Dimensionnement des échangeurs de chaleur tubulaires

Définition du processus dans le calcul et le dimensionnement des échangeurs de chaleur

Pour dimensionner les échangeurs de chaleur de manière fiable et précise, nous devons prendre en compte plusieurs aspects clés du processus.

Un échangeur de chaleur est un système d’échange d’énergie sous forme de chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid. En pratique, toute la puissance donnée par le fluide chaud (fc) est absorbée par le fluide froid (ff), réalisant le bilan énergétique suivant :

 

 

La puissance thermique dans un fluide à l’état liquide dépend du débit massique et de la différence entre les températures d’entrée et de sortie. Dans un fluide avec changement de phase en conditions de saturation (condensation ou évaporation), la puissance thermique dépend du débit massique et de l’enthalpie de changement de phase, qui est déterminée par la pression de saturation.

Le processus est défini lorsque tous les paramètres ont été définis par le client, sauf un, qui sera calculé en appliquant le bilan énergétique précédent. Par exemple:

 

Produit liquide (p), service (s) liquide (s). L’habitude est de définir le débit et les températures d’entrée et de sortie du produit, et de laisser libre une de ces trois valeurs dans le fluide de service :

 

 

Produit liquide (p), service avec changement(s) de phase. L’habitude est de définir le débit et les températures d’entrée et de sortie du produit, ainsi que la pression de service, en laissant le débit de service libre.

 

Propriétés thermiques dans la conception des échangeurs de chaleur

Pour la conception de l’échangeur de chaleur, il faut connaîtreF les propriétés thermiques suivantes, tant pour le produit que pour le service : densité, chaleur spécifique, conductivité et viscosité. En général, il est intéressant pour le concepteur de connaître la valeur de ces propriétés à différentes températures dans la plage de travail.

Mais dans Industrie agroalimentaire, ces informations sont d’une importance capitale : la viscosité des produits alimentaires varie très fortement avec la température (de façon plus prononcée à basse température) et il est courant de constater un comportement non Newtonien du produit, où la viscosité dépend également de la vitesse de passage à travers l’échangeur de chaleur.

Par conséquent, une caractérisation correcte des propriétés thermiques est la base d’une conception optimale de l’échangeur de chaleur tubulaire.

Définition d’un échangeur de chaleur

Une fois le processus établi et les propriétés thermiques des fluides caractérisées, le travail de définition de l’échangeur de chaleur commence.

Choix des matériaux dans la conception des échangeurs de chaleur

SACOME fabrique ses échangeurs de chaleur en acier inoxydable , et propose à ses clients d’autres matériaux spéciaux pour les applications présentant un risque élevé de corrosion.

Choix de la géométrie dans la conception des échangeurs de chaleur

Ce choix dépend du type de processus et de la nature du produit. Le service technique de SACOME vous orientera dans la sélection de l’échangeur de chaleur tubulaire approprié, en évaluant les différentes exigences du client : débits, pertes de charge, espace disponible, etc. Les géométries tubulaires les plus utilisées sont le tube dans le tube, l’espace annulaire et la et calandre et tubes.

Choix de la configuration et des finitions dans le dimensionnement de l’échangeur de chaleur

SACOME propose des configurations spécifiques pour des applications aux exigences particulières : équipements démontables pour une inspection et un nettoyage complets ; plaques à double tube pour garantir la non-contamination du produit, montages inclinés pour une vidange totale du produit, etc.

De plus, SACOME garantit des finitions avec une rugosité de surface contrôlée pour les applications sanitaires et pharmaceutiques.

Dimensionnement thermique de l’échangeur de chaleur tubulaire

Dès la définition de l’échangeur de chaleur tubulaire, le point clé du travail du concepteur est le dimensionnement de l’équipement. Le concepteur doit calculer la surface d’échange optimale qui permet de réaliser le processus spécifié en satisfaisant à toutes les exigences imposées par le client.

Pour ce faire, on applique l’équation de transfert suivante, où Q est la puissance échangée par les fluides, U est le coefficient global de transfert de chaleur, A est la surface d’échange et LMTD est la différence de température logarithmique moyenne.

