1 Les groupements d’échangeurs thermiques, illustration de systèmes énergétiques, introduction aux systèmes complexes. Comprendre les possibilités et les comportements des échangeurs thermiques 3 ème partie

2 Les groupements d’échangeurs thermiques, quelques courbes théoriques de température : -dans des échangeurs à courants parallèles -dans des montages globalement série seules situations pour lesquelles cela à un sens Des zones d’échangeur, ou des échangeurs faisant l’inverse de ce qui est attendu

3 Co-courant R = 1 Qt _c = Qt _min = Qt _f = Qt _max  T _ma x TT T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Droites symétriques Tp paroi Co-courant, R < 1 Qt _c = Qt _max ; Qt _f = Qt _min  T _ma x TT T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Tp paroi Co-courant, R < 1 Qt _c = Qt _min ; Qt _f = Qt _max  T _ma x TT T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Tp paroi Allures des variations de température des échangeurs co-courants On remarque que, pour un échangeur co-courants : - les températures de sorties ne peuvent que s’approcher uniformément de la température à l’infini et T fs toujours inférieure à T cs - les courbes seront d’autant plus incurvées que le facteur de déséquilibre R sera faible - Il arrive un moment où augmenter la surface n’a économiquement plus d’intérêt (gain très faible) Le tracé des courbes n’est qu’à titre indicatif sur le sens de variation,

Allures des variations : échangeurs contre-courants 4 Contre-courant R = 1 Qt _c = Qt _min = Qt _f = Qt _max  T _ma x T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Droites parallèles Tp paroi Contre-courant, R < 1 Qt _c = Qt _max ; Qt _f = Qt _min  T _ma x TT T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Tp paroi Contre-courant, R < 1 Qt _c = Qt _min ; Qt _f = Qt _max  T _ma x T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Tp paroi On remarque que pour un échangeur contre-courants : - les températures de sorties peuvent s’être « inversées » et T fs peut être supérieure à T cs - les courbes seront d’autant plus incurvées que le facteur de déséquilibre R sera faible - Il arrive un moment où augmenter la surface n’a économiquement plus d’intérêt (gain très faible) Le tracé des courbes n’est qu’à titre indicatif sur le sens de variation,

Allures des variations : échangeurs évaporateurs / condenseurs 5 Fluide chaud changeant d’état Fluide froid changeant d’état Le tracé des courbes n’est qu’à titre indicatif sur le sens de variation,

Température de paroi et dilatation, une raison d’utiliser les co-courants 6 Co-courant R = 1 Qt _c = Qt _min = Qt _f = Qt _max  T _ma x TT T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Droites symétriques Tp paroi Contre-courant R = 1 Qt _c = Qt _min = Qt _f = Qt _max  T _ma x T ce T fe T cs T fs échangeur TaTa TiTi Droites parallèles Tp paroi Sur les graphes précédents figurent en plus les températures de la paroi séparant les fluides On remarque que, dans le cas : - des co-courants, la température de paroi reste sensiblement constante, ou varie peu; - des contre-courants, elle varie beaucoup, d’autant plus que les températures d’entrée des fluides sont éloignées. Cette variation importante dans le contre-courants génère des dilatations différentielles, et donc des contraintes qui peuvent fatiguer et détruire le matériel. Question : pourquoi utiliser des échangeurs co-courants s’ils sont thermiquement les moins performants ? Limiter ces contraintes est une des raisons d’utiliser les co-courants, malgré leurs performances thermiques moindres en plus bien souvent de la simple contrainte de disponibilité des branchements de fluides. Le tracé des courbes n’est qu’à titre indicatif sur le sens de variation,

Allures des variations de températures des échangeurs P-N = 1-2 (1) 7 Une erreur classique sur les installations d’échangeurs P-N, est l’inversion des entrées/sorties des fluides. On voit ici que si la première passe du fluide en « N » est co-courants, tout se passe bien. C’est le montage correct Le tracé des courbes n’est qu’à titre indicatif sur le sens de variation,

Allures des variations de températures des échangeurs P-N = 1-2 (2) 8 Le tracé des courbes n’est qu’à titre indicatif sur le sens de variation, Une erreur classique sur les installations d’échangeurs P-N, est l’inversion des entrées/sorties des fluides. On voit ici que si la première passe du fluide en « N » est contre- courants, il y a un risque d’une zone à effet contraire, un risque de croisement des températures. Les situations réelles sont dues à une erreur lors du montage

