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TOME 1 – Version Preview

Echangeurs Thermiques :

Technologies, Conception & Dimensionnement

Par Christophe MARVILLET, Christophe WEBER et André MANIFICAT

E.BOOK – TOME 1

SOMMAIRE

SOMMAIRE ................................................................

LES AUTEURS ................................................................

PREFACE ................................................................

L’EXPERTISE DU GRETH ................................

PARTIE 1 : GENERALITES ................................

CHAPITRE 1 : TECHNOLOGIES DES ECHANGEURS DE CHALEUR

1. LES PRINCIPALES FONCTIONNALITES DES ECHAN

TRANSPORTS ................................................................

2. LES PRINCIPALES FONCTIONNALITES DES ECHAN

EXEMPLES ................................................................

3. CLASSIFICATION DES TECHNOLOGIES DES ECHAN

3.1 Critères de classification ................................

3.2 Les matériaux constitutifs des échangeurs de chaleur

3.3 Les critères caractéristiques d’une technologie d’échangeur

4. LES TECHNOLOGIES D’ECHANGEUR AVEC L

4.1 Batteries à ailettes continues ................................

4.2 Echangeurs à micro-canaux aluminium

4.3 Batteries à tubes et ailettes discontinues

5. LES TECHNOLOGIES D’ECHANGEUR AIR ATMOSP

5.1 Régénérateurs à roue ................................

5.2 Régénérateurs statiques à plaques

5.3 Récupérateurs à tubes caloducs

6. LES TECHNOLOGIES D’ECHANGEURS POUR LIQ

6.1 Les échangeurs à tubes et calandre

6.2 Les échangeurs à plaques et joints

6.3 Les échangeurs à plaques brasées

6.4 Les échangeurs à plaques soudées

CHAPITRE 2 : METHODES DE DIMENSIONNEMENT

1. DIMENSIONNEMENT, SELECTION ET DIAGNOS

2. L’EQUATION DE BILAN ENERGETIQUE ................................

3. L’EQUATION DE TRANSFERT DE CHALEUR :

3.1 Définition du coefficient d’échange global et partiel

3.3 Optimisation économique des échangeurs par l’utilisation d’ailettes ou de surface d’échange améliorée

3.4 Mécanismes et résistance d’encrassement des échangeurs

4. EQUATION DES PERTES DE PRESSION ................................

5. CALCUL DES PERFORMANCES D’UN ECHANGEUR ET DE L

5.1 Les différents modes de circulation des fluides dans un échangeur thermique

5.2 Une méthode « thermodynamique

température-enthalpie ................................

SOMMAIRE

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

CHANGEURS DE CHALEUR ................................................................

IONNALITES DES ECHANGEURS THERMIQUES DANS LES PROCEDES INDUS

................................................................................................

IONNALITES DES ECHANGEURS THERMIQUES DANS LES PROCEDES INDUS

................................................................................................

CHNOLOGIES DES ECHANGEURS THERMIQUES ................................................................

................................................................................................

3.2 Les matériaux constitutifs des échangeurs de chaleur ................................................................

3.3 Les critères caractéristiques d’une technologie d’échangeur ................................

’AIR ATMOSPHERIQUE COMME FLUIDE SECONDAIRE ................................

................................................................................................

canaux aluminium ................................................................

4.3 Batteries à tubes et ailettes discontinues ................................................................

ECHANGEUR AIR ATMOSPHERIQUE/ AIR ATMOSPHERIQUE OU GAZ/GAZ ................................

................................................................................................

5.2 Régénérateurs statiques à plaques ................................................................................................

5.3 Récupérateurs à tubes caloducs ................................................................................................

ECHANGEURS POUR LIQUIDE ................................................................................................

6.1 Les échangeurs à tubes et calandre ................................................................................................

6.2 Les échangeurs à plaques et joints ................................................................................................

6.3 Les échangeurs à plaques brasées ................................................................................................

6.4 Les échangeurs à plaques soudées ................................................................................................

IONNEMENT ................................................................

SELECTION ET DIAGNOSTIC DE FONCTIONNEMENT D’UN ECHANGEUR THERMIQ

................................................................................................

: COEFFICIENT D’ECHANGE ET RESISTANCE THERMIQUE ................................

3.1 Définition du coefficient d’échange global et partiel ................................................................

3.3 Optimisation économique des échangeurs par l’utilisation d’ailettes ou de surface d’échange améliorée

3.4 Mécanismes et résistance d’encrassement des échangeurs ................................................................

................................................................................................

UN ECHANGEUR ET DE L’EVOLUTION DE LA TEMPERATURE MOYENNE DES

différents modes de circulation des fluides dans un échangeur thermique ................................

thermodynamique » de représentation de l’évolution des températures des fluides

................................................................................................................................

3

............................................................. 3

.......................................................... 6

................................................................. 7

........................................................................... 9

........................................................................ 10

................................................ 11

S LES PROCEDES INDUSTRIELS, LE BATIMENT ET LES

...................................................................... 11

S LES PROCEDES INDUSTRIELS ET AUTRES : QUELQUES

......................................................................... 12

....................................................... 20

...................................................................... 20

........................................................ 21

............................................................................. 27

..................................................... 27

............................................................. 28

............................................................................. 31

........................................................................... 33

..................................................... 35

.......................................................................... 35

..................................................... 36

.......................................................... 37

.............................................. 38

.................................................... 38

...................................................... 42

...................................................... 44

...................................................... 46

................................................................. 48

UN ECHANGEUR THERMIQUE ........................................ 48

................................................................. 50

.................................................. 51

.......................................................... 51

3.3 Optimisation économique des échangeurs par l’utilisation d’ailettes ou de surface d’échange améliorée ....... 60

............................................... 62

................................................................. 64

ERATURE MOYENNE DES FLUIDES DANS UN ECHANGEUR67

.................................................. 68

l’évolution des températures des fluides : la courbe

.............................................. 69

E.BOOK – TOME 1

SOMMAIRE

5.3 Une méthode de représentation

5.4 Une méthode « simplifiée » de représentation de l’év

frigorifiques ................................................................

6. PRINCIPE ET METHODES DE DIMENSIONNEMENT D

6.1 Méthode de dimensionnement utilisant l’écart de température logarithmique entre les fluides

6.2 Application de la méthode de l’écart de température logarithmique

6.3 Incidence du type du fluide à changement de phase sur l’écart de température logarithmique et le

dimensionnement d’un échangeur thermique

7. PRINCIPE ET METHODES DE DIAGNOSTIC DES E

7.1 Définition de l’efficacité et du pincement d’un échangeur thermique

7.2 Calcul de l’efficacité d’un échangeur thermique dans le cas général

8. REMARQUES SUR LES METHODES DE CALCUL DES

CHAPITRE 3 : ELEMENTS DE THERMIQUE

1. LA CONDUCTION THERMIQUE ................................

1.1 Loi de Fourier ................................

1.2 Conductivité thermique des matériaux et fluides couramment utilisés dans les échangeurs thermiques

1.3 Equation différentielle de Fourier

1.4 Quelques problèmes spécifiques de conduction dans les échangeurs thermiques

1.5 Calcul des efficacités d’ailettes ................................

2. LES TRANSFERTS PAR CONVECTION FORCEE EN S

2.1 Ecoulements monophasiques : la notion

2.2 Transfert de chaleur par convection forcée monophasique

3. TRANSFERT DE CHALEUR PAR CHANGEMENT DE PH

3.1 Ecoulements diphasiques : régime d’écoulement, taux de vide et perte de pression

3.2 Transfert par évaporation de fluides purs

3.3 Transfert par condensation de fluides purs

PARTIE 2 : OUTILS DE CALCUL ET ETUDES DE CAS

CHAPITRE 4 : OUTILS DE DIMENSIONNEMENT ET DE SIMULA

1. LES LOGICIELS DEVELOPPES PAR LES FABRICAN

2. L’OFFRE COMMERCIALE DES LOGICIELS DE DIMEN

2.1 HTRI – Xchanger Suite ................................

2.2 Aspen Tech – EDR (ex HTFS) ................................

2.3 UNILAB Software : UNISUITE ................................

2.4 Les logiciels du GRETh ................................

2.5 Application EchTherm (fournie avec le e.Book)

2.6 PROSIM – Logiciel ProSec ................................

2.7 NIST (National Institute of Standards and Technology): Logiciel EVAP

3. CONCLUSIONS ................................................................

SOMMAIRE

5.3 Une méthode de représentation spatiale de l’évolution des températures des fluides dans un échangeur.

» de représentation de l’évolution des températures des fluides pour les échangeurs

................................................................................................

DE DIMENSIONNEMENT DES ECHANGEURS DE CHALEUR ................................

6.1 Méthode de dimensionnement utilisant l’écart de température logarithmique entre les fluides

6.2 Application de la méthode de l’écart de température logarithmique aux évaporateurs et condenseurs


dimensionnement d’un échangeur thermique ................................................................

DE DIAGNOSTIC DES ECHANGEURS DE CHALEUR ................................................................

7.1 Définition de l’efficacité et du pincement d’un échangeur thermique ................................

7.2 Calcul de l’efficacité d’un échangeur thermique dans le cas général ................................

HODES DE CALCUL DES ECHANGEURS DE CHALEUR ................................

QUE : CONDUCTION & CONVECTION ................................

................................................................................................

................................................................................................................................

