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RÉSUMÉ
L'échangeur de chaleur, instrument clé du thermicien ou de l'énergéticien, permet de contrôler la température d'un système ou d'un produit en échangeant de la chaleur entre deux milieux. Ce principe est mis en oeuvre dans de nombreuses applications courantes : chauffage, climatisation, réfrigération, refroidissement électronique, génie des procédés, stockage d'énergie ou production d'énergie mécanique (ou électrique) à partir d'énergie thermique. Dans l'échangeur classique, un fluide chaud transfère une partie de son enthalpie à un fluide froid. Ce type d'échangeur servira de base pour donner les définitions et les paramètres nécessaires à son dimensionnement, ainsi qu'à la compréhension des phénomènes. D'autres types d'échangeurs sont également évoqués.
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André BONTEMPS : Professeur émérite - Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI) - Université Joseph Fourier, Grenoble, France - Actualisation de l'article [B 2 340] écrit par BONTEMPS (A.), GARRIGUE (A.) GOUBIER[nbsp ](Ch.), HUETZ (J.), MARVILLET (Ch.), MERCIER (P.), VIDIL (R.) en 1994 et mis à jour par BONTEMPS (A.) en 2013
INTRODUCTION
L'échangeur de chaleur, instrument clé du thermicien ou de l'énergéticien permet de contrôler la température d'un système ou d'un produit en échangeant de la chaleur entre deux milieux. Il est indispensable dans de nombreuses applications courantes, chauffage, climatisation, réfrigération, refroidissement électronique, en génie des procédés, pour le stockage d'énergie ou la production d'énergie mécanique (ou électrique) à partir d'énergie thermique. Dans l'échangeur classique, un fluide chaud transfère une partie de son enthalpie à un fluide froid. Ce type d'échangeur sert de base pour donner les définitions et les paramètres nécessaires à son dimensionnement ainsi qu'à la compréhension des phénomènes. D'autres types d'échangeurs existent qui sont également évoqués.
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2. Échangeur élémentaire
2.1 Aspect externe : échangeur comme quadripôle
Vu de l'extérieur, un échangeur se présente comme une boîte noire pourvue, comme un quadripôle électrique, de deux entrées et de deux sorties de fluides en écoulement.
Il est bien commode de mesurer les caractéristiques essentielles du fonctionnement de l'échangeur à l'un de ces quatre pôles, plutôt que de faire des mesures, forcément plus délicates, à l'intérieur.
C'est ainsi que nous établissons pour chacun des fluides 1 ou 2 des paramètres mesurables et mesurés à l'entrée et à la sortie de chacun des deux :
-
l'état : liquide, gazeux ;
-
le débit-masse
, constant de l'entrée à la sortie ;
-
la température T, variable dans l'échangeur ;
-
la pression p, peu variable.
Il est entendu que l'on connaît par ailleurs les caractéristiques thermophysiques de chacun des deux fluides et notamment :
-
la capacité thermique massique (chaleur massique) c p ;
-
la masse volumique ρ ;
-
la conductivité thermique λ ;
-
la viscosité dynamique μ ;
ainsi que les lois de variation avec la pression, et surtout avec la température, de ces différents paramètres.
Pour les fluides c p et λ varient peu avec la pression p (pas du tout pour un gaz parfait). En revanche, les variations avec la température T sont souvent d'une grande amplitude.
Par ailleurs, et comme les différents paramètres qui gouvernent le fonctionnement de l'échangeur ont aux entrées-sorties des valeurs privilégiées parce que aisément mesurables, une théorie du fonctionnement interne vise donc à calculer pour chacun des fluides les paramètres essentiels de l'évolution en fonction précisément des valeurs aux entrées-sorties.
Le schéma de principe (figure 1) serait cependant incomplet s'il n'y était adjoint, extérieurement au quadripôle, deux pompes...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHAH (R.K.), SEKULIC (D.P.) - Fundamentals of heat exchanger design. - Wiley & sons, Hoboken, New Jersey, USA, 941 p. (2003).
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(2) - KUPPAN (T.) - Heat exchanger design handbook. - CRC Press, Taylor & Francis group, 1 119 p. (2000).
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(3) - KAKAC (S.), LIU (H.), PRAMUANJAROENKIJ (A.) - Heat exchangers. Selection, rating, and thermal design. - CRC Press, Taylor & Francis group, 615 p. (2012).
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(4) - ANXIONNAZ (Z.), CABASSUD (M.), GOURDON (C.), TOCHON (P.) - Heat exchangers/reactors (HEX reactors) : concepts, technologies : State-of-the-art. - Chemical Engineering and Processing : Process Intensification, 47, p. 2029-2050 (2008).
-
(5) - SACADURA (J.-F.) - Initiation aux transferts thermiques. - Tech & Doc/Lavoisier, Paris, 442 p. (1993).
-
(6) - INCROPERA...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Transmission de l'énergie thermique. Conduction.
-
Convection thermique et massique. Partie 1 : Nombre de Nusselt.
-
Convection thermique et massique. Partie 2 : Nombre de Nusselt.
-
Systèmes diphasiques de contrôle thermique. Thermosiphons et caloducs.
-
...
ANNEXES
Bvents http://www.bvents.com/fr/
Conference alerts http://www.conferencealerts.com/
BaseAcademic resources http://www.ourglocal.com/
All conferences http://www.allconferences.com/
Events & Conference directory http://www.events.einnews.com/
Base de données Fridoc (domaine du froid) http://www.iifiir.org/
Manuel technique GRETh (fiches de calcul, base dataphy) http://www.greth.fr/_
ProSim (propriétés thermodynamiques et simulation de procédés) http://www.prosim.net/fr/logiciels-simulis-thermodynamics-3.php
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Interclima http://www.interclimaelec.com/
Batimat http://www.batimat.com/
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