Technologie Et Maintenance Des Circuit Fluidique [PDF]

Zitiervorschau

UE: IUT GIM41 EC: GIM 414 TECHNOLOGIE ET MAINTENANCE EN THERMIQUE DIPLOME UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE EN GENIE INDUSTRIEL ET MAINTENANCE (GIM)

NIVEAU 2 SEMESTRE 4 VOLUME HORAIRE : 36 heures

EQUIPE PEDAGOGIQUE : Dr ONGUENE (CM=06H ; TD=06H ;TP=06H; TPE=06H) Mme BILOA (CM=06H; TD=06H; TP=06H; TPE=06H)

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UE IUTGIM43 Technologie et maintenance en mécanique et thermique

EC GIM432

GIM 413 : TECHNOLOGIE ET MAINTENANCE DES CIRCUITS FLUIDIQUES

Technologie et Maintenance des Circuits Fluidiques DUREE : 36 heures CM : 12 heures TD : 12 heures TP : 12 heures TPE : heures

OBJECTIFS GENERAUX ● Utiliser les

techniques de calcul pour mettre en évidence les paramètres

caractéristiques des composants d’un système thermique ; ●

Faire une vérification des performances d’une installation thermique ;

●

Construire la maintenance sur une installation thermique.

OBJECTIFS SPECIFIQUES ● Maitriser les ●

rappels sur la thermodynamique appliquée, les transferts thermiques ;

Se familiariser avec les technologies des échangeurs thermiques et les méthodes de calculs correspondants ;

●

Faire une étude sur la combustion industrielle et les chaudières industrielles.

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FICHE DE PROGRESSION I- PROCESSUS GÉNÉRAL DU DÉROULEMENT DE CHAQUE COURS

1- Présentation de l’objet du cours  2- Rappels du cours précédent  3- Question sur la qualité du cours  a. Le rythme du Cours Magistral est-il convenable ? oui b. Les explications sont-elles assez, ou insuffisantes ? oui 4- Libellé du nouveau cours 5- Proposer : a. D’exercices à faire à la maison  ; b. Un exercice durant le CM pour mieux illustrer le cours ? oui SEQUENCES

SEQUENCE 1 : LES ECHANGEURS THERMIQUES

THEMES DEVELOPPES

1- Rappels de thermodynamique appliquée 2- Rappels de transfert thermique. 3- Technologie des échangeurs thermiques 4- T.D : Quelques exercices à faire à la maison

DUREE

CM : 3h TD : 4h

SÉQUENCE 2 : ELEMENTS DE COMBUSTION INDUSTRIELLE

1- Présentation de l’objet du cours a- Rappels du cours 1 b- Lien avec le cours 2 2- Généralités 3- Notion sur les combustibles 4- Enthalpie et chaleur de réaction 5- T.D : Quelques exercices à faire à la maison

CM : 3h TD : 4h

SÉQUENCE 3 : LES CHAUDIERES INDUSTRIELLES

1- Présentation de l’objet du cours 2- Généralités sur les chaudières industrielles a- Chaudières à tubes fumées b- Chaudières à tube d’eau 3- Présentation de diagramme 4- T.D : Quelques exercices à faire à la maison

CM : 3h TD : 4h

SÉQUENCE 4 : TRAVAUX PRATIQUES

1- Présentation du cahier de TP 2- Exercices et description de l’objet des TPE

CM : 6h TP : 4h

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SOURCES DOCUMENTAIRES

1- Aide-mémoire Thermodynamique 2- Installations

de l’ingénieur. Francis Meunier. Collection DUNOD.

thermique motrices. Joseph MARTIN et Pierre WAUTERS. Deuxième

édition revue. Collection DUC. 3- Introduction

aux transferts thermiques. Jean-luc Battaglia, Andrzej Kusiak, Jean-Rodolphe

Puiggali. 4- Initiation 5- Systèmes

aux transferts thermiques J.F Sacadura. Collectif TEC et DOC. 1993 énergétiques- offre et demande d’énergie : méthodes d’analyse. Pierre

Verstracte, Gérard Sarlos et Pierre André Haldi, Collection Traité de Génie civil de l’école polytechnique fédérale de Lausanne 2003 ;

