Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
Dans cet article, on donne les principes pour dimensionner un échangeur de chaleur et pour évaluer les performances d’un échangeur existant. Deux démarches sont décrites, une démarche analytique et une démarche numérique. Dans la démarche analytique, les deux principales méthodes sont proposées : la méthode dite du DTML (Différence de Température Moyenne Logarithmique) mieux adaptée au dimensionnement et la méthode de l’efficacité – NUT (Nombre d’Unités de Transfert) mieux adaptée à l’évaluation. Pour la démarche numérique, après quelques éléments sur les principes de base des méthodes numériques, l’accent est mis sur des exemples d’utilisations montrant l’aide apportée pour la mise en évidence des problèmes de dimensionnement et de conception (distribution, géométries internes, intensification des transferts de chaleur,…)
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In this article, the principles of the sizing of a heat exchanger together with that of rating an existing heat exchanger are given. Two approaches are described, an analytical one and a numerical approach. In the analytical approach, the two main methods are proposed: the so-called LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) method more adapted to sizing and, the effectiveness – NTU (Number of Transfer Units) method more adapted to rating. For numerical approach, after some bases about numerical methods, the emphasis is put on examples of utilization showing the given help to the analysis of sizing and possible conception mistakes (distribution, internal geometries, heat transfer intensification…)
Auteur(s)
-
André BONTEMPS : Professeur émérite - Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI) - Université Joseph Fourier
-
Jean-François FOURMIGUé : Ingénieur – Chercheur - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives -
INTRODUCTION
Les outils à la disposition de l'ingénieur pour le dimensionnement d'un échangeur ou pour l'évaluation des performances d'un échangeur existant sont très nombreux et le choix peut alors sembler très difficile. Ils sont en fait très complémentaires et peuvent être utilisés successivement lors d'une démarche de dimensionnement d'un appareil.
Les méthodes analytiques suffisent pour dimensionner un échangeur ou pour évaluer les performances d'un échangeur déjà défini dans le cadre d'un procédé industriel déjà bien maîtrisé et d'une gamme d'équipements classiques déjà utilisés sur un procédé similaire. C'est d'ailleurs sur des méthodes de ce type que sont basés les outils métiers des fabricants. Le plus qu'elles apportent est de s'appuyer sur des bases de données de performances, pertes de pression et coefficients d'échange, basée sur des mesures réalisées sur leurs échangeurs. Les deux principales méthodes, décrites dans cet article, sont la méthode du DTML (différence de température moyenne logarithmique), mieux adaptée au dimensionnement et la méthode de l'efficacité – NUT (nombre d'unités de transfert), mieux adaptée à l'évaluation des transferts de chaleur d'un échangeur déjà défini.
La simulation numérique vient après quand on sort des configurations classiques, en particulier pour les fluides, les régimes de fonctionnement, et que des problèmes peuvent se présenter en termes de distribution ou d'échange thermique local. Les simulations peuvent alors apporter une information beaucoup plus fine avec une représentation 1D, 2D ou 3D des écoulements et transferts de chaleur.
Un tableau de notations et symboles est placé en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
cryogenic | petrochemistry
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Méthodes de calcul analytique
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1. Présentation
1.1 Problème thermohydraulique
Dans l'industrie des échangeurs de chaleur, les problèmes relevant de la thermohydraulique concernent avant tout le dimensionnement thermique des appareils.
La complexité du problème de calcul thermique des échangeurs vient de plusieurs facteurs qui sont :
-
la grande diversité des appareils (échangeurs tubulaires, à plaques, etc.) ;
-
la variété des régimes d'écoulement : simple phase en régime laminaire ou turbulent, avec ou sans effet de convection naturelle, diphasique en évaporation ou en condensation, condensation avec ou sans incondensables, mélanges de fluides, etc. ;
-
le nombre important des configurations d'écoulement, pouvant aller bien au-delà de deux fluides dans le cas d'un échangeur compact, par exemple.
À cette complexité due à la technologie des appareils et à la nature de la physique des écoulements s'ajoute la difficulté d'écrire un logiciel basé sur une méthode de calcul dont on doit parfaitement maîtriser les hypothèses et les paramètres ; il faut donc pour cela :
-
définir un modèle d'écoulement lorsque celui-ci est complexe ;
-
prendre les corrélations physiques les mieux adaptées ;
-
choisir un algorithme pour le problème que l'on se pose, soit de type dimensionnement, soit de type évaluation ;
-
prendre une méthode numérique fiable assurant une convergence du calcul thermique pour tous les cas spécifiés.
Au centre de la phase de dimensionnement se trouve le calcul thermique proprement dit.
HAUT DE PAGE1.2 Principe du calcul thermique d'un échangeur
Cet article se limite au cas des échangeurs – récupérateurs. La figure 1 illustre dans son principe le calcul thermique d'un échangeur.
Il convient de préciser :
-
les données nécessaires : données géométriques, de fonctionnement et propriétés physiques des fluides ;
-
la phase thermique proprement dite, comprenant des calculs géométriques (sections de passage des fluides, diamètres hydrauliques, etc.), puis...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHAH (R.K.), AFIMIWALA (K.A.), MAYNE (R.W.) - Heat exchanger optimization. - In Proceedings 6th International Heat Transfer Conference, Toronto, Canada, vol. 4, p. 185-191 (1978).
-
(2) - SHAH (R.K.), SEKULIC (D.P.) - Fundamentals of heat exchanger design. - John Wiley and sons, Inc., HOBOKEN (N.J.), États-Unis (2003).
-
(3) - BOWMAN (R.A.), MUELLER (A.C.), NAGLE (W.M.) - Mean temperature difference in design. - Trans ASME, 62, p. 283-294 (1940).
-
(4) - KERN (D.Q.) - Process heat transfer. - 2nd Ed., McGraw Hill Book Company, Singapore (1984).
-
(5) - AZBEL (D.) - Heat transfer applications in process engineering. - Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, États-Unis (1984).
-
(6) - CHEN (J.D.), TSAI (S.T.) - Calculation of mean temperature difference of...
ANNEXES
Fluent http://www.ansys.com/fr_fr
STAR-CCM http://www.cd-adapco.com
OpenFoam http://www.openfoam.com
HAUT DE PAGE
International Heat Transfer Conference http://www.ihtc-15.org
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