Revue du dimensionnement d'un échangeur thermique à plaques.

[bengi73]

Bonjour à tous,

Je suis actuellement en pleine recherches pour mon TIPE qui porte sur la revue de dimensionnement d'un échangeur à plaques.
Sur le système que j'étudie l'industriel c'est imposé un marge de 20% de plaques lors du dimensionnement de cet échangeur. Le problème est que l'échangeur est utilisé dans un milieu "hostile" puisque l'eau utilisée dans le circuit primaire est directement pompée dans un fleuve où l'eau est (très souvent) sale. Les échangeurs s'encrassent donc très rapidement. Le fait est que pendant quelques mois l'eau utilisée est propre et il serait intéressant de voir si les 20% de marges sont réellement utile dans cette situation.
J'aimerais donc savoir le lien qu'il y a entre le coefficient d'échange (h) de l'échangeur et la vitesse à laquelle l'eau circule dans l'échangeur. Il me semble que si la vitesse baisse h baisse aussi mais je ne sais pas comment relier ces deux grandeurs.

Caractéristiques de l'échangeur :

Flow Rate (Total) L/s 804.00 (HOT SIDE) 1020.00 L/s (COLD SIDE)
Flow Rate (Unit) L/s 67.00 (HOT SIDE) 85.00 L/s (COLD SIDE)
Inlet Temperature °C 39.00 (HOT SIDE) 30.00 °C (COLD SIDE)
Outlet Temperature °C 33.00 (HOT SIDE) 34.72 °C (COLD SIDE)
Pressure Drop bar 0.9 1.0 bar
Operating Pressure bar —g 1.47 1.96 bar—g
Total Heat Exchanged kW 20036 (1670 / unit) (20036=1670*4units*3HE/u)
U-Value W/(m²—°C) 6536
Total Heat Transfer Area m² 851.40 (70.95 / unit)
LMTD °C 3.60
Fouling (m²—C)/kW 0.0000
Surface Margin % 20

Merci pour tout,
Benjamin.
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[Thé-Au-Riz]

Bonjour

le coefficient de convection dépends de beaucoup de paramètres et il n'est pas simple d'en trouver une expression. En fait, il s'agit essentiellement de corrélations (paramètre issus de la mesure et seulement valable dans des conditions précises), un modèle prédictif n'existe pas à ma connaissance.

Dans les moteurs, il existe pas mal de corrélations pour un coefficient de convection pour un gaz à haute pression et haute température (Woshni, Han, Heichelberg ... )

Pour l'application aux échangeurs, je connais quelque corrélations qui dépendent du nombre de Nusselt et du régime (laminaire ou turbulent)

Corrélation de Colburn (écoulement dans une condite en régime turbulent)

avec Re le nombre de Reynolds, h le coefficient de convection en et Pr le nombre de Prandtl et D la longueur caractéristique (dans notre cas le diamètre de conduite) et la conductivité thermique du fluide.

Pour un régime laminaire, tube long (L/D>0.1.Re.Pr)



Pour l'échangeur à plaque, je n'ai pas connaissance de corrélation car je n'ai jamais traité de tel sujet, mais en recherchant dans la littérature vous trouverez certainement votre bonheur.

EDIT

Vous pouvez également calculer le coefficient global d'échange de votre échangeur en appliquant la méthode DTLM (différence de température logarithmique moyenne)

[bengi73]

Merci pour votre réponse rapide.

Je vais essayer de me renseigner pour voir si je peux trouver quelque chose. Pour ce qui est de la méthode DTLM c'est bien ce que j'ai utilisé. Le problème que je me pose c'est de savoir si cette marge de 20% est réellement utile étant donné que cela ralenti l'écoulement. Je pense donc que si la vitesse d'écoulement était plus élevée peut être que le coefficient h sera plus élevé. Ce raisonnement vous parait il possible ?

[Thé-Au-Riz]

Bien entendu le coefficient de convection augmente avec la vitesse (on s'en rend bien compte avec un ventilateur, la sensation de froid est la plus élevée à vitesse max car le flux de convection sur la peau est augmenté).

Par contre il faut savoir que l'encrassement conduit à une couche isolante supplémentaire dans la conduite et freine le flux. Cela se traduit par l'augmentation du coefficient d'échange global et dégrade plus ou moins fortement l'efficacité de l'échangeur (estimable par le Nombre d'unité de transfert).

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite2313209787891133]

Bonjour

Cette marge est simplement une pratique "industrielle"; les échangeurs ne sont jamais calculés au plus juste: Pour un léger surcout on se protège d'erreurs de dimensionnement qui auraient un impact financier bien plus conséquent.
Par ailleurs ce coefficient de 6536 me semble très optimiste; un échangeur à plaques à typiquement un coefficient global compris entre 1200 et 2400 W/m2.°C