1 Les groupements d’échangeurs thermiques, illustration de systèmes énergétiques, introduction aux systèmes complexes. Les techniques.

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1 falempe@mines-albi.fr 1 Les groupements d’échangeurs thermiques, illustration de systèmes énergétiques, introduction aux systèmes complexes. Les techniques Passer progressivement du simple tube, aux échangeurs à plaques, Passer d’une vue théorique « propre » à la réalité des encrassements, entartrages…

2 Milieu (2) : ambiance, fluide « calme » La technique la plus simple : l’échangeur tubulaire monofluide droit. falempe@mines-albi.fr 2 Milieu (1), fluide en circulation Attention aux apparences et interprétations des coupes schématiques, à partir du schéma ci-dessus différentes section possibles Convection et Rayonnement Calculé comme un courants-parallèles si le fluide ambiance est considéré en mouvement, ou isotherme s’il est considéré immobile, ou de variation négligeable de température Un simple tube droit dans l’ambiance

3 L’échangeur tubulaire monofluide spirale. falempe@mines-albi.fr 3 Si l’espace n’est pas suffisant pour un tube droit Milieu (2) : ambiance, fluide calme. Milieu (1) : circulation intérieure du tube. Idem précédent, calculé comme courants-parallèles, ou isotherme

4 Milieu (3) : ambiance extérieure de l'échangeur. L’échangeur tubulaire bi-fluides spirale falempe@mines-albi.fr 4 Dès que les spirales peuvent être considérées comme jointives, le type d’échangeur change radicalement Pas de type pour calculs : décomposition en groupement d’échangeurs unitaires correspondant à un module, une spire Module = 1 spire Milieu (2) : circulation intérieure de l’enroulement Milieu (1) : circulation intérieure du tube. Similitude des vues de côté, mais échangeurs différents

5 Échangeur tubulaire monofluide à ailettes et turbulateurs. falempe@mines-albi.fr 5 Un autre moyen d’augmenter les transferts thermiques d’un tube Milieu (2) : ambiance fluide « calme » Dans le milieu (2) : des ailettes  augmentation de surface Milieu (1), fluide en circulation Dans le milieu (1) : des « turbulateur »  augmentation de turbulence Pas de changement de type, mais influence le calcul du coefficient global d’échange Kg

6 L’échangeur multitubulaire monofluide à ailettes et turbulateurs. falempe@mines-albi.fr 6 Le fluide circulant peut être distribué dans plusieurs tubes (de 2 à plusieurs dizaines de milliers, multitubulaire), les ailettes pouvant servir à les maintenir entre eux Milieu (2) : avec ailettes, Tenue mécanique et augmentation de surface Milieu (1), fluide en circulation, Avec éventuellement turbulateurs Pas de changement de type, mais influencent le calcul du coefficient global d’échange Kg. Introduction des notions de nappes et de coefficients correctifs afférents, Nappes en quinconces, alignées, entraxe des tubes, etc..

7 Des turbulateurs au corrugage falempe@mines-albi.fr 7 Turbulateur ETATurbulateur BuderusTurbulateur PergeCorrugage : marquage du tube par des irrégularités et aspérités pour augmenter les turbulences Crédit photo DATECH influencent le calcul du coefficient global d’échange Kg,

8 Milieu (3) : ambiance extérieure de l'échangeur. Échangeur tubulaire co-axial à deux fluides. falempe@mines-albi.fr 8 Milieu (2) : fluide en circulation co ou contre-courants Reprenant l’échangeur initial tubulaire, le second fluide peut être aussi canalisé dans une conduite co-axiale Milieu (1), fluide en circulation Pour des raisons d’encombrement les 2 tubes co-axiaux peuvent être enroulés en spirale, Mais ne pas confondre avec l’échangeur mono-tube en spirale Extrait du catalogue CIAT. Se calcule comme un échangeur à courants-parallèles, co-courants ou contre-courant