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Table des matières

FICHE DE PROGRESSION SOURCES DOCUMENTAIRES Chapitre 1 : Les échangeurs thermiques 1.1. Rappels de thermodynamique appliquée 1.1.1. Introduction 1.1.2. Définition 1.1.3. Chaleur et température a. Chaleur sensible b. Chaleur latente L (Lv ou Lf) 1.1.4. Énergie interne 1.2. Rappels de transfert thermique 1.2.1. Introduction 1.2.2. Définitions 1.2.2.1. Champ de température 1.2.2.2. Gradient de température 1.2.2.3. Densité de flux de chaleur 1.2.2.4. Flux de chaleur 1.2.3. Différents modes de transferts de chaleur 1.2.4. Transfert de chaleur par conduction 1.2.5. Transfert de chaleur par convection 1.2.6. Transfert thermique par rayonnement 1.2.7. Propriétés des matériaux 1.2.7.1. Conductivité thermique 1.2.7.2. Diffusivité thermique 1.2.7.3. Viscosité 1.2.8. Etablissement d’un bilan thermique 1.2.9. Exercice d’application: 1.2.9.1. Enoncé 1.2.9.2. Solution 1.3 Technologies des échangeurs de chaleur 1.3.1. Principe général 1.3.2. Configurations géométriques 1.3.2.1 Echangeurs à tubes et calandres 1.3.2.2. Echangeurs tubulaires coaxiaux 1.3.2.3 Echangeurs à courants croisés 1.3.2.4. Echangeurs à plaques 1.3.3. Calcul des échangeurs 1.3.3.1. Evaluation de l’efficacité d’un échangeur de chaleur par la méthode de la MLDT 1.3.3.2. Méthode du nombre d’unités de transfert (NUT) TRAVAUX DIRIGES SUR LES ECHANGEURS Chapitre 2 : Eléments de combustion industrielle 2.1. Généralités 2.2. Notions sur les combustibles. 2.2.1. Nature et composition 2.2.2. Caractéristiques des combustibles 2.2.3. Equations de combustion 2.2.3.1. Equations chimiques de base : 2.2.3.2. La combustion neutre ou combustion stœchiométrique 2.2.3.3. La combustion oxydante ou combustion avec excès d’air 2.2.3.4. Combustion réductrice ou combustion avec défaut d’air ou mixte. 2.2.4. Grandeurs caractéristiques de la combustion 2.2.4.1. Les grandeurs stœchiométriques 2.2.5. Les caractéristiques en combustion oxydante ou réelle

4 5 8 8 8 8 9 9 9 10 12 12 12 12 12 13 13 13 13 14 14 15 15 15 15 16 17 17 17 18 18 19 19 19 20 20 21 21 23 25 27 27 28 28 28 30 30 30 31 31 32 32 34 5

2.3. Enthalpie et chaleur de réaction 2.3.1. Application du premier principe de la thermodynamique 2.3.2. Enthalpie standard de formation TRAVAUS DIRIGES SUR LES ELEMENTS DE COMBUSTION INDUSTRIELLE Chapitre 3 : Les chaudières industrielles 3.1. Généralités sur les chaudières à combustible. 3.1.1. Les chaudières à tubes de fumées 3.1.2. Les chaudières à tubes d’eau. 3.1.3. Aperçu des éléments d’une chaudière : cas des chaudières LOOS 3.1.4. Utilisation et distribution de la vapeur. 3.1.5. Eléments de maintenance d’une chaudière TRAVAUX DIRIGES SUR LES CHAUDIERES CAHIER DE TRAVAUX PRATIQUES

Chapitre 1 : 1.1.

35 35 35 37 42 42 42 43 44 49 50 63 65

Les échangeurs thermiques

Rappels de thermodynamique appliquée

1.1.1. Introduction La thermodynamique est une science jeune du 19° siècle qui sert à décrire un système à l'aide d'un petit nombre de paramètres. La thermodynamique nous permettra l'étude: ✔

des propriétés thermiques des corps (calorimétrie- échange de chaleur) ;

✔

des changements d'états des corps (production de vapeur, séchage, concentration) ;

✔

des bilans énergétiques (bilan sur un échangeur) ;

✔

du mode de fonctionnement des machines thermiques (machine frigorifique, pompe à chaleur). 1.1.2. Définition Un système est une portion de l'univers dont on veut faire l'étude. Les variables d'état sont les

paramètres définissant l'état du système (pression, volume, température, quantité de matière). Elles sont reliées par des équations d'état. Un système ouvert peut échanger de l'énergie mais pas de la matière. Un système isolé ne peut échanger ni énergie, ni matière. Une fois l'état du système définit, celui-ci peut évoluer. Il existe différents types d'évolution: ✔