9 Allures des variations de températures des échangeurs P-N = 1-2 (3) Le tracé des courbes n’est qu’à titre indicatif sur le sens de variation, On voit ici que si la première passe du fluide en « N » est contre-courants, il y a un risque d’une zone à effet contraire, un risque de croisement des températures. le croisement des températures peut être double. La zone à effet contraire est alors totalement interne à l’échangeur. Encore plus difficilement décelable, car par la simple prise des 4 températures d’entrées-sorties, l’échangeur semble « bien fonctionner ».

Exemple mesuré d'interaction entrée-sortie d’un tube en « U ». 10 Document Gaz-de-France Cet échangeur est un tube de chauffage radiant en U. Le brûleur développe une flamme dans le début du tube Puis les gaz chauds circulent jusqu’à leur sortie. Crédit photo Powrmatic On voit nettement la température du fluide chaud remonter sous l’influence de ce même fluide chaud en entrée du tube

11 Les 4 diapositives suivantes sont en lien avec le TD_N°3, sur l’expertise d’une installation. Elles fournissent des informations complémentaires à celles que donnent les résultats des 4 régimes étudiés sur 4 configurations Elles s’intéressent à 8 montages globalement série de 2 échangeurs du type co-courants ou contrecourants Groupements globalement série de 2 échangeurs. montages globalement série co-courantsmontages globalement série contre-courants

Groupement globalement co-courants de 2 échangeurs (1) 12 protection mécanique maximale des surfaces d’échanges, efficacité globale médiocre. L’intérêt d’un tel groupement sur un seul échangeur est de pouvoir utiliser des matériaux plus courants (par l’échangeur 1), tout en préservant l’efficacité des transferts (échangeur2)

Groupement globalement co-courants de 2 échangeurs (2) 13 protection mécanique plus faible en éch1, efficacité globale avilie, point de croisement (risque) !!!. protection mécanique plus faible en éch1, efficacité globale avilie, point de croisement (risque) !!!.

Groupement globalement contre-courants de 2 échangeurs (1) 14 protection mécanique acceptable des surfaces d’échanges, efficacité globale admissible. protection mécanique plus faible en ech2, efficacité globale admissible.

Groupement globalement contre-courants de 2 échangeurs (2) 15 protection mécanique plus faible en éch1, efficacité globale améliorée pas de protection mécanique, situation la plus défavorable efficacité maximale, et puissance transférée maximale.

16 Ces illustrations du comportement des échangeurs thermiques, participent à la justification du sous-titre : « introduction aux systèmes complexes » car elles montrent qu’à l’intérieur d’un système qui remplit correctement sa fonction dans une approche « boite noire », des zones, des sous-groupes peuvent faire le contraire de ce qui est attendu. Conclusion sur les illustrations des comportements 3 ème partie

17 Et après comprendre les comportements 3 ème partie… Comprendre les comportements: 1 ère partie : Tous les couples de valeurs (E, NUT) ne sont pas physiquement possibles. 2 ème partie : Un échangeur, une efficacité, mais 2 valeurs possibles de puissance transférée. 3 ème partie : Des zones d’échangeur, ou des échangeurs faisant l’inverse de ce qui est attendu. 4 TD_1, Q_1 et Q_2 Les techniques (peut être vu à tout moment) Passer progressivement du simple tube, aux échangeurs à plaques. D’un vue théorique interne « propre » à la réalité des encrassements et entartrage Petite introduction, teaser curiosité et complexité 1 L’échangeur unitaire, R, NUT, E, 6 types techniques et 4 relations de température. 2 L’outil Excel de résolution prise en main par le corrigé du TD1 –Q1, l’intérêt d’étudier plusieurs régimes sur le même échangeur 3 Des groupements conventionnels… conventionnels : parallèle, série facile à étudier, mais minoritaires… 5 …aux quelconques richesse, complication et complexité x Compléments : - exemples de situations l’échangeur isotherme; - relations directes des températures; L’échangeur à plaques particulier, mais finalement facile à étudier x 6 TD_2, à TD_10