Cette équation doit être discrétisée le long de l’échangeur de chaleur en un nombre suffisant de sections : l’efficacité du transfert de chaleur entre les fluides varie le long de l’échangeur de chaleur parce que, entre autres, les propriétés thermiques varient avec la température et que des phénomènes thermiques complexes se produisent le long de l’échangeur de chaleur tubulaire.

Pour comprendre la procédure de calcul, l’équation d’échange thermique peut être appliquée à l’ensemble de l’échangeur de chaleur, ce qui permet d’obtenir une première approximation de la surface d’échange nécessaire. Dans ce qui suit, cette procédure est illustrée sur un échangeur de chaleur à deux tubes concentriques traitant des fluides liquides à contre-courant.

Détermination de la puissance échangée

C’est obtenu directement à partir des données de processus déjà établies pour le produit, qui sera généralement traité par le tube intérieur.

Détermination de la différence logarithmique moyenne des températures

Elle est définie entre deux sections de l’échangeur de chaleur et dépend des températures d’entrée et de sortie du produit et du service. Lorsqu’elles sont appliquées à l’ensemble de l’échangeur de chaleur tubulaire, ces quatre températures sont connues ; lorsqu’elles sont appliquées à une discrétisation, les valeurs a priori sont inconnues et un processus de convergence itératif doit être exécuté.

Détermination du coefficient global de transfert de chaleur

C’est obtenu par la somme de chacune des résistances thermiques présentes :

Résistance thermique de convection

Il Cette resistance évalue le transfert de chaleur qui se produit par convection dans  . Il est inversement proportionnel au coefficient de transfert de chaleur du fluide, h.

Dans le canal du produit, où Dp et dp sont les diamètres extérieur et intérieur du tube intérieur, il est :

Dans le côté service, c’est le cas :

L’étape critique dans la conception de l’échangeur thermique est précisément la détermination des coefficients de transfert thermique h de manière fiable et précise ; Un calcul erroné de ces coefficients entraînera un fonctionnement insuffisant de l’échangeur thermique tubulaire, même s’il n’atteint pas les températures souhaitées.

En fonction du canal de passage (tube, espace annulaire, etc.) et du régime d’écoulement (laminaire, turbulent, etc.), il faudra établir une corrélation empirique appropriée pour le nombre de Nusselt Nu, qui est le paramètre adimensionnel à partir duquel le coefficient de transfert h est obtenu. De manière générale, le Nusselt dépendra d’autres paramètres sans dimension comme le nombre de Reynolds, le nombre de Prandtl, le nombre de Graetz, le nombre de Grashof, etc.

Résistance thermique de conduction

Évalue le transfert de chaleur qui se produit par conduction dans le tube interne qui sépare les deux fluides. Pour un tube, k étant la conductivité thermique du métal, elle est définie comme :

Résistance thermique d’encrassement

Lors du fonctionnement de l’échangeur thermique, il est fréquent que des films formés par les impuretés des fluides eux-mêmes se déposent sur les surfaces en contact avec les fluides. Ces résistances à l’encrassement aggravent le transfert de chaleur.

Dans les applications, généralement industrielles, où il est nécessaire de retarder l’arrêt de l’échangeur tubulaire pour nettoyage, il est courant de considérer que ces résistances supplémentaires seront présentes dès le début, surdimensionnant ainsi l’équipement. Dans les applications alimentaires, ils ne sont pas pris en compte car le travail de nettoyage est plus continu.

Dans le côté produit, il s’agit de :

Dans le côté service, il s’agit de :

Calcul de la surface d’échange requise

Par application directe de l’équation de transfert, la surface d’échange requise peut être obtenue. Le diamètre du tube intérieur ayant déjà été fixé, la solution au problème est d’obtenir la longueur totale de l’échangeur Lt :

Le résultat obtenu est la surface théorique requise. Mais il faut choisir une longueur de tube existant sur le marché, L : si cette longueur est inférieure à la longueur théorique, alors il faut disposer un certain nombre d’échangeurs, n, en série.

Dans tous les cas, il conviendra toujours de choisir une surface d’échange plus grande que la surface théorique, en fonction de la plus ou moins grande incertitude qui existe lors de la détermination des propriétés thermiques des fluides, des résistances d’encrassement ou des facteurs de transfert thermique. Pour quantifier ce surdimensionnement, un coefficient de transfert thermique global requis ou « sale » est défini :