1.2 Conductivité thermique des matériaux et fluides couramment utilisés dans les échangeurs thermiques

1.3 Equation différentielle de Fourier-Kirschoff................................................................

1.4 Quelques problèmes spécifiques de conduction dans les échangeurs thermiques

................................................................................................

NVECTION FORCEE EN SIMPLE PHASE ................................................................

: la notion de couche limite ................................................................

2.2 Transfert de chaleur par convection forcée monophasique : corrélation de transfert de chaleur

PAR CHANGEMENT DE PHASE ................................................................

: régime d’écoulement, taux de vide et perte de pression

3.2 Transfert par évaporation de fluides purs ................................................................

3.3 Transfert par condensation de fluides purs ................................................................

T ETUDES DE CAS ................................................................

NNEMENT ET DE SIMULATION DES ECHANGEURS THERMIQUES

PES PAR LES FABRICANTS ET INGENIERIES POUR DES USAGES INTERNES ................................

S LOGICIELS DE DIMENSIONNEMENT ECHANGEURS ................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

2.5 Application EchTherm (fournie avec le e.Book) ................................................................

................................................................................................

7 NIST (National Institute of Standards and Technology): Logiciel EVAP-COND ................................

................................................................................................

4

spatiale de l’évolution des températures des fluides dans un échangeur. ..... 72

olution des températures des fluides pour les échangeurs

............................................................... 73

....................................................................... 76

6.1 Méthode de dimensionnement utilisant l’écart de température logarithmique entre les fluides ..................... 77

évaporateurs et condenseurs ......... 81


.......................................................................... 82

................................................. 84

............................................................... 84

................................................................. 86

............................................................................ 90

............................................................... 91

........................................................................... 91

....................................................... 91

1.2 Conductivité thermique des matériaux et fluides couramment utilisés dans les échangeurs thermiques ......... 92

........................................................................ 93

1.4 Quelques problèmes spécifiques de conduction dans les échangeurs thermiques ............................................ 95

.......................................................... 102

............................................................... 106

................................................ 106

: corrélation de transfert de chaleur .................... 110

........................................................................ 113

: régime d’écoulement, taux de vide et perte de pression ..................................... 113

......................................................................... 117

....................................................................... 119

................................................................. 123

THERMIQUES ...................... 124

................................................... 124

......................................................................... 125

....................................................................... 125

.............................................................. 128

............................................................. 129

....................................................................... 130

................................................................. 133

................................................................. 136

.................................................. 137

............................................................. 138

E.BOOK – TOME 1

SOMMAIRE

CHAPITRE 5 : SELECTION D’UNE TECHNOLOGIE D’ECHANGEU

1. IDENTIFICATION DES CARACTERISTIQUES D

1.1 Les fluides de transfert, moteur et f

1.3 Les conditions extrêmes d’usage de l’échangeur

1.4 Critère de perte de charge maximale acceptable

1.5 Critère sur le potentiel encrassant des fluides

1.6 Critère sur les exigences d’étanchéité de l’échangeur et les risques de fuite des fluides

1.7 Critère d’encombrement/compacité

1.8 Critères de coût de l’échangeur

1.9 Conclusions ................................

2. ETUDES DE CAS N°1 : CHOIX D’UNE TECHNOLOGIE

3. ETUDES DE CAS N°2 : CHOIX D’UNE TECHNOLOGIE D

4. COMPLEMENTS SUR LE MODULE « TECHNOLOGY

CHAPITRE 6 : DIMENSIONNEMENT DES ECHANGEURS THERMIQ

1. CAS D’ETUDE N°1 : ECHANGEUR TUBULAIRE C

2. ETUDE DE CAS N°2 : ECHANGEUR A TUBES ET

3. ETUDE DE CAS N°3 : ECHANGEUR A TUBES ET

4. ETUDE DE CAS N°4 : FAISCEAU DE TUBES -

5. CAS D’ETUDE N°5 : ECHANGEUR A PLAQUES E

6. CONCLUSIONS GENERALE SUR LES EXEMPLES DE

7. ETUDE DE CAS N°6 : ECHANGEUR AVEC CHANGE

CIRCULAIRES DISCONTINUES AVEC FLUIDE ORG

8. ETUDE DE CAS N°7 : ECHANGEUR AVEC CHANGE

CONDENSATION COMPLETE INTRATUBULAIRE AVEC

8.1 Positionnement du problème ................................

8.2 Démarche a suivre sur EchTherm

9. CONCLUSIONS ................................................................

CONCLUSIONS DU TOME 1 ................................

NOMENCLATURE ................................................................

BIBLIOGRAPHIE ................................................................

SITE INTERNET FOURNISSEURS D’ECHANGEUR D

SITE INTERNET FOURNISSEURS DE LOGICIEL (

SITE INTERNET ASSOCIATION (NON EXH

SOMMAIRE

CHNOLOGIE D’ECHANGEURS THERMIQUES - OUTILS ET ETUDES DE

CARACTERISTIQUES D’USAGE NECESSAIRES A UNE SELECTION ADAPTEE D’UN ECHANGEUR THERMIQ

1.1 Les fluides de transfert, moteur et frigorigène du procédé ................................................................

1.3 Les conditions extrêmes d’usage de l’échangeur ................................................................

1.4 Critère de perte de charge maximale acceptable ................................................................

1.5 Critère sur le potentiel encrassant des fluides ................................................................

1.6 Critère sur les exigences d’étanchéité de l’échangeur et les risques de fuite des fluides

d’encombrement/compacité ................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................................................

UNE TECHNOLOGIE D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR LIQUIDE-LIQUIDE

UNE TECHNOLOGIE D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR LIQUIDE-GAZ DE TYPE RECUPERATEUR

ECHNOLOGY DECISION SUPPORT » : ................................................................

S ECHANGEURS THERMIQUES - OUTILS ET ETUDES DE

CHANGEUR TUBULAIRE COAXIAL DROIT ................................................................

CHANGEUR A TUBES ET CALANDRE – TYPE E – SIMPLE PASSE COTE TUBE ET COTE CALANDRE

CHANGEUR A TUBES ET CALANDRE – TYPE 1-2 ................................................................

- BATTERIE DE TUBES A AILETTES CIRCULAIRES DISCONTINUES

CHANGEUR A PLAQUES ET JOINTS................................................................

SUR LES EXEMPLES DE DIMENSIONNEMENT SIMPLE : ................................

CHANGEUR AVEC CHANGEMENT DE PHASE (EBULLITION) : RECUPERATEUR SUR GAZ

NUES AVEC FLUIDE ORGANIQUE EN EBULLITION COMPLETE INTRA-TUBULAIRE – SOURCE THERMIQUE POU

CHANGEUR AVEC CHANGEMENT DE PHASE (CONDENSATION) : ECHANGEUR A TUBES ET

INTRATUBULAIRE AVEC DESURCHAUFFE ET SOUS-REFROIDISSEMENT ................................

................................................................................................

8.2 Démarche a suivre sur EchTherm ................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

................................................................................................

SSEURS D’ECHANGEUR DE CHALEUR (NON EXHAUSTIF) : ................................

SSEURS DE LOGICIEL (NON EXHAUSTIF) : ................................................................

ATION (NON EXHAUSTIF) : ................................................................

5

OUTILS ET ETUDES DE CAS ........... 139

UN ECHANGEUR THERMIQUE ............ 139

.............................................. 139

.............................................................. 143

.............................................................. 144

.................................................................. 144

1.6 Critère sur les exigences d’étanchéité de l’échangeur et les risques de fuite des fluides .................................. 146

................................................ 147

......................................................... 148

........................................................ 149

........................................... 150

DE TYPE RECUPERATEUR .............. 153

............................................... 156

OUTILS ET ETUDES DE CAS .......................... 158

................................................................ 158

BE ET COTE CALANDRE A CONTRE COURANT166

..................................................... 174

DISCONTINUES ....................................... 181

........................................................................ 192

........................................................................ 196

ECUPERATEUR SUR GAZ AVEC TUBES A AILETTES

SOURCE THERMIQUE POUR ORC 196

CHANGEUR A TUBES ET CALANDRE :

.................................................... 204

............................................................ 204

...................................................... 205

.............................................................. 214

.................................................................. 215

................................................ 216

................................................... 218

................................................... 218

........................................... 218

................................................................ 218

E.BOOK – TOME 1

LES AUTEURS

LES AUTEURS

Christophe MARVILLET – Président du GRETh/Directeur de l’IFFI/ Professeur CNAM

Christophe MARVILLET a débuté sa carrière en tant qu’ingénieur au CEA sur les problématiques de

dessalement d’eau de mer. Chef de laboratoire au CEA/GRETh jusqu’en 1999, il a ensuite poursuivi

par 3 années en détachement à ANVAR en tant que chargé d’affaires et Conseiller en

Développement Technologique en région PACA. De nouveau chef du service GRETh au CEA, en

2006, Il prend le poste de Chef du laboratoire de Thermique au Centre de Recherche et Innovation

de la société CIAT jusqu’en 2011, où il est nommée au poste de Professeur de la Chaire

d’Energétique Appliquée au CNAM Paris (Conservatoire National des Arts et Métiers). Christophe

MARVILLET assure aussi la fonction de directeur de l’IFFI (Institut français du froid industriel) et de

Président du GRETh.

