TP Echangeur de Chaleur Pour Master1 2019 [PDF]

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TP de Transfert Thermique

Echangeur de chaleur Tubes-Calandre Dans le but de comprendre le mode de fonctionnementdes échangeurs de chaleur et pour bien illustrer les notions théoriques vues en cours et entravaux dirigés de transfert thermique pour les étudiants inscrits enMaster 1 Génie Chimique et Cryogénie,une manipulation expérimentale portant sur l’étude d’un échangeur de chaleur Tubes-Calandre sera menée. Pour mener à bien cette étude, nous rappelons quelques expressions utilisées dans le calcul des échangeurs de chaleur.

- Puissance cédée par le fluide chaud : =

×

×

×(

−

)

- Puissance reçue par le fluide froid : =

×

×

×(

−

)

- Puissance perdue : =

−

- Rendement : h= - Coefficient global de transfert de chaleur : =

×

- Moyenne logarithmique de différence de température : =

∆

−∆ ∆

log (∆ )

a)A co-courant : ∆

∆

=

∆

−

∆

∆

=

−

∆

1

1

2

1

TP de Transfert Thermique

b) A contre-courant : ∆

∆

=

−

∆

∆ 1

∆

=

−

∆

1

2

2

1

2

- Rendement thermique de l’échangeur de chaleur : (

)

 Lorsque le fluide chaud contrôle le transfert : h = (

)

(

)

 Lorsque le fluide froid contrôle le transfert : h = (  Le rendement thermique de l’échangeur : h

=

(h

)

h )

Avec : QC : débit d’eau chaude. QF : débit d’eau froide. C : masse volumique d’eau chaude. F : masse volumique d’eau froide. CpC : Chaleur spécifique de l’eau chaude. CpF : Chaleur spécifique de l’eau froide. TCe : Température de l’eau chaude à l’entrée de l’échangeur (notée par TH1 sur le expérimental). TCs : Température de l’eau chaude à la sortie de l’échangeur (notée par TH2 sur le expérimental). TFe :Température de l’eau froide à l’entrée de l’échangeur (notée par TC1 sur le expérimental). TFs : Température de l’eau froide à la sortie de l’échangeur (notée par TC2sur le expérimental).

banc d’essai banc d’essai banc d’essai banc d’essai

Objectifs de la manipulation : Le but de ce TP est de : -

montrer aux étudiants les performances opératoires d’un échangeur de chaleur de type Tubes-Calandre ; étudier les paramètres opératoires influençant cet échangeur ; apprendre aux étudiants comment adopter une bonne méthodologie de travail expérimental menant à une bonne précision de mesure ; leur apprendre commentprésenter et interpréter des résultats expérimentaux et en tirer des conclusions. Par ailleurs, le compte-rendu doit être rédigé d’une manière très claire et doit contenir : - une introduction ; - une partie théorique qui décrit brièvement les transferts thermiques dans les échangeurs de chaleur ; 2

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- les objectifs et la démarche expérimentale adoptée ; - une analyse critique des résultats ainsi que les problèmes rencontrés durant la manipulation ; - une conclusion. I. Description et analyse du banc d’essai expérimental L’échangeur de chaleur considéré dans cette manipulation est à faisceau de tubes et calandre (Tubes-Calandre), à une passe côté calandre et côté tubes. Cet échangeur possède 6 tubes et a une surface d’échange totale S = 0,02 m2. a) Donnez une description succincte du dispositif expérimental utilisé durant la manipulation (Echangeur de chaleur Tubes-Calandre) ainsi que son mode de fonctionnement(Figure 1). b) Quelle était la méthodologie expérimentale adoptée pour mener à bien le travail demandé.

Figure 1 : photo du banc d’essai expérimental II. Exploitation des mesures et analyse des résultats Pour tous les essais expérimentaux, il faut noter la température ambiante de la salle et attendre jusqu’à ce que les équilibres thermique et d’écoulement soient atteints et ce, avant de commencer l’enregistrement des mesures des températures et des débits. II.1. Ecoulement àco-courant (à courants parallèles) L’expérience a pour but d’étudier les performances opératoires d’un échangeur de chaleur Tubes-Calandre fonctionnant dans des conditions d’écoulement parallèle.

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TP de Transfert Thermique

 Valeur initiale des paramètres à utiliser : -

Température de l’eau chaude fixée à 40 °C. Débit d’eau chaude : QC= L/min. Débit d’eau froide :QF = L/min. Température ambiante de la salle :°C.

