Cours échangeurs thermiquesV

Module Ingénierie des systèmes multitechniques.

A. Généralités sur le transport et le transfert de l'énergie thermique De tous temps, les problèmes de transmission d'énergie, et en particulier de la chaleur, ont eu une importance déterminante pour l'étude et le fonctionnement d'appareils tels que les générateurs de vapeur, les fours, les échangeurs, les évaporateurs, les condenseurs, etc., mais aussi pour des opérations de transformations chimiques. En effet, dans certains systèmes réactionnels, c'est la vitesse des échanges de chaleur et non la vitesse des réactions chimiques qui détermine le coût de l'opération (cas de réactions fortement endo-ou exothermique). En outre, de nos jours, par suite de l'accroissement relatif du prix de revient de l'énergie, on recherche dans tous les cas à obtenir le rendement maximal d'une installation pour une dépense d'énergie minimale. Les problèmes de transfert de chaleur sont nombreux, et on peut essayer de les différencier par les buts poursuivis dont les principaux sont :  l'augmentation de l'énergie transmise ou absorbée par une surface,  l'obtention du meilleur rendement d'une source de chaleur,  la réduction ou l'augmentation du passage d'un débit de chaleur d'un milieu à un autre. Le potentiel qui provoque le transport et le transfert de l'énergie thermique est la température. Si deux points matériels placés dans un milieu thermiquement isolé sont à la même température, on peut affirmer qu'il n'existe aucun échange thermique global entre ces deux points dits en équilibre thermi-que (il s'agit bien d'un équilibre thermique car chacun des points matériels émet une énergie thermi-que nette de même module, mais de signe opposé). Le transfert de chaleur au sein d'une phase ou, plus généralement, entre deux phases, se fait de trois façons : a) Par conduction. Ce transport de chaleur se produit au sein d'une même phase – au repos ou mobile, mais tranquille (absence de remous) – en présence d'un gradient de température. Le transfert de chaleur résulte d'un transfert d'énergie cinétique d'une molécule à une autre molécule adjacente. Ce mode de transfert est le seul à exister dans un solide opaque. Pour les solides transparents, une partie de l'énergie peut être transmise par rayonnement. Avec les fluides que sont les gaz et les liquides, la convection et le rayon-nement peuvent se superposer à la conduction. b) Par convection. Le transfert de chaleur par convection se produit entre deux phases dont l'une est généralement au repos et l'autre en mouvement en présence d'un gradient de température. Par suite de l'existence du transfert de chaleur d'une phase à l'autre, il existe dans la phase mobile des fractions du fluide (ou agrégats) ayant des températures différentes. Le mouvement du fluide peut résulter de la différence de masse volumique due aux différences de températures (on parle alors de convection libre ou naturelle) ou à des moyens purement mécaniques (on parle alors de convection forcée). Lorsqu'un fluide est en écoulement, une partie du transfert de chaleur dans le fluide se fait également par conduction et, dans le cas d'un fluide transparent, un transfert de chaleur par rayonnement peut accompagner les deux transferts précédents. c) Par rayonnement. Un point matériel chauffé émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions situées d'un même côté du plan tangent au point matériel. Lorsque ce rayonnement frappe un corps quel-conque, une partie peut être réfléchie, une autre transmise à travers le corps (dit diathermique si tout est transmis), et le reste est quantitativement absorbé sous forme de chaleur. Si on place dans une enceinte deux corps capables d'émettre un rayonnement thermique, il existe entre ces deux corps à températures différentes un échange de chaleur dû à l'absorption et à l'émission de ces rayonnements thermiques. Cet échange de chaleur est désigné habituellement sous le nom de rayonnement. Les transferts par rayonnement se poursuivent même lorsque l'équilibre thermique est atteint, mais le débit net de chaleur échangé est nul. Ce type de transport de chaleur est analogue à la propagation de

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Dans cette etude, les distributions de temperature sont developpees a travers les conditions transitoires pour atteindre l'etat stationnaire dans un echangeur a deux tubes coaxiaux. Un schema unidimensionnel de differences finies a ete utilise pour analyser la distribution de temperature et de pression dans cet echangeur de chaleur. Les proprietes thermophysiques des fluides utilisees varient avec la temperature le long de l'echangeur. La conduction thermique axiale dans les parois et le transfert (...)