9 Fluide milieu (2) en calandre L’échangeur multitubulaire simple passe. falempe@mines-albi.fr 9 Au lieu d’un seul tube, central, il peut y avoir plusieurs tubes (multitubulaire) entourés d’une calandre pour la circulation du second fluide Se calcule comme un échangeur à courants-parallèles, co-courants ou contre-courant Fluide milieu (1), en tube

10 Fluide milieu (2) en calandre Fluide milieu (1), en tube Courants parallèles Courant Croisés L’échangeur multitubulaire a chicanes. falempe@mines-albi.fr 10 Mais des phénomènes de couches limites (mécanique des fluides et thermique) peuvent rapidement faire chuter le coefficient d’échange global. Des chicanes sont placées, obligeant le fluide en calandre à croiser les tubes, et à se mélanger module 1 ech unitaire 1 module 2 ech unitaire 2 module 3 ech unitaire 3 module 4 ech unitaire 4 module 5 ech unitaire 5 Doit être décomposé en groupement d’échangeurs unitaires, principalement du type courants-croisés

11 falempe@mines-albi.fr 11 Exemples de chicanes Différentes géométries de chicanes sont utilisées, avec des approches partielles au niveau de chaque tube, ou globale sur le faisceau de tubes

12 Fluide milieu (2) en calandre L’échangeur multitubulaire a courants croises. falempe@mines-albi.fr 12 On peut avoir des échangeurs multitubulaires à courants croisés un seul passage, en particulier sur les gaz et vapeurs, et/ou pour limiter les pertes de charge Fluide milieu (1), en tube Se calcule comme un courants-croisés. Mais dans le calcul du coefficient global d’échange Kg, Tenir compte des altérations dues aux nombre de nappes, à leurs dispositions

13 Fluide milieu (2) un passage en calandre L’échangeur multitubulaire a tubes en « U », le type P-N falempe@mines-albi.fr 13 Pour des raisons d’encombrements, de branchements, de dilatation… l’entrée et la sortie du fluide_1, en tube, peuvent être ramenées du même côté de l’échangeur Fluide milieu (1) 2 passages en tubes Se calcule par la formule de l’échangeur P-N

14 L’échangeur multitubulaire a tubes en « U », le type P-N falempe@mines-albi.fr 14 extrait Catalogue Spirax-Sarco.

15 falempe@mines-albi.fr 15 Fluide milieu (2) deux passages en calandre Des échangeurs multitubulaire "P > 1 et N > 2". Les complications sont faciles à imaginer, avec des jeux de chicanes et de boites avant et arrière Fluide milieu (1) 4 passages en tubes Seule possibilité, décomposer plus ou moins finement l’échangeur en groupement d’échangeurs unitaires, pas forcément d’un seul type… Pour des raisons techniques, pas plus de 8 passages.

16 Les échangeurs platulaires à accès total, ou partiel. falempe@mines-albi.fr 16 Tous les échangeurs tubulaires fonctionnent bien si les fluides sont peu chargés en matière solides, peu incrustant ou peu entartrant. Crédit photo Envirofluides Crédit photo Barriquand Mais de nombreux fluides industriels sont justement chargés, incrustants, entartrant… et il faut prévoir de nettoyer régulièrement.

17 L’échangeur platulaire à deux fluides. falempe@mines-albi.fr 17 Imaginez une caisse dans laquelle vous déposez un lé en plis successifs Se calcule comme un échangeur à plaques, Fluide, milieu 1 Fluide, milieu 2 Paroi amovible pour nettoyage milieu 2 Paroi amovible pour nettoyage milieu 1

18 Compléments et spécificités des échangeurs platulaires falempe@mines-albi.fr 18 2 problèmes majeurs : - la tenue mécanique à la différence de pression des 2 fluides, - la tendance à un écoulement laminaire Circuit_a auto-résistant à la pression, circuit_b lisse permettant la circulation des fluides chargés, y compris de fibrilles Variante du précédent, le circuit fluide_a de section double permet la circulation de fluides légèrement chargés Circuit_a auto-résistant à la pression, circuit_b lisse. Les 2 circuits nettoyables Les 2 circuits sont équipés de turbulateurs. Ils peuvent être nettoyés après extraction de ces turbulateurs