 Tableau de mesures et travail demandé a) Compléter le tableau ci-dessous en calculant tous les paramètres. b) Tracer les profils de températuredes deux fluides. TCe (°C)

TCs (°C)

TFe (°C)

TFs (°C)

T1 (°C)

T2 (°C)

Pc (W)

Pr (W)

Pp (W)

η (%)

MLDT (°C)

U (W/m2.C)

II.2. Ecoulement à contre-courant (à courants inversés) L’expérience a pour but de montrerles performances opératoires d’un échangeur de chaleur Tubes-Calandre fonctionnant dans des conditions d’écoulement à contre-courant. Les conditions expérimentales des variables initiales restent les mêmes et le passage en écoulement à contrecourant se fait en changeant les positions des soupapes.  Valeur initiale des paramètres à utiliser : -

Température d’eau chaude : 40 °C. Débit d’eau chaude :QC= L/min. Débit d’eau froide :QF = L/min. Température ambiante de la salle :°C.

 Tableau de mesures et travail demandé a) Compléter le tableau de mesure en calculant tous les paramètres. b) Tracer les profils de températuredes deux fluides. c) Faites une étude comparative avec les résultats trouvés dans le cas précédent (échangeur fonctionnant dans les conditions d’écoulement parallèle). TCe (°C)

TCs (°C)

TFe (°C)

TFs (°C)

T1 (°C)

T2 (°C)

Pc (W)

Pr (W)

Pp (W)

η (%)

MLDT (°C)

U (W/m2.C)

II.3. Effet de la variation de la température d’entrée de l’eau chaude Pour déterminer l’effet de la température d’entrée de l’eau du circuit chaud sur les caractéristiques de fonctionnement de l’échangeur Tubes-Calandre, des essais expérimentaux seront menés en faisant varierla température de 30 à 55 °C. L’écoulement à adopter est à contrecourant.

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TP de Transfert Thermique

 Valeur initiale des variables à utiliser : -

Débit d’eau chaude : QC= L/min. Débit d’eau froide :QF = L/min. Température ambiante de la salle : °C.

 Tableau de mesures et travail demandé a) Compléter le tableau. b) Tracer les profils de température des deux fluides. c) Représenter, sur la même figure, la variation du coefficient global de transfert de chaleur U ainsi que celle du rendement thermique moyen de l’échangeur en fonction de la température. Que signifie le rendement thermique ? d) Discuter les résultats obtenus tout en donnant les conditions optimales de fonctionnement de cet échangeur. T (°C)

TCe (°C)

TCs (°C)

TFe (°C)

TFs (°C)

T1 (°C)

T2 (°C)

Pc (W)

Pr (W)

Pp (W)

MLDT (°C)

U (W/m2.C)

ηf (%)

ηc (%)

ηmoy (%)

30 40 50 55 II.4. Effet de la variation du débit d’eau chaude Afin d’étudier l’effet de la variation du débit d’eau chaude sur les caractéristiques de fonctionnement d’un échangeur Tubes-Calandre, une série d’essais sera effectuée. Pour ce faire, nous feront varierle débit d’eau chaudede 0,5 L/min à 3 L/mintout en maintenant un écoulement à contre-courant.  Valeur initiale des variables à utiliser : -

Température de l’eau chaude : 50°C. Débit d’eau chaude QF= L/min. Température ambiante de la salle :°C.

 Tableau de mesures et travail demandé a) Compléter le tableau. b) Tracer les profils de température des deux fluides. c) Représenter, sur la même figure, la variation du coefficient globalde transfertde chaleur U ainsi que celle du rendement thermique moyen de l’échangeur en fonction du débit d’eau froide. d) Discuter les résultats obtenus tout en donnant les conditions optimales de fonctionnement de cet échangeur. e) Donner une conclusion générale pour l’étude complète.

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TP de Transfert Thermique

QC (L/min)

TCe (°C)

TCs (°C)

TFe (°C)

TFs (°C)

T1 (°C)

T2 (°C)

Pc (W)

Pr (W)

Pp (W)

MLDT (°C)

U (W/m2.C)

ηf (%)

ηc (%)

ηmoy (%)

0,5 1 2 3 Remarque : au cours des essais expérimentaux, veuillez vérifierles valeurs dudébit des deux fluides(chaud et froid) qui sont affichées sur les écrans électroniques. Des variations plus ou moins importantes seront enregistrées et qui sont dues aux perturbations de l’utilisation des autres robinets.

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