Isotherme: transformation à température constante (T= cte),

✔

Isochore: transformation à volume spécifique constant (V=cte),

✔

Isobare: transformation à pression constante (P=cte),

✔

Adiabatique: transformation sans échange de chaleur (Q=0). Pour les gaz parfaits, il est à rappeler la validité de l'équation d'état :

p .V =n R T . 6

Les évolutions du système sont représentées sur des diagrammes d'état, dont la représentation la plus courante est celle de Clapeyron enthalpique

p=f (V ). On peut également utiliser le diagramme de Mollier ou diagramme

p=f (h) et aussi le diagramme entropique T =f (s ).

Dans certains cas, le système peut atteindre son équilibre. Un système est dit en équilibre thermodynamique lorsque toutes ses variables d'état restent constantes au cours du temps. On définit les équilibres suivants: ✔

Equilibre mécanique: aucun déplacement de matière, soit à l'intérieur du système, soit entre le système et le milieu extérieur.

✔

Equilibre thermique: la température reste la même au cours du temps.

✔

Equilibre chimique: ni changement de structure interne, ni transfert de matière.

1.1.3. Chaleur et température Les quantités de chaleur Q cédées ou gagnées par un système se déterminent à partir de l'importance des effets provoqués. L'unité est le joule (J) ou son multiple kilojoule (1kJ =103J).

a. Chaleur sensible A partir de changement de température: la quantité de chaleur échangée est proportionnelle à l'écart de température (∆ T ) et la masse (m ) du corps qui a subit ce changement de température. Il faut des quantités de chaleur différentes pour faire subir un même changement de température à une même masse de corps différents. Chacun a en effet une chaleur massique (c ) définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 °C la température d'une masse du corps considérée égale à 1 Kg. La quantité de chaleur échangée est donc égale, en valeur absolue à:

Q=m. c . ∆ T

m = masse (Kg), c = chaleur massique (J/Kg/°C), ∆ T = variation de température (°C)

Si on utilise non la masse mais la quantité de matière (mole), cette relation devient:

Q=n .c . ∆ T

m = masse (Kg), c = chaleur molaire (J/mol/°C), ∆ T = variation de température (°C).

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b. Chaleur latente L (Lv ou Lf) Le changement d'état d'un corps pur nécessite un apport de chaleur sans changement de température. La chaleur Latente est donc la chaleur qu'il faut fournir à la masse unité du corps étudié (ou qu'elle cède) pour changer d'état (à température constante). Pour un corps de masse m :

Q=m L ( chaleur latente)

Figure 1.1 : changement d’état des corps purs Remarque: On utilise aussi en unités usuelle la Calorie. On a définie 1 Kcal = 4,18 KJ1 Kcal est l'énergie nécessaire pour amener 1 Kilo d'eau de 14,5°C à 15,5°C.

1.1.4. Énergie interne En thermodynamique, la chaleur reçue par un système sera compté positivement. Une chaleur cédée sera comptée négativement. On appelle «Energie interne»

U l'énergie thermique totale que peut forunir un corps immobile sans qu'il se

désagrège ou sans perdre de matière, c'est à dire ne perdant d'énergie que sous forme de chaleur (jusqu’à 0 K ). S'il y a une variation d'energie interne ∆ U , c'est que le corps a reçu ou perdu de l'énergie.

8

9

1.2. Rappels de transfert thermique 1.2.1. Introduction La thermodynamique étudie les systèmes à l’équilibre. Elle ne s’intéresse qu’aux états d’équilibres. En thermodynamique, on peut déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour passer d’un état d’équilibre à un autre. Les mécanismes d’échange de chaleur qui conduisent un système d’un état à un autre constituent ce qu’on appelle transfert thermique (ou tout simplement la thermique). La Thermique est donc un phénomène qui existe entre deux systèmes aux températures différentes. Elle permet de décrire qualitativement dans l’espace et dans le temps l’évolution de la température en chaque point du système. La connaissance de la variation de température dans l’espace et dans le temps permet ainsi de déterminer les quantités de chaleur échangées par un système, ce qui constitue la base du dimensionnement des appareils de production de la chaleur ou du froid.

