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Etude de l'influence de la température du fluide sur la performance d'un échangeur de chaleur de la raffinerie d'Alger

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par Nadjet Fadel
Université des sciences et de la technologie Houari Boumédiene à  Alger - Ingénieur d'état option: génie chimique 2010
  

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II.3.Généralité sur les échangeurs :

Les échangeurs de chaleur ont été utilisés dans diverses industries pour un large éventail d'applications. Certaines de ces applications peuvent être trouvées dans le secteur de chauffage, domaine de climatisation, production d'électricité, récupérations de la chaleur perdue, et traitement des produits chimiques...etc. [9]

II.3.1.Définition :

Les échangeurs de chaleur sont des appareils permettant de transférer de la chaleur entre deux fluides à des températures différentes. Dans la plupart des cas, les deux fluides ne sont pas en contact, et le transfert s'effectue à travers une surface d'échange. Au sein de la paroi séparatrice, le mécanisme de transmission de la chaleur est la conduction, et sur chacune des deux surfaces de contact avec les fluides, ce sont presque toujours les phénomènes de convection qui prédominent. [9]

II.3.2.Les Modes de fonctionnement des échangeurs :

Une classification des échangeurs peut être établie d'après le sens relatif de l'écoulement des deux fluides. [6]

- À courant parallèle : les deux fluides sont disposés parallèlement et vont dans le même sens. -À contre courant : idem, mais les courants vont dans des sens opposés.

-À courant croisé : les deux fluides sont positionnés perpendiculairement.

- À tête d'épingle : un des deux fluides fait un demi-tour dans un conduit plus large, que le deuxième fluide traverse. Cette configuration est comparable à un échangeur à courant parallèle sur la moitié de la longueur, et pour l'autre moitié à un échangeur à contre courant.

- A contact direct ou à mélange : les deux fluides peuvent être mis en contact comme c'est le cas dans les tours de refroidissement, des buses projetant de l'eau chaude sont disposées sur les parois intérieures de la tour, l'air extérieur admis par le bas s'échauffe et du fait de son changement de densité monte de bas en haut, permettant ainsi de refroidir l'eau. [10]

II.3.3.Les types d'échangeurs:

+ Echangeurs à fluide séparés :

Nous ne considérons ici que les échangeurs à fluides séparés, ou le transfert de chaleur s'effectue à travers une paroi matérielle, ce qui exclut donc les échangeurs dits « à contact direct >>. Dans ces appareils dominent deux grandes familles : les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques. [10]

· Echangeurs tubulaires :

Comme leur nom l'indique, les échangeurs tubulaires sont constitués de tubes dont la paroi forme la surface d'échange. Ils comportent [10]

-soit un tube unique (serpentin) : dans lequel le tube est placé à l'intérieur d'un réservoir et a généralement la forme d'un serpentin [11]

-soit deux tubes coaxiaux (échangeurs bitubes) : [11]

L'un des fluides circule dans le tube central et l'autre dans la couronne comprise entre les deux tubes. La circulation des fluides peut s'effectuer soit dans le même sens (on parle alors d'échangeurs "co-courant ") soit en sens inverse, dans ce cas l'échangeur est dit à "contre courant>>. Le tube intérieur peut être muni d'ailettes pour augmenter la surface d'échange et créer des turbulences de manière à augmenter l'efficacité.

-soit un faisceau de tubes enfermé dans une enveloppe appelée calendre : [10]

Ces échangeurs sont les plut fréquemment utilisés dans l'industrie. Il peut être fabriqués à partir de nombreux matériaux et sont utilisables pratiquement sans limite de température et de pression.

Il existe de nombreux types d'échangeurs à tubes et calandre (à tête flottante, à tubes en U....). [12]

· Échangeurs à plaques: [10]

des canaux plats ou la circulation peut être soit diagonale soit latérale. Il y a évidemment alternance du fluide froid et du fluide chaud d'un canal au suivant. Globalement, la distribution des fluides entre les différents canaux se fait en U, en Z ou selon un schéma multi passes.

Plusieurs technologies sont en concurrence. La principale, et la plus ancienne, est celle des échangeurs à plaques avec joints. Ces échangeurs ne peuvent être utilisés que pour des pressions maximales de 30 bars et des températures maximales de 200 degrés Celsius. D'autres technologies plus récentes permettent de remédier aux inconvénients de L'existence de joints, comme les échangeurs à plaques soudées

Il existe d'autres échangeurs à plaques dont la diffusion est moins importante tels que les échangeurs à spirales et les échangeurs à plaques brasées.

Reste encore les échangeurs à plaques serties qui sont constitués d'un assemblage de tôles, Planes parallèles entre lesquelles sont disposées des ailettes.

+ Autres types d'échangeurs:

· Les échangeurs en graphite : ces échangeurs sont le plus souvent utilises à des pressions de 6 bars et des températures 70°c pour véhiculer des fluides corrosifs (acides chlorhydrique, sulfurique, phosphorique...) exception faite des oxydants puissants. [13]

Ces échangeurs se prêtent peu au nettoyage mécanique, mais les procédés de nettoyage chimique et à eau sous pression sont le plus souvent utilisés.

· Les échangeurs en verre: la conductibilité thermique du verre (1.1w/m°c) est très inférieure à celle des aciers ; ce matériau trouve certaines de ses applications sur des gaz, ou la résistance thermique essentielle se trouve coté fluide gazeux. L'échangeur en verre possède une très bonne tenue à la corrosion sulfurique, ce qui permet son utilisation industrielle dans les problèmes de récupération sur des gaz à des températures inferieures à la température de condensation acide. [12]

initial après un simple lavage. Par contre la jonction tubes de verre-plaque tubulaire est technologiquement le point faible de cet échangeur. [12]

· Les échangeurs en matière plastique: Ce matériau présente une bonne tenue à la corrosion mais également un bon comportement vis-à-vis des agents encrassant.

Différents type d'échangeurs en plastique sont commercialisés: -échangeurs à gaines en matière plastique;

-échangeurs à plaques en matière plastique;

-échangeurs à tubes en matière plastique.

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