Christophe WEBER- Ingénieur Thermicien – GRETh / NeoTherm Consulting SAS

Christophe WEBER travaille avec l’équipe du GRETh depuis Janvier 2011. Dans le cadre de son

travail, il est en charge de répondre aux industriels pour leurs demandes d’aide sur les aspects

techniques et scientifiques. Il effectue de nombreuses études d’état de l’art, des

dimensionnements d’échangeurs à travers des outils de calculs reconnus et par le biais de

développement d’applications numériques développées en interne ainsi que des études de R&D. Il

intervient également en tant qu’enseignant au CNAM Paris (Conservatoire National des Arts et

Métiers), à l’IFFI (Institut Français du Froid Industriel), à l’ENSIP ainsi qu’à l’UGA (Université

Grenoble Alpes) où il dispense des cours sur les échangeurs de chaleur. Christophe WEBER réalise

également, depuis 2014, des travaux de recherche sur le sujet de la détection et l’anticipation des

phénomènes d’encrassement dans les échangeurs de chaleur.

André MANIFICAT- Président NéoTherm Consulting SAS / Administrateur GRETh

André MANIFICAT a débuté sa carrière professionnelle par plus de 20 années de R&D valorisation

Industrielle au CEA Grenoble. Ensuite, il a rejoint la Société Linde en France pendant 5 années en

tant qu’ingénieur chef de département projets et R&D. Il a ensuite continué par 4 années à ANVAR

en tant que chargé d’affaires et Conseiller en Développement Technologique région Nord-Pas de

Calais. De 2003 à 2016, il est Directeur Général du GRETh et cumule, de 2005 à 2010, le poste de

« Programme Manager » bâtiment de l’INES (Institut National de l’Energie Solaire). Il continue à

occuper un poste d’administrateur du GRETh en tant que Président de la société NéoTherm

Consulting SAS.

E.BOOK – TOME 1

PREFACE

PREFACE

Les demandes industrielles vis-à-vis des experts du GRETh dans le domaine des échangeurs thermiques sont très

diverses : sélection de technologies adaptées à un procédé, aide à la conception ou aide au dimensionnement d’un

équipement thermique, diagnostic et identification de défaillances d’installations thermiques…

La complexité de la discipline, la diversité des technologies, la variété des procédés et des fluides mis en œuvre

justifient le grand nombre de questions que sont amenées à traiter les ingénieurs en charge de la conception, de

l’exploitation, de la maintenance d’installations industrielles.

L’ambition du GRETh par la réalisation de cet ouvrage est d’apporter des éléments pour répondre concrètement au

panel d’acteurs le plus large possible parmi lequel on trouve des ingénieurs généralistes confrontés ponctuellement à

des questions portant sur les échangeurs, des ingénieurs experts soucieux de connaitre les méthodes de calcul les plus

récentes…

Pour réaliser cette ambition, le choix retenu a été de construire un outil dont les deux axes sont :

Un ouvrage didactique qui aborde les principaux aspects de la technologie, des méthodes de calcul, des

problématiques d’exploitation associées aux échangeurs de chaleur et qui est construit en plusieurs

tomes :

le tome 1 introduit les généralités indispensables à une compréhension de la sélection et du

dimensionnement des échangeurs thermiques,

le tome 2 présente les éléments de compléments de thermiques et de diagnostic du

fonctionnement rencontrés dans la conception et la conduite de ces équipements

(encrassement, dégradations mécaniques, diagnostic de performances, intensification…),

le tome 3 présente des méthodes complémentaires associé à l’utilisation des échangeurs de

chaleurs (évaluation du cout, marché des échangeurs, méthode du pincement)

les tomes suivant présenteront des démarches expertes de dimensionnement et de calcul à

partir de méthodes les plus récentes.

Des fiches numériques permettant de répondre à divers besoins :

Comment sélectionner un échangeur adapté à un procédé particulier ?

Comment dimensionner de façon « rustique » un échangeur de chaleur ?

Quelles sont les corrélations d’échange et de perte de pression les mieux adaptées pour telle

structure de tube, faisceau tubulaire, plaque, ailettes… ?

Quels impacts ont les effets d’encrassement, de défaut de distribution sur les performances

thermiques d’un appareil…. ?

Le premier tome de cet ouvrage peut être considéré comme une introduction à cet ensemble ambitieux. Il doit

permettre de familiariser les lecteurs aux technologies courantes d’échangeur, à leurs méthodes simples de

dimensionnement et apporter les connaissances suffisantes en thermique notamment en conduction et convection

forcée pour une bonne compréhension des calculs thermiques.

E.BOOK – TOME 1

PREFACE

PREFACE

A ces premiers tomes sont associés tout un ensemble de cas d’étude – voulus très didactiques et simples – et

structurés autour de fiches de calcul (plus de 120 au total) traitant aussi bien de la sélection de technologies que de

dimensionnements simples d’appareils.

Les fiches numériques permettant le calcul des coefficients de transfert donnent un aperçu de la diversité des

méthodes disponibles. Ceci implique la nécessité de faire une mise à jour régulière et montre aussi l’importance

d’effectuer une comparaison critique entre ces méthodes pour assurer un choix judicieux lors du dimensionnement

des équipements.

La centaine de fiches de calcul fournies avec les tomes 1, 2, 3 et 4 représente une offre relativement bien fournie mais

qui sera régulièrement mise à jour et de plus en plus exhaustive.

Cet outil a été conçu pour être pratique, à jour des méthodes de calcul les plus récentes, répondant aux questions

fréquentes que se posent les ingénieurs confrontés à ces technologies.

Nous sommes à l’écoute des utilisateurs pour le faire évoluer et le compléter régulièrement.

Pr. Christophe MARVILLET Mr. Christophe WEBER Mr. André MANIFICAT

E.BOOK – TOME 1

L’expertise du GRETH

L’EXPERTISE DU GRETh

Le GRETh : Un club d’industriels

Le GRETh fédère, depuis plus de 30 années, un collectif d'industriels dont

l'activité est la fabrication d’échangeurs et d’équipements thermiques, les

études d’ingénieries d’installations thermiques pour l’industrie et le bâtiment

ainsi que l’exploitation de sites de production et de conversion d’énergie.

La plupart des adhérents industriels de ce groupement sont animés par la

volonté de développer ou d’intégrer des composants innovants, en particulier

les échangeurs thermiques, et celle de mettre en œuvre des méthodologies

avancées pour obtenir des gains significatifs sur l‘efficacité énergétique des

systèmes industriels.

Pour accompagner la démarche de ses adhérents, le GRETh a mis en place une

stratégie d’accompagnement et des actions auprès de ces industriels dans le

cadre d’une structure originale permettant de réaliser des missions d’intérêt

collectif.

La formation des ingénieurs et techniciens fait partie des missions du GRETh,

au même titre que la veille technologique, la diffusion des connaissances et

l’appui technique et scientifique en R&D.

Ils font confiance au GRETh

Et bien d’autres encore…

http://www.edf.fr/

http://www.faurecia.com/

http://www.eiffagemetal.com/home.html

http://www.alfalaval.fr/

http://www.airliquide.com/

http://fr.groupeonet.com/Onet-Technologies

http://www.engie.fr/

http://www.arcelormittal.com/corp/

http://www.valeo.com/

http://www.arkema.com/

http://institut-ps2e.com/

http://fr.dcnsgroup.com/

http://www-marcoule.cea.fr/scripts/home/publigen/content/templates/show.asp?L=FR&P=581&vticker=news

http://www.barriquand.com/

http://www.cmdl.fr/

http://www.fivesgroup.com/

http://www.johnsoncontrols.fr/

http://www.spxflow.com/en/clydeunion-pumps/

http://www.areva.com/

http://www.atlascopco.fr/frfr/

http://www.mbda-systems.com/

http://www.airbushelicopters.com/site/en/ref/home.html

http://www.safran-landing-systems.com/

E.BOOK – TOME 1

Partie 1 : Généralités

PARTIE 1 : GENERALITES

E.BOOK – TOME 1

Chapitre 1 : Technologies des échangeurs de chaleur

CHAPITRE 1 : Technologies des échangeurs de chaleur

Dans ce chapitre, on propose de présenter successivement :

Les principales fonctionnalités des échangeurs thermiques utilisés dans les procédés industriels et

également en énergétique des transports et du bâtiment

Les principaux critères de classification des technologies d’échangeurs de chaleur

Les principales technologies d’échangeurs de chaleur utilisées en distinguant par ordre les échangeurs

liquide/liquide, les échangeurs gaz/liquide et enfin les échangeurs gaz/gaz,

1. Les principales fonctionnalités des échangeurs thermiques dans les procédés industriels, le bâtiment et les transports Les fonctionnalités des échangeurs thermiques peuvent être très diverses. Bien préciser les fonctions d’un échangeur

thermique (c’est-à-dire répondre à la question « à quoi sert principalement cet équipement ») permet d’identifier les

opérations élémentaires auxquelles doivent répondre les échangeurs de chaleur que ce soit dans les procédés

industriels ou dans des systèmes spécifiques aux bâtiments et aux transports.

