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Auteur(s)
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Alain BRICARD : Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers - Ingénieur de Recherche au Centre d’Études Nucléaires de Grenoble
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Lounès TADRIST : Docteur ès Sciences Physiques - Directeur de Recherches au Centre National de la Recherche Scientifique - Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels de Marseille
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Lire l’articleINTRODUCTION
À coté des échangeurs de chaleur conventionnels qui assurent un transfert de chaleur au travers d’une paroi matérielle entre deux fluides à des températures différentes, on trouve toute une gamme de dispositifs industriels où la paroi d’échange est supprimée : tours de refroidissement, échangeurs récupérateurs solide-gaz, contacteurs gaz-liquide pour le chauffage d’eau à partir d’effluents gazeux, humidificateurs d’air, condenseurs à bulles et barométriques…. Les échangeurs à contact direct restent cependant assez peu répandus du fait de contraintes intrinsèques et d’une méconnaissance des comportements hydrodynamique et thermique de ces systèmes où interviennent des processus physiques complexes (milieux multiphases en écoulement avec ou sans changement d’état). Il est bien clair que les échangeurs à contact direct ne sont pas une panacée, mais dans certains cas spécifiques ils constituent une alternative intéressante car ils offrent la possibilité de réduire le coût d’investissement et d’accroître les performances d’échange par rapport à un échangeur classique. On présente ici les bases nécessaires à la compréhension et au dimensionnement des échangeurs thermiques fonctionnant sur le principe du contact direct ; mode de transfert de chaleur au demeurant courant dans la nature, puisqu’il intervient, en particulier, dans le cycle de l’eau entre la terre et l’atmosphère par évaporation et condensation, dans la formation de brouillard et de neige dans l’atmosphère, dans la gélification de l’eau des rivières et dans la solidification de la lave, etc…
Pour les notations et symboles, se reporter en fin d’article (p. 29).
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1. Concept de base
1.1 Qu’est-ce qu’un échangeur de chaleur à contact direct ?
C’est un échangeur sans paroi matérielle de séparation entre deux fluides qui circulent à co ou contre-courant (figure 1). L’absence de paroi est une caractéristique intrinsèque de l’échange, ou bien est recherchée pour améliorer certaines qualités propres de l’échangeur. L’interface des deux fluides va se présenter sous deux aspects :
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les phases sont séparées par une interface continue ou par une interface rendue discontinue par l’interposition de nombreux obstacles : c’est le contact direct surfacique ;
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les phases s’interpénètrent de façon homogène par dispersion d’un fluide ou de particules au sein de l’autre fluide : c’est le contact direct volumique.
Les échangeurs de chaleur à contact direct ECD sont ainsi présents dans les opérations de transfert de chaleur et de masse entre un gaz et un liquide réalisées, par exemple, dans les humidificateurs et les tours de refroidissement d’eau. On les trouve dans les contacteurs gaz-solide tels les échangeurs récupérateurs et les échangeurs régénérateurs, et bien sûr comme condenseurs dont l’utilisation remonte au tout début du XXe siècle. Ils interviennent aussi dans certaines applications avec des fluides encrassants ou corrosifs et dans des systèmes où l’écart de température entre les fluides est minimisé en créant une aire interfaciale d’échange élevée ; cette grandeur représentant la surface d’échange disponible par unité de volume d’échangeur.
On convient d’écrire tout couple de fluides en citant d’abord la phase continue (gaz-solide désigne la dispersion d’un solide dans un gaz). Suivant les applications et les domaines de température de travail, tous les couples de fluides non miscibles et chimiquement inertes peuvent être envisagés ; un fluide pouvant conserver son état physique au cours du transfert de chaleur ou se présenter successivement sous plusieurs états (figure 2).
HAUT DE PAGE1.1.1 Avantages et inconvénients
La...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PERRY (R.H.) (coordinateur) - Chemical engineers' handbook. - McGraw-Hill New York 1984.
-
(2) - KOLEV (N.I.) - Fragmentation and Coalescence Dynamics in Multiphase Flows. - Experimental Thermal and Fluid Science 6 p. 211-251 1993.
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(3) - CLIFT (R.), GRACE (J.R.), WEBER (M.E.) - Bubbles, Drops and Particles. - Academic New York 1979.
-
(4) - HESTRONI (G.) - Handbook of Multiphase Systems. - Hemisphere Publishing Corporation Washington New-York London 1982.
-
(5) - WALLIS (G.B.) - One-dimensionnal two-phase flow. - McGraw-Hill 1969.
-
(6) - RICHARDSON (J.S.), ZAKI (W.N.) - Sedimentation and fluidisation. - Trans. Inst. Chem. Eng. Vol. 32 p. 37-53 1954.
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...
ANNEXES
SEILER-MARIE (N.) - Modélisation et simulation des phénomènes d’ébullition et du transfert de chaleur dans la zone d’impact d’un jet sur une plaque chaude. - Institut national polytechnique de Toulouse (2004).
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