Thermodynamique des échangeurs de chaleur

Cette séance traite de la thermodynamique des échangeurs de chaleur, et explique comment les construire dans Thermoptim.

Les calculs sont basés sur la méthode du NUT, qui ne donne accès qu’au produit UA du coefficient global d’échange par la surface de l’échangeur. Dans la version phénoménologique de Thermoptim, il n’est pas possible de calculer U, faute d’une description géométrique détaillée de l’échangeur.

Cette approche permet déjà toutefois de dimensionner les échangeurs de chaleur qui entrent en jeu dans de nombreux systèmes énergétiques.

Les versions professionnelle et industrielle de Thermoptim comprennent une méthode d’optimisation puissante, dérivée de la méthode du pincement, qui permet de concevoir des réseaux d’échangeurs complexes.

Référence manuel :

Pour suivre la présentation, passez à l’étape suivante

(Séance réalisée le 22/02/05 par Renaud Gicquel)

Échangeurs de chaleur

Configurations

Notations

indice f : fluide froid

indice c : fluide chaud

indice e : entrée d’un fluide

indice s : sortie

Tfe : température d’entrée du fluide froid

m pointé : débit

Paramètres fondamentaux

débits masses mc et mf

températures d’entrée Tce et Tfe et de sortie Tcs et Tfs

coefficients d’échange thermique Uc et Uf

surface A de l’échangeur

propriétés thermophysiques des fluides : Cp, ρ, λ, μ

Hypothèse : Uc et Uf constants

Flux échangé

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGE DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

ÉCHANGEURS DE CHALEUR

PARAMETRAGE

Thermoptim

Échanges thermiques dans une chaudière

Schéma de la centrale avec chaudière

Échangeur surchauffeur

Échangeur vaporiseur

Échangeur économiseur

Échangeur réchauffeur

Synoptique de la centrale avec chaudière

Thermodynamique des échangeurs de chaleur

Cette séance traite de la thermodynamique des échangeurs de chaleur, et explique comment les construire dans Thermoptim. Elle a permis de montrer les points suivants :

Paramétrage des échangeurs

Pour les températures, on peut imposer des contraintes explicites (on fixe par exemple les températures d’entrée des fluides), ou des contraintes implicites (on impose une valeur pour l’efficacité de l’échangeur, ou encore que le pincement soit égal à une valeur minimale).

Pour que le problème soit soluble, il faut fixer un total de cinq contraintes, dont l’une de débit imposé. Si l’une d’entre elles est implicite (efficacité ou pincement imposé), il doit y en avoir quatre explicites (3 températures et 1 débit imposés, ou 2 températures et 2 débits imposés), sinon il en faut cinq (un seul débit ou une seule température

Exemples de construction d’échangeurs

En complément de celui qui vient d’être traité, trois exercices vous montreront comment construire des échangeurs (les hyperliens ci-dessous vous y donnent directement accès) :