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RÉSUMÉ
ULe fonctionnement en régime instationnaire des échangeurs de chaleur est une réalité quotidienne rencontrée sur les systèmes thermiques exploitant ces équipements. Une meilleure connaissance des comportements transitoires permet un contrôle-commande adapté.
Plusieurs approches centrées pour l’essentiel sur les mécanismes physiques, ou à l’opposé, sur une vision systémique permettent l'étude de ces transitoires. Il en ressort le concept fondamental de constante de temps, complété par la notion de temps de retard (voire de déphasage). L’utilité de ces approches est montrée sur des exemples.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Michel FEIDT : Professeur - Université de Lorraine, Nancy, France
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Monica COSTEA : Professeur - Université POLITEHNICA de Bucarest, Bucarest, Roumanie
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Renaud FEIDT : Président de la société INVIVO Consulting sas (expertises et optimisations industrielles), Ingénieur en énergétique diplômé de l’École polytechnique de Nantes - INVIVO Consulting, Nantes, France
INTRODUCTION
Le fonctionnement en régime instationnaire des échangeurs quels qu’ils soient est une réalité quotidienne industrielle et même pour tous. L’enjeu en est une meilleure connaissance des comportements transitoires en vue d’un contrôle-commande adapté, et préalablement un meilleur dimensionnement. Le présent article répond à un complément indispensable dans la disponibilité actuelle des Techniques de l’Ingénieur.
Dans cet article, le focus est mis sur le composant échangeur de chaleur HEX (Heat Exchanger) qui représente en lui-même un monde très vaste. La relation de l’échangeur avec les autres composants des systèmes constitue un prolongement naturel au présent article, mais sort du cadre.
L’article introduit donc la notion de régime transitoire et sa relation privilégiée avec la variable supplémentaire, le temps. Plusieurs approches apparaissent centrées pour l’essentiel sur les mécanismes physiques, ou à l’opposé, sur une vision systémique.
Les principaux types de sollicitations et perturbations rencontrés dans les échangeurs de chaleur débouchent sur les divers modèles disponibles pour rendre compte et étudier le comportement en régime transitoire d’un échangeur de chaleur. En allant du mécanisme au système, on passe de l’approche milieu continu (3D), au modèle systémique 0D. Il en ressort le concept fondamental de constante de temps, complété par la notion de temps de retard (voire de déphasage).
Des outils spécifiques d’approfondissement sont cités dans la littérature. Ceux-ci font à ce jour l’objet de nombreuses recherches abordées dans cet article en cinq points successifs.
L’utilité de cette étude est montrée sur des exemples dont celui le plus ancien, des cowpers, qui reste actuel mais également pour :
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les capteurs solaires thermiques en relation avec le stockage de chaleur ;
-
le stockage thermique ;
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l’encrassement des échangeurs qui demeure une préoccupation économique majeure.
Un exemple plus particulier traite du transitoire de caloducs.
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Divers types de sollicitations et perturbations
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1. Régimes transitoires : définition et approches (instationnaire)
1.1 Définition d’un régime transitoire
Un échangeur de chaleur est dit en régime transitoire ou instationnaire lorsque les grandeurs d’entrée, et par conséquent, de sortie, sont, pour partie ou toutes, fonctions du temps.
La figure 1 illustre cette définition sous la forme la plus générale possible. L’échangeur est considéré comme un système ouvert ayant une interface de transfert entre le milieu chaud et le milieu froid. La grandeur h (T, P) représente l’enthalpie spécifique fonction de la température et de la pression et éventuellement du titre lors d'un changement d'état liquide-vapeur et M est la masse de la structure de l'échangeur et des fluides contenus qui introduisent un effet capacitif.
Le cas le plus courant se représente sous forme quadripolaire.
On s’aperçoit alors que les débits matière peuvent dépendre du temps (hors fuites, pertes de matière), mais aussi les enthalpies des fluides par l’intermédiaire des températures et des pressions. Il faut ajouter à cela la masse du système HEX susceptible d’évolution et ayant par ailleurs un rôle de capacité thermique. Il ne faut pas oublier l’existence de la non-adiabaticité du système HEX se traduisant par un flux dit de pertes thermiques
, positif ou négatif selon le cas.
Le problème reste donc complexe, puisque les quantités examinées dépendent non seulement du temps, mais peuvent aussi dépendre de l’espace. Les approches iront donc du local au global, c’est-à-dire, du complexe vers le plus intégré (le plus simple).
HAUT DE PAGE1.2 Approche mécaniste ou du thermicien (thermodynamicien)
Cette approche va jusqu’aux méthodes inverses appliquées :
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à la conduction ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FEIDT (M.) - Génie énergétique. - Dunod Paris 2e édition (2014).
-
(2) - GLAVATSKAIA (O.) - * - Thèse de doctorat. Université de Caen Basse Normandie (2012).
-
(3) - FEIDT (M.) - Thermodynamique et optimisation des systèmes et procédés. - TEC et DOC (2e édition) (1996).
-
(4) - KERN (D.Q.) - Process Heat Transfer. - McGraw-Hill Book Company, chap. 21 (1950).
-
(5) - JACQUOT (C.) - Transfert instationnaire de chaleur en échangeur récupérateur de moteur de fusée : simulation expérimentale en échangeur bitube. - Thèse de doctorat Universitéde Lorraine (2007).
-
(6) - MAILLET (D.), ANDRE (S.), BATSALE (J.C.), DEGIOVANNI (A.), MOYNE (C.) - Thermal quadrupoles :...
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