On peut citer ainsi les fonctionnalités suivantes:

Préchauffeur ou refroidisseur d’un liquide pour lesquels de très nombreux exemples pourraient être

rappelés et qui se caractérise par une fonction simple : le contrôle de la température d’un liquide en un

point particulier du procédé,

Préchauffeur ou refroidisseur d’un gaz – air atmosphérique, air comme vecteur thermique ou gaz de

procédés - qui se caractérise par une fonction simple : le contrôle de la température d’un gaz en un point

particulier du procédé,

Récupérateur thermique qui peut se confondre avec les deux cas précédemment cités mais dont la

dénomination introduit une notion nouvelle : la valorisation de l’énergie thermique d’un procédé, cette

énergie étant susceptible d’être perdue si un dispositif thermique n’est pas inséré dans le procédé. La

récupération thermique est une des pratiques essentielles mise ou à mettre en œuvre pour tendre vers

des efficacités énergétiques élevées dans les procédés industriels ou autres. La fonction de cet échangeur

est alors d’assurer le transfert d’une capacité thermique maximale ou en tout état de cause permettre de

valoriser au mieux le rejet thermique sur des critères énergétiques et économiques,

LA SUITE EST DISPONIBLE UNIQUEMENT POUR LES ADHERENTS DU GRETH

E.BOOK – TOME 1



2. Les principales fonctionnalités des échangeurs thermiques dans les procédés industriels et autres : quelques exemples

Figure I-1

Nom du dispositif : Cristallisoir

Fonction du dispositif : Assurer la séparation de sels minéraux en solution dans une saumure

Fonction de l’échangeur: Refroidissement de la saumure en dessous de la limite de solubilité des sels dissous

Niveau de température : quelques °C

Figure I-1 : Exemple d’application de refroidisseurs de liquide

Figure I-2

Nom du dispositif : Tunnel de surgélation

Fonction du dispositif : Assurer le refroidissement/congélation rapide de produits (par exemple alimentaires)

Fonction de l’échangeur: Refroidissement de l’air en circulation dans le tunnel/évaporateur d’un groupe de réfrigération

Niveau de température : de 0°C à -50°C

Figure I-2 : Exemple d’application de refroidisseurs/chauffage de gaz

E.BOOK – TOME 1



3. Classification des technologies des échangeurs thermiques

3.1 Critères de classification

La classification des échangeurs de chaleur utilisés dans les procédés industriels et en énergétique du bâtiment et des

transports repose sur plusieurs critères :

la fonction de l’échangeur : comme nous l’avons précisé dans le paragraphe précédent, de nombreuses

fonctionnalités peuvent être associées aux échangeurs. Elles sont de première importance dans la

classification des échangeurs car elles conditionnent généralement les paramètres importants tels que la

nature des fluides, leur pression et température de fonctionnement. Une catégorie particulière d’échangeur

doit être signalée : ce sont les régénérateurs qui présentent la particularité d’assurer le transfert de chaleur

entre deux fluides grâce à une phase de stockage thermique cyclique.

les fluides qui transitent dans les échangeurs : on distinguera les fluides sous les phases liquides et gazeuses :

parmi les gaz, on oppose fréquemment les usages qui font appel à l’air ambiant (à la pression atmosphérique)

et les gaz de procédés qui peuvent être sous pression voire à pression sub-atmosphérique. Le critère

« fluide » est essentiel car les propriétés thermophysiques des fluides peuvent se distinguer très fortement:

masse volumique, conductivité thermique, viscosité cinématique et enfin capacité thermique. Il conditionne

également le choix des matériaux à privilégier notamment sur les aspects « corrosion ».

Par ailleurs, les fluides peuvent se présenter sous la forme de deux phases à l’équilibre – liquide/vapeur,

liquide/solide, solide/vapeur – et bien entendu sous la forme de mélanges de plusieurs composants en une

même phase voire sous la forme de plusieurs phases.

les conditions de fonctionnement de l’échangeur thermique que l’on peut essentiellement traduire par les

paramètres :

pression nominale et minimale/maximale de service,

température nominale et minimale/maximale de service,

puissance thermique nominale

les débits massiques et volumiques des fluides

Ces quatre paramètres déterminent les limites à prendre en compte dans les calculs réglementaires et

conditionnent en grande partie les technologies à privilégier. Ces paramètres sont essentiellement conditionnés

par les procédés dans lesquels s’intègrent ces équipements.

les paramètres technologiques relatifs à l’échangeur thermique que nous pouvons résumer par :


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Figure I-10 : Classification des échangeurs thermiques (à surface) en fonction de la technologie de fabrication


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4. Les technologies d’échangeur avec l’air atmosphérique comme fluide secondaire

L’utilisation d’échangeurs sur l’air atmosphérique est excessivement fréquente que ce soit dans les procédés

industriels (aéro réfrigérant), dans les applications automobiles et transport (radiateur, réchauffeur habitacle …), le

génie climatique (évaporateur et condenseur des circuits frigorifiques), …

Les technologies courantes sont :

les batteries à ailettes continues pour les usages à basses et moyennes températures dans le domaine

industriel et du génie climatique ;

les échangeurs à mini canaux en aluminium traditionnellement dédiés aux applications automobiles

et plus récemment aux équipements du génie climatique du bâtiment ;

les faisceaux de tubes et ailettes discontinues pour les applications industrielles réclamant des

équipements robustes ou des niveaux de température plus élevés


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4.1 Batteries à ailettes continues

Fonctions de

l’échangeur

Fluides Conditions

d’usage

vue de face d’une batterie sur eau

(centrale de traitement d’air)

Vue d’une batterie sur fluide frigorigène

(groupe de réfrigération)

-Evaporateur ou condenseur de pompes à chaleur ou groupe de froid -Refroidisseur ou réchauffeur d’air pour centrale de traitement d’air -Batterie d’aéro-réfrigérant

Air atmosphérique

Température : -50°C/+200°C

Pression coté tube: plusieurs dizaines de bar (limite imposée par la tenue du tube)

-Fluide frigorigène,

-Eau, eau

glycolée, etc.

- Fluide thermiques

Débit : Air : de 10 à 1000000 m3/h

Puissance : de quelques centaines de W à plusieurs dizaines de MW


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Eléments de

conception

Distributeur pour évaporateur Dispositif de distribution diphasique pour évaporateur

Collecteur pour échangeur monophasique Circuitage des tubes par mise en place des raccords en U

-Collecteurs d’entrée : Prévoir un distributeur sur fluide diphasique en entrée d’évaporateur -Circuitage des tubes : Réalisation des circuits indépendants par ajustement de la géométrie du distributeur, des raccords en U et du collecteur de sortie


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6. Les technologies d’échangeurs pour liquide

Les échangeurs liquide/liquide ou avec fluides à changement de phase constituent une famille très importante pour

les applications industrielles : la plupart des fonctions sont représentées par ces équipements et les fluides mises en

œuvre sont évidemment très divers.

Les technologies courantes sont :

les échangeurs à tubes et calandre

les échangeurs à plaques et joints

les échangeurs à plaques brasées

les échangeurs à plaques soudées

6.1 Les échangeurs à tubes et calandre

Pour une description complète et exhaustive de cet échangeur (Composant, construction, typologie, choix des

configurations TEMA…etc.), nous renvoyons le lecteur au TOME 4 de l’e.Book.

Fonctions de

l’échangeur

Fluide Conditions d’usage

Schéma d’un échangeur à tubes et calandre

Evaporateur Condenseur Réchauffeur ou refroidisseur liquide

Tout liquide oui fluide à changement de phase

Température : -200°C/+600°C

Pression atmosphérique Jusqu’à plusieurs centaines de bar coté tube Plusieurs dizaine de bar coté calandre

1. Faisceau tubulaire 2. Calandre 3. Raccord évent 4. Raccord vidange 5. Chicane 6. Fond 7. Joints d’étanchéité

8. Plaques tubulaires 9. Plaque de séparation 10. Boîte avant 11. Boîte arrière 12. Déflecteur d’entrée 13. Collecteur entrée et sortie

Débit : Jusqu’à 10000 m3/h

Puissance : de quelques dizaines de kW à plusieurs centaines de MW


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CHAPITRE 2 : Méthodes de dimensionnement

Dans ce chapitre, on présente successivement :

Les principales équations régissant le calcul d’un échangeur thermique : bilan thermique, équations de

transfert, équations de perte de pression

Les différentes représentations de l’évolution des températures des fluides dans l’échangeur : courbe

température-enthalpie, représentation température-longueur de l’échangeur…

Les méthodes classiques de calcul d’échangeurs thermiques : méthode de l’écart de température

logarithmique et de l’efficacité-NUT

1. Dimensionnement, sélection et diagnostic de fonctionnement d’un échangeur thermique

L’ingénieur est amené à effectuer un certain nombre d’évaluation concernant les échangeurs thermiques. Ces

opérations concernent l’une ou l ‘autre des phases suivantes :

la sélection d’un échangeur thermique : elle est de loin la phase la plus fréquente lorsque l’on est confronté à

la conception et la réalisation d’une installation thermique complète et que l’on peut intégrer dans cette

installation des échangeurs « standards ». Cette opération suppose que l’on connaisse :

des paramètres spécifiques du procédé en particulier les fluides

les conditions de fonctionnement et les performances requises de l’échangeur : les puissances,

les débits, les pertes de pression sur ces fluides, les températures d’entrée, la pression …

On aboutit alors à la sélection d’un appareil « standard » qui remplit l’ensemble des performances et des conditions

requises. En général, l’appareil n’est pas nécessairement optimisé pour l’application visée mais par contre il présente le

grand intérêt d’un coût acceptable car il est en général produit en nombre important. Cette opération utilise des outils

simples: fiches ou logiciels de sélection rédigés ou développés par les fabricants d’échangeurs.

le dimensionnement d’un échangeur thermique : il est réalisé par les fabricants d’échangeurs ou par les

bureaux d’études. Il suppose que l’on connaisse :

les paramètres spécifiques du procédé

les conditions de fonctionnement et les performances requises de l’échangeur

les contraintes particulières du projet : encrassement, encombrement,…

Il en découle la définition des paramètres géométriques caractéristiques de l’échangeur : surface d’échange à installer

(longueur et nombre de tubes ou de plaques…), configuration des circuits de l’échangeur…


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Chapitre 2 : Méthodes de dimensionnement


2. L’équation de bilan énergétique

Dans un échangeur thermique, circulent généralement deux fluides qui peuvent se présenter sous différentes formes :

monophasique (simple phase (SP)), c’est à dire sous une phase unique qu’elle soit vapeur, gaz ou liquide.