19 Crédit photo Energie plus Les échangeurs à plaques, falempe@mines-albi.fr 19 Crédit photo Trianon échangeurs Partant des échangeurs platulaires, en séparant les plis successifs en plaques… Crédit photo CIAT

20 Les échangeurs à plaques, fluides pouvant subir de fortes pertes de charge falempe@mines-albi.fr 20 Des plaques avec un jeu astucieux de trous aux quatre coins et de joints Des ondulations simples…À compliquées… Se calcule comme un échangeur à plaques, avec des feuillets courants parallèles Crédit photo GEA Les joints alternés permettent une distribution alternative des fluides. - soit latérale : E/S du même coté (photo); - soit diagonale : E/S cotés opposés Inter plaque « i » Inter plaque « i +1»

21 Nombre de plaques, de passages, de feuillets falempe@mines-albi.fr 21 Mono-passe distribution en "U", E/S du même coté. Les « simple passe » ou « mono passe » Mono-passe distribution en "Z", E/S du coté opposé. Échangeur à 3 passes. Échangeur à 2 passes. Les multi passes, attention peu visible au premier regard Nombre de feuillets = nb plaques / 2; Calculé comme un seul échangeur Nombre de feuillets = nb plaques /(nb de passages * 2) Calculé comme un groupement d’échangeur en série Attention aux apparences, dans le même « bloc » de plaques, les fluides peuvent faire plusieurs passes

22 Les échangeurs à plaques, fluides ne pouvant subir que de faibles pertes de charge falempe@mines-albi.fr 22 Crédit photo énergie plus Crédit photo Trianon échangeurs Se calcule comme un échangeur à plaques, Avec pour les feuillets le type « courants-croisés » Fluides brassés ou non selon la configuration des plaques Les fluides doivent avoir l’itinéraire le plus simple possible à l’intérieur de l’échangeur

23 Quelques échangeurs particuliers, demandant une autre approche de calcul falempe@mines-albi.fr 23 Il existe de nombreux échangeurs plus compliqués utilisant soit l’inertie thermique des matériaux. Ce sont plutôt des systèmes thermiques ou thermodynamiques, ne pouvant pas être traités par la méthode présentée La roue thermique : La roue tourne lentement à quelques tours par minute, ses secteurs passent alternativement dans les 2 fluides. La variation de température du secteur assure le transport entre les deux zones Le récupérateur sur haut-fourneaux Un jeu de vannes permet de faire passer alternativement les gaz très chaud et l’air neuf sur un empilement de matériaux réfractaires

24 Quelques échangeurs particuliers, les caloducs falempe@mines-albi.fr 24 Il existe de nombreux échangeurs plus compliqués utilisant soit le changement d’état des matériaux. Ce sont plutôt des systèmes thermiques ou thermodynamiques, ne pouvant pas être traités par la méthode présentée Dans un tube fermé, est enfermée une quantité de fluide frigorigène « interne », telle qu’il soit présent sous 2 états : vapeur et liquide. Une extrémité du tube est plongée dans le fluide chaud, le fluide interne s’évapore en refroidissant celui-ci. L’autre extrémité est plongée dans le fluide froid. La vapeur est transmise par capillarité ou gravité dans cette zone froide où elle se condense, cédant l’énergie thermique au fluide extérieur

25 De la vue théorique à la réalité… encrassement, entartrage et corrosions falempe@mines-albi.fr 25 Pour conclure, il faut être prudent entre la vue extérieure de l’échangeur, avec l’idée des plaques et des tubes bien propres… et la réalité des matériels en exploitation Crédit photo Carly service Échangeur tubulaire à ailettes… Échangeur tubulaire sur vapeur d’eau saturée Crédit photo Clean Tube Échangeur à plaques colmaté…

26 falempe@mines-albi.fr 26 Et après les techniques.. 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 x TD_1, Q_1 et Q_2 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 Compléments : - exemples de situations l’échangeur isotherme; - relations directes des températures; L’échangeur à plaques particulier, mais finalement facile à étudier 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. x 4 6 TD_2, à TD_10