsi on a les résultats ci-dessus.



Hypothèses de calcul : 

L’échange est adiabatique et ne se fait qu’au niveau de l’échangeur.



Les propriétés physico-chimiques des fluides en question sont supposées constantes dans l’intervalle de température étudiées.





Régime permanant et pas de génération ni accumulation de chaleur.



L’échange est unidirectionnel dans le sens de l’écoulement

Méthodologie de design et algorithme de calcul :



L’algorithme suivant est celui utilisé pour le calcul de dimensionnement de tous les types d’échangeurs de chaleur tubulaires. Cet algorithme est suivi par la procédure de calcul afin de pouvoir l’appliquer sur les échangeurs de chaleur tubulaires de notre étude.

3|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur 

Cet algorithme est la procédure générale suivi sur Excel afin de trouver à la fin un échangeur qui permet d’avoir les résultats souhaités.



Tous les calculs ainsi que les abaques utilisés et aussi les propriétés physico-chimiques des huiles sont sur le fichier Excel.



La configuration générale de l’échangeur est obtenue à l’aide du logiciel ASPEN B-JAC, en introduisant les caractéristiques géométriques résultats de l’algorithme sur Excel.

L’organigramme de dimensionnement est le suivant :

4|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur

Choix du type de l’échangeur et Calcul de la surface d’échange : Dans notre cas la difficulté réside en fait dans la détermination de la surface d’échange nécessaire au transfert de puissance entre les deux fluides. Donc on a commencé d’abord par choisir un échangeur adapté au problème donné, puis on a entamé la phase de dimensionnement thermique. On choisit pour notre travail un échangeur tubulaire type, faisceaux et calandre (1,2) .1 passe coté calandre et 2 passes coté tubes. Le fluide froid est circulé dans les tubes et le fluide chaud est circulé dans la calandre. Dans notre cas la méthode envisagée est celle de DTLM.

1. Détermination du coefficient d’échange globale Les données présentées sur le cahier de charge s’avèrent insuffisantes pour débuter la méthode DTLM adoptée, et par conséquent, quelques hypothèses sur les températures de sorties ont été faites comme illustrées dans la partie « Hypothèses » On considère que le fluide chaud entre dans la calandre de l’échangeur avec la température Tce= 120°C et sort avec la température Tcs=60°C. Alors que le fluide froid entre à contre-courant du côté tube à la température Tfe=10°C et sort avec la température Tfs = 40°C. a)

Calcul du débit froid & Supposition du coefficient d’échange

On considère que le flux de chaleur Φ est uniquement transversal. On peut écrire ce flux de plusieurs façons différentes : Φ = Cpf *mf*(Tfs-Tfe)=Cpc*mc*(Tce-Tcf)=F*U*S*DTLM On calcule le débit nécessaire du fluide froid côté tube sachant que le débit du fluide chaud est égale à 5 kg/s.

mf =

mc *Cpc*(Tce-Tcs) Cpf*(Tfs-Tfe)

NB : La capacité calorifique du fluide froid et celle du fluide chaud est calculée à la température moyenne des deux fluides ➢ Supposition coefficient global d’échange: U = 350 W/m². K b) Calcul de la surface nécessaire pour te transfert de la chaleur

On a

S=

Φ F*DTLM*U 5|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur



Détermination du facteur de correction F :

Ce coefficient dépend de la géométrie de l’échangeur et les températures d’entrée et de sortie de chaque fluide. Il peut être déterminé à partir des abaques qui sont disponibles dans la littérature. En effet les coefficients permettant la détermination de F à partir de l’abaque (figure 1) sont calculés comme suit :

Tfs - Tfe

Tce - Tcs P=

R=

Tce - Tcs

Tce - Tfe

D’après l’abaque F= 1

La surface nécessaire est c)

S = 521,2094056 m2

Supposition d’une taille des tubes standards et calcul des diamètres de tubes et de calandre

On choisit pour notre échangeur selon TEMA des tubes en alliage Cuivre Nikel (70 Cu30Ni), le matériau qui est utilisé fréquemment dans l’industrie de diamètre extérieur 20 mm et d’une épaisseur de 2 mm, ce qui implique un diamètre interne de 16 mm.

La longueur des tubes est également choisie selon TEMA à une valeur standardisée de 1,83 m.  La surface d’un seul tube : S (tube) = π .dext.L 6|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur



Nombre de tubes nécessaires : Nt = 𝐴/ 𝑆

La configuration des tubes à pas triangulaire est la plus convenable dans notre cas puisque qu’elle permet d’avoir un minimum de pertes de charge dans la calandre. 