L’échange de chaleur, ou puissance thermique en simple phase 𝑄 𝑆𝑃 (W), est réalisé sous forme de chaleur

sensible et le bilan d’énergie s’exprime par l’équation classique qui prend en compte le débit massique du

fluide 𝑀 (kg/s), la capacité thermique massique Cp (J/kg.K) et de la variation de la température moyenne

du fluide ∆T (K) :

𝑄𝑆𝑃 = 𝑀 × 𝐶𝑝 × 𝑇𝑒 − 𝑇𝑠 = 𝑀 × 𝐶𝑝 × ∆𝑇

diphasique (ou en double phase (DP)) c’est à dire sous la forme d’un mélange de deux phases qui peuvent

être liquide-vapeur pour un condenseur ou évaporateur, liquide-solide dans le cas de refroidisseur

utilisant des frigoporteurs de type « sorbet de glace ». par exemple. L’échange de chaleur est réalisé :

exclusivement, sous forme de chaleur latente de changement de phase lorsque le

fluide diphasique est pur (ou en mélange dans sa composition azéotrope). Le bilan

d’énergie s’exprime alors par l’équation classique à partir du débit massique du

fluide 𝑀 (kg/s), de la chaleur latente de changement de phase ∆ℎ𝐿𝑉 (J/kg) et de la

variation de titre massique d’une des phases (en général la phase vapeur pour un

mélange liquide/vapeur)𝑋𝑉 . Ce titre massique est définit comme le rapport du

débit massique de la phase vapeur (𝑀𝑉 ) au débit massique des deux phases (𝑀 ).

𝑄𝐷𝑃 = 𝑀 × ∆ℎ𝐿𝑉 × ∆𝑋𝑉 𝑒𝑡 𝑋𝑉 =

𝑀𝑉

𝑀

sous forme de chaleur latente et sensible lorsque le fluide diphasique est

constitué d’un mélange dans une composition zéotrope ou non eutectique (sorbet

de glace à base d’alcool, par exemple). Le bilan d’énergie doit alors intégrer ces

deux termes et s’exprime sous forme différentielle par l’équation classique à

partir du débit massique du fluide 𝑀 (kg/s), de la chaleur latente de changement

de phase ∆ℎ𝐿𝑉 (J/kg), de la variation de titre d’une des phases 𝑋, des chaleurs

sensibles de chacune des phases Cp (J/kg.K) et la variation de température de

saturation du mélange 𝑑𝑇𝑠𝑎𝑡 (K).

𝑄𝐷𝑃 = 𝑀 × [ 𝑋𝐿 × 𝐶𝑝𝐿 × 𝑑𝑇𝑠𝑎𝑡 + ∆ℎ𝐿𝑉 × 𝑑𝑋𝑉/𝑠 + 𝑋𝑉/𝑆 × 𝐶𝑝𝑉/𝑆 × 𝑑𝑇𝑠𝑎𝑡 ]

𝑋𝑉 =𝑀𝑉

𝑀 ; 𝑋𝐿 =

𝑀𝐿

𝑀 = 1 − 𝑋𝑉 ; 𝑋𝑆 =

𝑀𝑆

𝑀 = 1 − 𝑋𝐿


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Chapitre 2 : Méthodes de dimensionnement


5.3 Une méthode de représentation spatiale de l’évolution des températures des fluides dans un échangeur.

La représentation des évolutions de températures moyennes des fluides en fonction d’une grandeur spatiale (par

exemple, x, la distance d’un des fluides par rapport à l’entrée de l’échangeur) suppose la résolution simultanée des

deux équations :

équation de bilan énergétique

équation de transfert de chaleur

La figure II.4 représente pour un échangeur à courant de fluides parallèles à co-courant, les principales variables à

prendre en compte dans ces équations et l’évolution des températures des fluides par rapport à la grandeur x.

Figure II.4 : Evolution des températures moyennes des fluides dans un échangeur à courants parallèles à co-courant

L’écriture des équations d’énergie et de transfert, pour un échangeur à co-courant, est la suivante :

𝑑𝑄 = 𝑀𝑐 × 𝐶𝑝𝑐 × 𝑑𝑇𝑐 = −𝑀ℎ

× 𝐶𝑝ℎ × 𝑑𝑇ℎ

𝑑𝑄 = 𝑈 × ∆𝑇 × 𝑑𝐴


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Partie 2 : Outils de calcul et Etudes de cas

CHAPITRE 3 : Eléments de thermique : conduction & convection

Ce chapitre est constitué d’un rappel des principes de transfert de chaleur et d’une présentation des principales lois

et corrélations pour les modes suivants :

En conduction car les échangeurs de chaleur à contact indirect (avec paroi d’échange) sont le siège de

transferts conductifs que ce soit au travers des parois ou des ailettes,

En convection en simple phase, car ce mode est dimensionnant pour la plupart des échangeurs

thermiques présentant au moins un de ces fluides en simple phase (gaz ou liquide)

En convection diphasique avec transfert par condensation ou évaporation

Le mode de transfert radiatif n’est pas abordé dans cette partie du document

1. La conduction thermique

1.1 Loi de Fourier

La conduction est le mode de transfert de chaleur d'un point d'un corps (indéformable ou non mais fixe) à une

certaine température à un autre point à plus basse température ou d'un corps à température donnée vers un autre

corps à plus basse température en contact physique avec le premier.

Le mécanisme de transfert par conduction est un phénomène d'ordre moléculaire:

dans le cas des gaz, on note que les molécules possèdent l'énergie cinétique la plus élevée dans les

zones les plus chaudes: les molécules de plus forte énergie en état de mouvement désordonné

percutent les molécules de plus faible énergie et leur transfèrent une fraction de leur énergie et

quantité de mouvement. Si le système est isolé de l'extérieur, l'énergie cinétique des molécules tend à

s'homogénéiser dans le système gazeux et les transferts de chaleur s'annuler.

dans le cas des métaux, le transfert par conduction est réalisé par le flux d'électrons libres du point

chaud et du point froid: une analogie évidente existe avec le phénomène de conduction électrique.

dans le cas des matériaux isolants, de structure moléculaire fort différente des métaux, le transfert

est réalisé par l'excitation des molécules autour de leur position d'équilibre.

L'analyse des phénomènes de conduction est réalisée exclusivement au niveau macroscopique: c'est cette analyse qui

permet d'accéder aux lois indispensables aux calculs classiques de conduction à travers des parois: l'élément ou le

point qui est considéré‚ dans la suite est constitué‚ d'un nombre important de molécules dont l'état est décrit par des

valeurs moyennes dans le temps et dans l'espace.


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CHAPITRE 3 : Eléments de thermique : conduction & convection

Nous examinons, dans ce chapitre, quelques cas particuliers simples dont la résolution passe par une méthode

analytique élémentaire mais dont les applications sont omniprésentes dans la pratique. Ce sont les cas d’une paroi

plane simple, de parois accolées, de parois composites et enfin du cylindre creux.

1.4.1 La paroi simple

C'est un milieu limité par deux plans parallèles dans lequel la chaleur se propage uniquement suivant la normale à ces

plans. On rencontre des géométries similaires dans les parois métalliques d’un échangeur à plaques.

Figure III.3.1 - Représentation schématique de la paroi simple (avec la représentation des résistances thermiques en

série)

Nous allons examiner deux cas caractérisés par des conditions aux limites différentes: le premier est relatif à des

parois maintenues à des températures Tp1 et Tp2 uniformes, constantes et connues. Le second est relatif à des parois

immergées dans des fluides à températures constantes et connues T1,T2 avec lesquels l'échange thermique convectif

se réalise avec les coefficients d'échange h1 et h2.

L'équation de la chaleur s'écrit dans les deux cas :


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PARTIE 2 : OUTILS DE CALCUL ET ETUDES DE CAS

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Chapitre 4 : Outils de dimensionnement et de simulation thermiques

CHAPITRE 4 : Outils de dimensionnement et de simulation des échangeurs thermiques

Nous l’avons vu plus avant dans cet ouvrage, le dimensionnement des échangeurs de chaleur est une opération

complexe qui nécessite la connaissance de nombreux paramètres, nombreuses lois d’échange et de frottement, et

évidemment des différentes méthodes de calcul.

Pour autant il est essentiel de proposer des échangeurs adaptés, correctement dimensionnés et réalisés : ceci est

une condition indispensable pour obtenir des efficacités énergétiques élevées dans les procédés industriels. L’étape

de dimensionnement passe inéluctablement - outre la maitrise des méthodes de calcul – par la connaissance des

différents outils spécifiques de sélection, de dimensionnement et de diagnostic des échangeurs thermiques

A l’évidence, nous l’avons vu tout au long de cet ouvrage, le dimensionnement d’échangeur est une étape critique

pour plusieurs raisons qui sont :

Grande diversité des technologies et des géométries d’échangeur

Complexité des phénomènes mis en jeu (nature des échanges thermiques, phénomènes

d’encrassement, etc.)

