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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…
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Échange de chaleur à contact direct liquide-liquideArticle inclus dans l'offre
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2. Dimensionnement
On distingue deux types d’approches pour le calcul hydraulique et thermique d’un ECD :
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une approche globale basée sur l’utilisation de l’écart moyen logarithmique de température (DTLM) et du coefficient d’échange volumique. Ce coefficient permet de s’affranchir de la méconnaissance ou de la difficulté à appréhender la surface d’échange effective entre les phases et de la nature de l’écoulement. L’approche s’applique aux deux types d’ECD, mais nous la regarderons comme la méthode spécifique de dimensionnement des échangeurs surfaciques dont l’hydraulique est particulièrement complexe ;
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une approche locale basée sur l’écriture des bilans de quantité de mouvement et d’énergie des deux fluides dans un volume de contrôle construit sur la section d’écoulement. Le calcul est ensuite étendu à l’ensemble de l’échangeur maillé suivant un réseau à une dimension avec une prise en compte éventuelle du phénomène de dispersion axiale : recirculations locales des fluides. L’approche s’applique uniquement aux ECD volumiques dont la topologie de l’écoulement est mieux connue, puisqu’il s’agit d’une circulation, sous l’effet de la gravité, de particules de nature solide, liquide et/ou gazeuse réparties de façon plus ou moins homogène dans une phase continue. Les méthodes thermohydrauliques multidimensionnelles, de plus en plus utilisées dans le cas des échangeurs classiques, ne sont pas encore bien adaptées à ces systèmes polyphasés. Remarquons que dans le cas où le taux de rétention et le coefficient d’échange surfacique sont constants sur l’ensemble du contacteur, des solutions analytiques sont possibles (§ 3.2).
Dans les deux cas, le bilan thermique est écrit en ne comptabilisant que les termes de grandeurs importants ; sont négligés le terme de conduction dans la phase continue, le terme de travail des forces de pression,...
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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.
-
(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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