Diamètre du faisceau tubulaire :

d) Calcul des coefficients d’échange



Calcul des coefficients d’échanges coté tubes:

4*mc

Re =

𝐶𝑝𝑐*𝜇c Pr =

𝜋*𝑑𝑖*𝜇𝑐

𝜆𝑐

Plusieurs corrélations peuvent être utilisées pour le calcul du coefficient d’échange convectif dans les tubes. Dans ce cas on peut utiliser la corrélation suivante : h(tubes) =

Nu*𝜆c di

Nu = 0,023*Re0,8*Pr0,4 

Calcul des coefficients d’échanges coté calendre:

Choix de l’espacement entre chicanes : On a choisi un espacement standardisé entre chicanes de 0.2 fois le diamètre de la calandre.

Ec=0,2*Dc Dans ce cas, un calcul de la vitesse massique dans un tronçon de la calandre compris entre deux chicanes est nécessaire. En effet l’écoulement du fluide dans la calandre est perturbé suite à la présence des tubes et des chicanes provoquant ainsi une chute de la vitesse moyenne. La vitesse massique est basée sur la surface du courant croisé du liquide traversant perpendiculairement le faisceau tubulaire.

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Dimensionnement d’un échangeur de chaleur

4*mf

𝐶𝑝f*𝜇f

Re =

Pr =

𝜋*Deq*𝜇f

𝜆f

Plusieurs corrélations peuvent être utilisées pour le calcul du coefficient d’échange convectif dans les tubes. Dans ce cas on peut utiliser la corrélation suivante :

Nu*𝜆f

Nu = 0,023*Re0,8*Pr0,4

h(calandres) =

Deq Calcul du coefficient global de l’échangeur : Nous avons choisi précédemment, d’installer des tubes en alliage cuivre nickel (70% Cu, 30%Ni) de conductivité thermique égale 50 w/m². k

Uo = 174,57w/m2. K Cette valeur vérifie la condition posée.

2. Calcul de pertes de charge Les pertes de charge dans cet échangeur sont calculées en utilisant les formules suivantes: 

Les pertes de charge côté tubes : 𝑳 𝝁 𝒗𝒕𝟐 𝜟𝑷 = 𝒏𝒑[𝟒 ∗ 𝒇 ∗ ( ) ∗ ( ) − 𝟎, 𝟏𝟒 + 𝟐, 𝟓] ∗ 𝝆 ∗ 𝒅 𝝁𝒘 𝟐

Avec : 𝑛𝑝 : nombre de passe 𝑓 : facteur de friction 𝜇𝑤 : viscosité dans les parois qui est égal à la viscosité du fluide à l’intérieur des tubes μ. 𝑣𝑡 : la vitesse d’écoulement du fluide dans un seul tube. 

Les pertes de charge côté calandre : 𝜟𝑷 = 𝟖 ∗ 𝒋 ∗

𝑫𝒄 𝑳 𝑮𝒗𝟐 ∗ ∗ 𝑫𝒆𝒒 𝑬𝒄 𝟐 ∗ 𝝆 8|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur Avec : 𝑗 : Facteur de friction côté calandre. 𝐸𝑐 : Espacement entre chicanes. 𝐷𝑒𝑞 : Diamètre équivalent.

3. Estimation du prix de la construction Le coût de l’échangeur est estimé à partir de la formule: 𝑪 = 𝟏, 𝟐𝟏𝟖 ∗ 𝒇𝒅 ∗ 𝒇𝒎 ∗ 𝒇𝒑 ∗ 𝑪𝒃 Avec : 𝐶𝑏 = 𝑒𝑥𝑝 (8,821 − 0,30863 ∗ 𝑙𝑛(𝐴) + 0,0681 ∗ (𝑙𝑛(𝐴))²) 𝐴= La surface d’échange (A=524,3m^2) 𝑓𝑑 = 𝑒𝑥𝑝 (−1,1156 + 0,90106 ∗ 𝑙𝑛(𝐴)) 𝑓𝑚 = 1,9 𝑓𝑝 = 1 N.B : Les détails des calculs sont donnés dans le fichier Excel joint.

Plan de spécification

213

641

Dessin par B-JAC

Front Head

800

0 378

Shell

5283

800

4000

800

4213

641

RearHead

800

3660

9|P a g e

Dimensionnement d’un échangeur de chaleur

10 | P a g e