Méconnaissance et imprécisions des lois d’échange thermique et de perte de charge avec des domaines

de validité parfois mal définis et une précision médiocre dans l’évaluation

Nous proposons dans ce chapitre la présentation des principaux outils modernes de calcul d’échangeurs thermiques

1. Les logiciels développés par les fabricants et ingénieries pour des usages internes

Dans le domaine des échangeurs de chaleur, les problèmes de dimensionnement de ce composant primordial et

essentiel concernent avant tout le traitement des aspects thermo-hydrauliques. La complexité du problème de calcul

thermique des échangeurs, nous l’avons vu, vient de plusieurs facteurs et contraintes, notamment la diversité des

technologies des appareils et la nature de la physique des écoulements. De plus, à ces contraintes s’ajoute la difficulté

d’avoir en sa possession un logiciel basé sur une méthode de calcul dont l’utilisateur doit parfaitement maîtriser les

hypothèses, les méthodes et les paramètres. Il faut donc pour cela :

caractériser un modèle d’écoulement, surtout lorsque celui-ci est complexe ;

choisir des corrélations physiques adaptées : ce problème peut être précisément résolu par les fabricants

en réalisant des campagnes d’essais qui permettent d’établir des corrélations propres à chacune de ses

gammes d’échangeurs. Il est plus difficile pour les exploitants qui bénéficie de l’utilisation de technologie

issue de plusieurs fabricants : dans ce cas, ils peuvent alors se rapporter aux corrélations qui sont

présentées dans la littérature ;

adopter un algorithme de résolution : on peut en effet choisir des algorithmes de type dimensionnement

ou de type simulation qui utilisent des méthodes analytiques ou numérique ;


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2. L’offre commerciale des logiciels de dimensionnement échangeurs

Nous présentons plus spécifiquement l’offre des principaux outils/logiciels de dimensionnement échangeurs

disponibles sur le marché actuel. Nous nous attachons à détailler leurs différentes fonctionnalités, spécificités, leurs

avantages et inconvénients ainsi qu’un ordre de grandeur du cout de ces logiciels, tout en apportant un avis

d’expert/critique sur leurs utilisations et leurs utilités.


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2.4 Les logiciels du GRETh

Un des objectifs du GRETh, Groupement pour la Recherche sur les Echangeurs Thermiques, est de mettre à la

disposition des industriels des moyens pour le dimensionnement thermique d'échangeurs de chaleur. Le GRETh

répond à cet objectif par le biais de deux logiciels connus dans le domaine : CETUC et CEPAJ qui sont présentés ci

dessous.

Logiciel CETUC

Le logiciel CETUC s'applique aux échangeurs de type tubes et calandre (Shell and Tubes), présentant les

caractéristiques géométriques suivantes:

Un nombre quelconque de passes côté tubes,

Une passe côté calandre (type TEMA-E),

Des chicanes de type simple segment.

La dernière version du logiciel autorise l'utilisation des fluides suivants :

Des liquides en simple phase ;

Des gaz en simple phase ;

Des liquides en évaporation du côté tubes ;

Des vapeurs en condensation du côté tubes et côté calandre ;

Des mélanges de vapeurs en condensation avec ou sans incondensable du côté tubes et (ou) côté

calandre.

Trois types de calculs peuvent être effectués à l'aide du logiciel CETUC :

la simulation : connaissant la géométrie, les fluides, les conditions de fonctionnement à l'entrée, le logiciel

calcule les conditions à la sortie de l'échangeur ainsi que les caractéristiques dans l'échangeur (coefficients

d'échange, températures, vitesses, pertes de pression...) ;

le paramétrage : connaissant la géométrie, les propriétés physiques, les conditions de fonctionnement, le

logiciel évalue les effets, sur les performances globales de l'échangeur, de la variation d'une donnée

caractéristique telle que le diamètre de la calandre, la longueur des tubes, le débit d’un fluide ou la

résistance d'encrassement d’un côté ;

la recherche de longueur : connaissant la géométrie, les propriétés physiques, les conditions de

fonctionnement à l'entrée, l'utilisateur spécifie les conditions de sortie de l'échangeur désirées puis le

logiciel recherche la longueur nécessaire pour satisfaire ces conditions.

http://www.greth.fr/

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Le logiciel CETUC est connecté à DATAPHY, pour les propriétés physiques de fluides purs, et à DATAMAT, pour les

propriétés thermiques de matériaux : deux banques de données développées au GRETh. L’accès à ces banques de

données facilite l'introduction des données pour le logiciel CETUC. Le logiciel peut également reprendre les données

de propriétés physiques calculées par ProPhy, la base de données pour les calculs de propriétés thermodynamiques et

d’équilibre entre phases développée par l'I.G.C. de Toulouse. Ce couplage permet à l’utilisateur de calculer

automatiquement les propriétés physiques de mélanges de fluides choisis parmi les 460 fluides de la base ProPhy ou

les 1200 fluides de la base de données DIPPR (Design Institute for Physical Properties Data). Les propriétés physiques

peuvent aussi être directement saisies par l’utilisateur, dans le cas d’un fluide spécifiques qui n’est pas inclus dans les

différentes bases de données mentionnées ci-dessus.

Ce logiciel est certes peu convivial d’apparence à causede l’interface de développement sous DOS. Néanmoins, il reste

très intuitif et donc simple d’utilisation et de prise en main. Les méthodes de calcul (algorithme ; corrélations) ont été

développé par le CEA-GRETh (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives) et ont fait l’objet de

vérifications de résultats à partir d’expérimentations. Le logiciel offre aussi une totale transparence en ce qui concerne

les corrélations de calculs retenues et offre par ailleurs la possibilité de choisir parmi plusieurs corrélations

préprogrammées ou alors de mettre à jours les corrélations de calcul de coefficient d’échange et de perte de charge si

l’utilisateur le souhaite.

Le logiciel n’offre, certes, pas la même prestation que HTRI et ASPENTECH EDR mais permet de traiter les classes du

TEMA les plus couramment utilisés. Les résultats comparés aux logiciels HTRI sur des cas dit « simples » permettent

d’obtenir une différence inférieure à 5%.

Le logiciel CETUC est distribué gratuitement et uniquement aux adhérents du GRETh sur simple téléchargement à

partir du portail informatique du GRETh (plus d’information sur www.greth.fr / contact : [email protected]).

Logiciel CEPAJ

Le logiciel CEPAJ s'applique aux échangeurs de type Plaques et Joints (Plates And Gaskets). Ce logiciel développé par le

GRETh depuis 1989 est destiné à la Conception des Echangeurs à Plaques et Joints.

La dernière version de CEPAJ présente les spécifications de calculs possibles suivantes :

Fluides newtoniens en simple phase à l'état liquide ou gazeux ;

Ebullition / Condensation de fluides purs ;

Circulation mono-passe des deux côtés à co ou contre-courant avec circulation en U ou en Z ;

Circulation multi-passes avec un nombre égal de passes des deux côtés (limité à 5).

En ce qui concerne le mode de dimensionnement, le logiciel CEPAJ est fondé sur une méthode de vérification (rating) :

l'utilisateur ayant spécifié les caractéristiques des fluides circulant dans l'échangeur, la géométrie et les conditions de

fonctionnement à l'entrée et à la sortie, CEPAJ calcule le rapport de surdimensionnement (Rs) et les pertes de pression

des deux circuits de l'échangeur :


mailto:[email protected]

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si ce rapport Rs est supérieur à 1, l'échangeur est surdimensionné thermiquement ;

si ce rapport Rs est inférieur à 1, l'échangeur est sous-dimensionné thermiquement.

Une fonction supplémentaire de conception (design) permet le dimensionnement des échangeurs. Les données de la

plaque étant spécifiées, le module de conception "à partir d'une plaque" recherche le nombre de plaques minimum

répondant aux services hydraulique et thermique et évalue les solutions pour un nombre de passes allant de un à cinq.

La méthode de dimensionnement thermique de CEPAJ est basée sur la construction du diagramme enthalpie-

température et présente les étapes suivantes :

Spécification du fonctionnement de l'échangeur : propriétés physiques des fluides, débits, températures

d'entrée et de sortie des deux fluides.

Construction du diagramme enthalpie-température : calcul des courbes de température en fonction de

l'enthalpie pour chaque fluide puis juxtaposition de ces courbes sur un même diagramme, à partir des

températures d'entrée et de sortie des deux fluides. Il est donc possible d'associer à chaque valeur de

température du fluide froid la température du fluide chaud dans l'échangeur, indépendamment de toutes

considérations sur la géométrie du canal. Cette propriété constitue l'originalité de la méthode employée

dans le logiciel.

Lorsque le diagramme est construit, la méthode se poursuit par le découpage de l'espace enthalpie-

température en plusieurs zones puis l'évaluation des coefficients d'échange thermique locaux côté froid et

chaud sur chacune de ces zones. Cette étape nécessite la connaissance de la géométrie de chaque plaque

et d'une corrélation adaptée;

Sur chaque zone, l'écart de température entre les fluides, la puissance apportée aux fluides et les

coefficients d'échange thermique locaux sont connus; la surface totale nécessaire à l'extraction de la

puissance peut donc être calculée par sommation des surfaces nécessaires sur chaque zone. Par

comparaison avec la surface réelle de l'échangeur (Sr) qui est une donnée géométrique, le logiciel fournit

le rapport de dimensionnement Rs = Sr/Sn.