1.2.2. Définitions 1.2.2.1.

Champ de température

Les transferts d’énergie sont déterminés à partir de l’évolution dans l’espace et dans le temps de la température ; donc T =T ( x , y, z ,t ) . La valeur instantanée de la température en tout point de l’espace est un scalaire appelé champ de température. Nous distinguons deux cas :

T

⮚ ⮚

indépendant du temps  ; le régime est dit permanent ou stationnaire.

Champ de température évoluant avec le temps ; le régime est dit variable ou instantané. 1.2.2.2.

Gradient de température

Tous les points de l’espace qui ont la même température forment une surface isotherme. La variation de la température par unité de longueur est maximale le long de la normale à la surface isotherme. Cette variation est caractérisée par le gradient de température :

∂T ⃗ grad (T )=⃗n ∂n →

n

 : Vecteur unitaire de la normale,

∂T : dérivée de la T le long de la normale ∂n

Figure 1.2 : Gradient de température 10

1.2.2.3.

Densité de flux de chaleur

C’est la quantité de chaleur échangée par unité de temps et par unité d’aire de la surface isotherme :

1 dQ φ= ∙ S dt 1.2.2.4.

Flux de chaleur

On appelle flux de chaleur la quantité de chaleur échangée par la surface

CORPS DE CHAUFFE

Φ=

S

par unité de temps :

dQ (Puissance calorifique) dt

1.2.3. Différents modes de transferts de chaleur

On distingue en thermique trois grandes parties se rapportant chacune à un mode de transfert particulier : ⮚

La conduction,

⮚

Le rayonnement,

⮚

La convection. 1.2.4. Transfert de chaleur par conduction Le transfert de chaleur par conduction se transmet de proche en proche dans un solide où existent des

différences de température. Le mode de transfert par conduction est le seul mode de transfert thermique dans les solides opaques. La conduction se manifeste aussi dans les fluides. Lorsqu’il existe dans un milieu un gradient de température, il s’ensuit un transfert de chaleur exprimé par :

φ⃗ =−λ ⃗ grad (T ) Nous utiliserons dans ce cours la forme algébrique suivante :

Φ cd =−λS

∂T ∂x

Cette équation est appelée équation de Fourrier. La quantité la direction normale à la surface

S

.

λ

est la conductivité thermique du milieu (mesure de l'aptitude

d'un solide ou d'un liquide à transférer la chaleur).

λ

est souvent considérée comme constante, mais elle

dépend de certaines propriétés comme la température −1 −1

W .K m

∂T est le gradient de température dans ∂x

T

et la pression

P

.

λ

s’exprime en

. Le signe (-) de l’équation de Fourier est imposé par le 2nd principe de la thermodynamique. En

effet, un transfert de chaleur résultant d’un gradient de température se fait toujours de la température la plus élevée vers la température la plus basse.

11

1.2.5. Transfert de chaleur par convection Le transfert de chaleur qui se produit lorsqu’un fluide transporte de la chaleur est appelé convection. La quantité de chaleur est directement liée à la capacité calorifique du fluide considéré.

T∞

température du fluide est

et celle de la paroi en contact avec le fluide

TS

Si la

, le flux de chaleur échangé

par convection va être :

Φ cv=hS (T S−T ∞ ) Cette relation permet de définir le coefficient d’échange convectif

proportionnalité relative au transfert par unité de temps et par unité de surface. La valeur de

h

h

qui est la constante de

h: W .m−2 K −1

.

est fonction de la nature du fluide, de sa température, de sa vitesse, des

caractéristiques géométrique de

S

. Il est à noter que le mode de transfert prépondérant à la limite liquide -

solide est la convection.

1.2.6. Transfert thermique par rayonnement Le rayonnement est le mode de transfert qui se fait par émission ou absorption des ondes électromagnétiques. Ces radiations se propagent sans liaison matérielle entre le corps émissif et le corps récepteur. Le rayonnement est la seule possibilité d’échange de chaleur entre deux corps placés dans le vide. On a montré par des expériences que la chaleur émise par rayonnement est proportionnelle à puissance 4 ième de la température absolue :

Q ray =σS T 4 C’est la loi fondamentale de STEPHAN-BOLTZMAN avec

σ=5,6697.10−8 W .m−2 K −4

Cette relation est appliquée à un émetteur idéal qu’est le corps noir. Toutes les autres surfaces émettent moins que le corps noir. On a donc en général

Q ray =εσS T 4 Cette nouvelle relation exprime le rayonnement d’un corps qui n’est pas noir.

(

0< ε