Afin de comprendre le cycle frigorifique : il est tout d'abord nécessaire d'en maîtriser ses bases physiques. Sachant qu'il existe 3 états de la matière, à savoir : solide, liquide et gazeux. Il est courant de dire que ces 3 états dépendent de la température. Prenons l'exemple connu de l'eau : On a l'habitude de dire qu'elle est : à l'état solide en dessous de 0°C ; de 0 à 99°C : elle est à l'état liquide et à partir de 100°C : elle passe à l'état gazeux. Mais cela est seulement vrai dans les conditions de pression atmosphérique normales à savoir 1 atm, soit 1.013 bar. Si les conditions de pression changent : les températures de changement d'état vont également varier Ainsi, à une pression plus basse : une matière à l'état liquide nécessitera une température moins importante pour passer à l'état gazeux. A l'inverse, si on augmente la pression dans une matière à l'état gazeux son passage à l'état liquide se fera dans des conditions de température bien moindres. C'est précisément ce principe qui est utilisé avec le fluide frigorifique d'une PAC ou d'un frigo : -le fluide liquide est amené à une pression basse (BP) où son point d'évaporation est réduit. la chaleur nécessaire à son passage à l'état gazeux est captée dans le milieu. -le fluide est ensuite compressé et amené à haute pression (HP) où sa température de condensation (soit son passage de l'état gazeux à liquide) sera bien moindre. La chaleur dont doit se débarrasser pour changer d'état est relâchée et le fluide redevient liquide. -il est ensuite détendu à basse pression et le cycle peut recommencer. En résumé : (𝐁𝐏) Basse Pression → 𝐄𝐯𝐚𝐩𝐨𝐫𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧 ; (𝐇𝐏) Haute Pression → 𝐂𝐨𝐧𝐝𝐞𝐧𝐬𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧 Il est à noter que le fluide utilisé est choisi selon sa capacité à (absorber/relâcher) la chaleur à des pressions données. Chaque fluide possède ses caractéristiques et certains fluides seront par exemple davantage utilisés pour créer du chaud, alors que d'autres correspondront plus à la création de froid. 3) Notions de diagramme enthalpique (de Mollier) Le diagramme enthalpique, aussi appelé diagramme de Mollier : est une notion importante dans la compréhension du cycle frigorifique. Il s'agit d'un graphique spécifique à chaque fluide : exprimant son niveau de saturation pressiontempérature sous forme de cloche. L'axe des abscisses : exprime l'enthalpie du fluide soit la quantité d'énergie contenue pour 1 kg de ce dernier. L'axe des ordonnées est consacré à la pression (absolue). De manière très simplifiée : Voici un diagramme d'enthalpie : montrant la cloche de saturation d'un fluide. Au-delà de cette cloche : le fluide est saturé et ne peut plus changer d'état.

La présente Prénorme européenne (ENV) a été adoptée par le CEN le 28 novembre 1996 comme norme expérimentale pour application provisoire. La période de validité de cette ENV est limitée initialement à trois ans. Après deux ans, les membres du CEN seront invités à soumettre leurs commentaires, en particulier sur l'éventualité de la conversion de l'ENV en Norme européenne. Il est demandé aux membres du CEN d'annoncer l'existence de cette ENV de la même façon que pour une EN et de rendre cette ENV rapidement disponible au niveau national sous une forme appropriée. Il est admis de maintenir (en parallèle avec l'ENV) des normes nationales en contradiction avec l'ENV en application jusqu'à la décision finale de conversion possible de l'ENV en EN. Les membres du CEN sont les organismes nationaux de normalisation des pays suivants Secrétariat Central: rue de Stassart, 36 B-1050 Bruxelles © 1997 CEN Tous droits d'exploitation sous quelque forme et de quelque manière que ce soit réservés dans le monde entier aux membres nationaux du CEN. Réf. n° ENV 1991-2-5:1997 F