Comme son homologue CETUC, l'introduction des propriétés physiques des fluides est facilitée par le couplage de

CEPAJ avec les banques de données DATAPHY, PROPHY et DIPPR.

Là aussi, le logiciel ayant été développé dans les années 90, l’interface est d’apparence peu conviviale (DOS) mais

étant intuitifet clair, sa prise en main est rapide et permet d’obtenir de bons résultats via des méthodes et des

algorithmes de calculs développées spécifiquement par le GRETh et le CEA.

Le logiciel CEPAJ est distribué sur demande en format CD-ROM et uniquement aux adhérents du GRETh (plus

d’information sur www.greth.fr / contact : [email protected]).



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Chapitre 4 : Outils et exemples de dimnesionnement


2.5 Application EchTherm (fournie avec le e.Book)

Cette application est exclusivement diffusée aux adhérents du GRETh via cet ouvrage.

EchTherm est facile d'emploi (et de prise en main) et intègre une nouvelle démarche avec une approche du

dimensionnement via des outils d’ingénierie de base, celle-ci a été voulue plus progressive (pas à pas) elle est basée

sur la thématique suivante :

« De la technologie vers le dimensionnement des échangeurs »

Cette nouvelle approche est programmée sous un logiciel performant et qui a montré son utilité dans le domaine de

l’ingénierie. Il permet une résolution précise des équations programmées ainsi que la création d’une interface

graphique conviviale et homogène entre chaque outil.

Outre l’aspect calcul des différents paramètres utiles au dimensionnement des échangeurs de chaleur (coefficient

d’échange en monophasique, en condensation et en ébullition) ; perte de charge…etc.), ce logiciel intègre de

nouveaux outils et permet ainsi :

d’aider au choix d’une technologie d’échangeur adaptée à un processus industriel et à ses contraintes –

Fiche de Choix Technologique ;

de dimensionner ou simuler les performances d’un échangeur de chaleur par des méthodes simplifiées –

Fiche de Simulation/Dimensionnement d’échangeurs ;

d’apporter une expertise sur les méthodes/corrélations pour le calcul des paramètres thermo-

hydrauliques (coefficient de transfert et pertes de charge) – Fiche Expertise :

d’aider au diagnostic du fonctionnement d’un échangeur thermique en conditions dégradées – Fiche

Diagnostic.

EchTherm est actuellement fourni, dans sa version 2017, avec l’ouvrage e.Book et offre l’accès à une centaine d’outils

de calculs différents :

- Fiches de Choix Technologique – Détermination des technologies d’échangeurs adéquate aux différentes contraintes d’un process :

- Ecoulement liquide/Liquide : échangeur tubulaire, à plaques et joint classique ou à large

canal (type WideGap® ou Freeflow®), plaques brasées, plaques soudées, spiralées.

- Ecoulement gaz/liquide (récupérateur gaz liquide) : Batterie à ailettes continues, à ailettes

circulaires discontinues et à micro-canaux ;

- Ecoulement gaz/gaz (récupérateur gaz/gaz): échangeurs à plaques double flux, échangeurs à

caloducs, circuit hydraulique avec deux batteries à ailettes.

- Aide au choix d’une configuration TEMA pour les échangeurs à tubes et calandre


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- Fiches de Simulation (Rating) /Dimensionnement (Design) d’échangeurs : -Echangeurs de type batterie de tubes à ailettes circulaires discontinues (monophasique,

ébullition interne, condensation interne) ;

- Echangeurs de type batterie de tubes à ailettes circulaires continues (monophasique,

ébullition interne, condensation interne) ;

- Echangeurs de type faisceau de tubes lisses (monophasique, ébullition interne, condensation

interne) ;

- Echangeur coaxial droit en écoulement monophasique, ébullition ou condensation interne ;

- Echangeurs à plaques et joints en écoulement monophasique, ébullition ou condensation ;

- Echangeurs à tubes et calandre (Type E) pour écoulement monophasique en co-courant ou

contre courant – 1 passe ;

- Echangeurs à tubes et calandre (Type E) pour écoulement monophasique pour 2 passes – 1ère

passe co-courant (faisceau droit ou en U) ou 4 passes.

- Echangeurs à tubes et calandre (Type E) à contre courant -1 Passe côté tube – pour ébullition

interne ou condensation interne avec écoulement extratubulaire monophasique ;

- Echangeurs de type Kettle reboiler (Type TEMA BKU) pour ébullition extratubulaire -2 Passes

côté tube avec (tube en U) et écoulement en condensation ou monophasique intratubulaire ;

- Echangeurs à plaques et ailettes (droite perforée ou OSF) pour écoulement monophasique,

ou avec ébullition ou condensation d’un des deux fluides ;

- Echangeurs de type batterie à ailettes persiennées avec canaux plats pour des écoulements

monophasique ;

- Echangeurs de type batterie à ailettes persiennées à mini-canaux pour écoulement

monophasique ou condensation du fluide interne ;

- Faisceau de caloducs ou de thermosiphon ailetés pour écoulement externe monophasique ;

- Echangeurs de type serpentin hélicoïdal dans une calandre pour des écoulements

monophasique.

- Fiches Expertise - Calculs des coefficients d’échange et des pertes de charge pour la majorité des cas traités dans l’industrie :

- Fiches pour les écoulements monophasiques :

Conduite circulaire ou non (rectangulaire, annulaire, tube corrugué, plaque, plaque et ailette,

tube aileté, inserts hélicoïdaux), à travers des faisceaux de tubes lisses ou améliorés (ailettes

basses, hautes ; continues et discontinues ; ailettes lisses ou améliorées (gaufrées,

persiennées)).

- Fiches pour les écoulements en condensation :

Pour des fluides purs (condensation externe sur des plaques planes, des tubes lisses ou tubes

améliorés ; condensation intra-tubulaire pour des tubes lisses ou améliorés) + Méthode de

Wilson pour des mélanges de vapeur.

- Fiches pour les écoulements en ébullition :

Ebullition intratubulaire avec Méthode avancée pour les fluides frigorigènes (carte

d’écoulement de Thome, Kattan…etc.), ébullition en vase sur tube lisse, aileté et à hautes

performances (GEWA T, THERMOEXEL E, revêtements poreux, Turbo BII HD), échangeurs à

plaques à chevrons et à plaques et ailettes.

E.BOOK – TOME 1



- Fiches pour les écoulements diphasiques:

Calcul du taux de vide et de pertes de charge en diphasique.

Calcul du transfert de chaleur et des limites de fonctionnement pour des caloducs et

thermosiphons.

- Fiches Diagnostic : -Pour évaluer l’impact de distorsion de flux d’air en amont d’un récupérateur avec un

circuitage simple et un circuitage plus complexe ;

- Fiches pour estimer le cout des échangeurs;

- Pour évaluer les problèmes de vibrations dans les échangeurs tubulaires ;

- Pour réaliser un rapide calcul mécanique des plaques de support de tubes ;

- Pour évaluer les problèmes de dilatation thermique différentielle d’un échangeur tubulaire.

- Fiches d’outils supplémentaires – TOOLS+ :

EchTherm inclus aussi des outils supplémentaires comme :

- Une application qui réalise des bilans sur CTA (Centrales de Traitement d’Air) : calcul du point

de soufflage, tracé des évolutions de l’air à partir des différents choix d’opérations unitaires

(batterie chaude, batterie froide (avec ou sans déshumidification), humidificateur (à vapeur ou

adiabatique)) ;

- Une application qui permet le calcul rapide de l’écart de température moyen logarithmique

en fonction de la configuration de l’échangeur ;

- Une application qui permet de réaliser rapidement le calcul de débit ou des températures par

bilan de conservation d’énergie, ainsi que le calcul de la surface d’échange par la connaissance

de la typologie de l’échangeur (Valeur usuelle de U) ;

- Une application qui permet le calcul rapide d’une perte de charge due à une singularité ;

- Une application qui permet de réaliser rapidement le calcul des débits, des températures,

puissances, efficacités d’échangeurs d’une boucle thermique munie de deux échangeurs ;

- Une application qui permet le calcul rapide du facteur correctif F du ∆Tln ;

- Une application qui permet d’évaluer les principales propriétés thermophysiques de fluide ou

des métaux à l’état solide ;

- Une application qui permet de connaitre les propriétés d’émissivité et d’absorptivité d’un

milieu semi-transparent ;

- Une application qui permet d’appliquer la méthode du pincement (pinch method) ;

- Une application qui permet d’évaluer rapidement le coefficient d’échange global pour les

principaux types d’échangeurs ;

- Une application qui permet de réaliser une analyse rapide des performances d’un cycle de

Hirn, de Rankine à fluide organique (ORC) ou d’une pompe à chaleur.

La version 2017 compte ainsi plus d’une centaine d’outils de calcul.

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En ce qui concerne la base de données fluides et le calcul des propriétés thermophysiques, EchTherm est doté des

bases de données incluant plus de 240 fluides. Ce dernier incorpore les principaux fluides utilisées en industrie (Air ;

Eau ; Hydrogène ; Méthane…etc.), environ 40 fluides frigorigènes qui correspondent à la majeurs parties des fluides

frigorigène utilisé (R134a ; R410A ; R245fa ; R1234yf…etc.), des saumures (Ethylène Glycol ; Propylène Glycol; Ethyl

Alcohol ; Methyl Alcohol ; Glycerol ; Ammoniac ; Carbonate de potassium ; Calcium Chloride ; Magnesium Chloride ;

sodium Chloride ; Potassium Acetate…etc), des fluide caloporteurs de type Gilotherm (DowTherm, Fluorinert,

MarloTherm, Therminol, Syltherm,…etc.) et bien d’autres encore. Les principaux matériaux utilisés pour la fabrication

d’échangeurs de chaleur sont également disponibles dans une base de donnée comportant plus de 60 matériau

(Différentes nuances d’aluminium, de cuivre, acier carboné, acier inox (304, 310, 316, 347), titane, cupro-nickel…etc.).

Ce produit peut être considéré comme une véritable « boite à outils » du dimensionnement d’échangeurs. Il est

convivial, simple d’utilisation et répond aux besoins de nombreux ingénieurs, aussi bien experts que débutants. Son

approche « pas à pas » permet une compréhension aisée et rapide des phénomènes mis en jeu dans les échangeurs

thermiques, ainsi que des différents paramètres interagissant dans le dimensionnement d’échangeurs en commençant

par le choix technologique jusqu’à l’analyse fine du choix des corrélations et du fonctionnement en conditions

dégradées.

L’application EchTherm est diffusée exclusivement aux adhérents du GRETh via cet ouvrage (plus d’information sur

www.greth.fr / contact : [email protected]).




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Chapitre 6 : Dimensionnement des échangeurs thermiques – Outils et études de cas

CHAPITRE 5 : Sélection d’une technologie d’échangeurs thermiques - Outils et études de cas

La sélection d’une technologie est une phase essentielle dans le projet d’un système ou d’un équipement

thermique. Les critères techniques et économiques sont nombreux alors que le choix des technologies d’échangeurs

thermiques – comme le montre le chapitre 1 – est varié.

La démarche entreprise pour aider l’ingénieur à assurer une sélection raisonnée est :

d’identifier l’ensemble des critères techniques de choix

de quantifier dans la mesure du possible des critères « qualitatifs » tels que les caractéristiques

encrassantes d’un fluide, les risques associés à des défauts d’étanchéité…

de construire un outil « d’aide à la sélection » dans le cadre de fiches ….

Deux études de cas sont proposées pour aider le lecteur dans l’usage de ces fiches :

Etudes de cas n°1 : choix d’une technologie d’un échangeur de chaleur liquide-liquide

Etudes de cas n°2 : choix d’une technologie d’un échangeur de chaleur liquide-gaz avec une fonction de

récupérateur

1. Identification des caractéristiques d’usage nécessaires à une sélection adaptée d’un échangeur thermique

Nous allons tout d’abord énumérer les différentes caractéristiques qui sont nécessaires pour amorcer les étapes de

choix technologique d’un échangeur thermique. Ces grandeurs sont en premier lieu les données du procédé dans

lequel l’échangeur doit être intégré, puis des caractéristiques associées aux contraintes spécifiques.

NB : Dans ce domaine, l’exhaustivité reste difficile à assurer et nous notons qu’il existe évidemment plusieurs types de

projets : ce peut-être un échangeur intégré dans un procédé où les différents paramètres énoncés par la suite sont bien

connus, ou inversement il se peut que certains d’entre eux ne soit pas immédiatement identifiés.

1.1 Les fluides de transfert, moteur et frigorigène du procédé

En premier lieu, il faut pouvoir définir le plus précisément possible les différentes données du process dans lequel

l’échangeur est prévu d’être intégré. Cela passe inévitablement par la définition des fluides utilisés et de leurs

conditions d’usage.

La définition des fluides du procédé est bien évidemment d’une importance capitale car il permet de définir les

différentes propriétés thermophysiques des fluides qui seront mis en jeu et qui servent aux calculs des différentes

grandeurs dimensionnelles et adimensionnelles.

Pour des échanges monophasiques, les propriétés thermophysiques couramment nécessaires et indispensables pour

les calculs d’échangeurs sont :


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CHAPITRE 6 : Dimensionnement des échangeurs thermiques - Outils et Etudes de cas

Dans ce chapitre nous traitons divers exemples de dimensionnement d’échangeurs à travers des cas d’études dit

« simples » c'est-à-dire sans changement de phase des fluides. Cela permet aux lecteurs en premier lieu de revoir

les bases du dimensionnement sans difficultés particulières. Ces cas simples sont :

Etude de cas n°1 : Echangeur tubulaire coaxial droit

Etude de cas n°2 : Echangeur à Tubes et calandre – Type E – simple passe côté tube et côté calandre

à contre-courant

Etude de cas n°3 : Echangeur à tubes et calandre – Type 1-2

Etude de cas n°4 : Faisceau de tubes - Batterie de tubes à ailettes circulaires discontinues

Etude de cas n°5 : Echangeurs à plaques et joints

Deux études de cas plus complexe complète ce chapitre :

Etude de cas n° 6 : Echangeur avec changement de phase (ébullition) : Récupérateur sur gaz avec tubes à

ailettes circulaires discontinues avec fluide organique en ébullition complète intra-tubulaire – source

thermique pour ORC

Etude de cas n°7 : Echangeur avec changement de phase (condensation) : Echangeur à tubes et

calandre : Condensation complète intratubulaire avec désurchauffe et sous-refroidissement


2. Etude de cas n°2 : Echangeur à tubes et calandre – Type E – simple passe côté tube et côté calandre à contre courant

Nous allons maintenant présenter un exercice de simulation de performances d’un échangeur à tubes et calandre.

Position du problème :

Pour ce cas, il s’agit du dimensionnement d’un échangeur qui a pour fonction de refroidir un effluent liquide par de

l’eau de rivière. L’eau de rivière est la plupart du temps chargée en particules encrassantes: il faut donc prendre en

compte cet effet lors du dimensionnement de l’échangeur.


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CHAPITRE 6 : Dimensionnement des échangeurs thermiques Outils et Etudes de cas

Analyse du cas

Pour réaliser cette simulation, nous allons nous servir du module :

Nous ouvrons la fiche et nous commençons à entrer les caractéristiques géométriques de l’échangeur dans la

première fenêtre.

NB : Comme pour chaque fiche, des illustrations, schémas, aides, tutoriaux et fiches synthétiques explicatives des

méthodes de calculs sont disponibles par simple clic sur les boutons correspondant. Ils vous aideront à comprendre

l’ensemble des calculs réalisés dans cette fiche.

Figure VI.10 : Première fenêtre - Geometrical Input

Une fois l’ensemble de ces paramètres identifiés, cliquez sur le bouton pour accéder à la fenêtre

qui va vous permettre de spécifier les données process :


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Figure VI.11 : Deuxième fenêtre - Process Input


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Comme son nom l’indique, il s’agit d’une feuille de type TEMA où est rappelé l’ensemble des données process et

géométriques. Elle permet aussi de visualiser les résultats de calculs de poids matières et fluides, ainsi que de prix

matière à partir du prix au kg de matière spécifiée dans l’étape 2.

Figure VI.16 : Feuille TEMA


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CONCLUSIONS - TOME 1

CONCLUSIONS DU TOME 1

Ce tome 1 de l’e.Book constitue une introduction qui doit permettre de familiariser le lecteur aux technologies

d’échangeurs thermiques, à leur méthodes de sélection et de dimensionnement et à des éléments de base sur les

transferts thermiques appliqués.

Il est illustré par de nombreuses études de cas utilisant les fiches EchTherm fournies avec cet ouvrage.

Le tome 2 est consacré à des problématiques de diagnostic du fonctionnement des échangeurs de chaleur que nous

présenterons en plusieurs chapitres :

Dégradations mécaniques des échangeurs : Principales causes et remèdes

Diagnostic avancé des performances thermo-hydrauliques des échangeurs

Intensification des échanges thermiques

Encrassement dans les échangeurs : Mécanismes, métrologies et méthode d’analyse de données

Le tome 3 est dédié à des compléments sur les échangeurs, notamment sur le marché des échangeurs de chaleur, une

description des méthodes existantes de calculs du cout des échangeurs de chaleur ainsi qu’un chapitre dédié à

l’optimisation énergétique par la méthode du pincement (Pinch method).

La version 2017 du TOME 4 est dédiée aux échangeurs à tubes et calandre : Il permet de faire une description

exhaustive de ces derniers mais également de passer en revue les spécificités liées à chaque configuration du TEMA. Il

permet également de fournir des règles de conception et de design que ce soit pour des applications monophasiques

ou diphasiques.

Les Tomes suivants seront consacrés notamment aux conceptions spécifiques des échangeurs ainsi qu’aux méthodes

spécifiques de calcul des échangeurs thermiques de différentes technologies (tubulaires, plaques, à ailettes, …) avec

des outils de calcul avancés utilisant les méthodes d’évaluation (lois de transfert et de frottement) les plus à jour.

E.BOOK – TOME 1

Bibliographie

BIBLIOGRAPHIE

DISPONIBLE UNIQUEMENT POUR LES ADHERENTS DU GRETH

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[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

Site internet fournisseurs d’échangeur de chaleur (non exhaustif) :


Site internet fournisseurs de logiciel (non exhaustif) :


Site internet Association (non exhaustif) :


Date post:	12-Sep-2018
Category:	Documents
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