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Article de référence | Réf : BE9517 v1

Échangeurs de chaleur - Dimensionnement thermique

Auteur(s) : André BONTEMPS, Jean-François FOURMIGUé

Relu et validé le 24 août 2021

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RÉSUMÉ

Dans cet article, on donne les principes pour dimensionner un échangeur de chaleur et pour évaluer les performances d’un échangeur existant. Deux démarches sont décrites, une démarche analytique et une démarche numérique. Dans la démarche analytique, les deux principales méthodes sont proposées : la méthode dite du DTML (Différence de Température Moyenne Logarithmique) mieux adaptée au dimensionnement et la méthode de l’efficacité – NUT (Nombre d’Unités de Transfert) mieux adaptée à l’évaluation. Pour la démarche numérique, après quelques éléments sur les principes de base des méthodes numériques, l’accent est mis sur des exemples d’utilisations montrant l’aide apportée pour la mise en évidence des problèmes de dimensionnement et de conception (distribution, géométries internes, intensification des transferts de chaleur,…)

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ABSTRACT

Heat exchangers – Thermal rating and sizing.

In this article, the principles of the sizing of a heat exchanger together with that of rating an existing heat exchanger are given. Two approaches are described, an analytical one and a numerical approach. In the analytical approach, the two main methods are proposed: the so-called LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) method more adapted to sizing and, the effectiveness – NTU (Number of Transfer Units) method more adapted to rating. For numerical approach, after some bases about numerical methods, the emphasis is put on examples of utilization showing the given help to the analysis of sizing and possible conception mistakes (distribution, internal geometries, heat transfer intensification…)

Auteur(s)

  • André BONTEMPS : Professeur émérite - Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI) - Université Joseph Fourier

  • Jean-François FOURMIGUé : Ingénieur – Chercheur - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives -

INTRODUCTION

Les outils à la disposition de l'ingénieur pour le dimensionnement d'un échangeur ou pour l'évaluation des performances d'un échangeur existant sont très nombreux et le choix peut alors sembler très difficile. Ils sont en fait très complémentaires et peuvent être utilisés successivement lors d'une démarche de dimensionnement d'un appareil.

Les méthodes analytiques suffisent pour dimensionner un échangeur ou pour évaluer les performances d'un échangeur déjà défini dans le cadre d'un procédé industriel déjà bien maîtrisé et d'une gamme d'équipements classiques déjà utilisés sur un procédé similaire. C'est d'ailleurs sur des méthodes de ce type que sont basés les outils métiers des fabricants. Le plus qu'elles apportent est de s'appuyer sur des bases de données de performances, pertes de pression et coefficients d'échange, basée sur des mesures réalisées sur leurs échangeurs. Les deux principales méthodes, décrites dans cet article, sont la méthode du DTML (différence de température moyenne logarithmique), mieux adaptée au dimensionnement et la méthode de l'efficacité – NUT (nombre d'unités de transfert), mieux adaptée à l'évaluation des transferts de chaleur d'un échangeur déjà défini.

La simulation numérique vient après quand on sort des configurations classiques, en particulier pour les fluides, les régimes de fonctionnement, et que des problèmes peuvent se présenter en termes de distribution ou d'échange thermique local. Les simulations peuvent alors apporter une information beaucoup plus fine avec une représentation 1D, 2D ou 3D des écoulements et transferts de chaleur.

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KEYWORDS

cryogenic   |   petrochemistry

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be9517


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SHAH (R.K.), AFIMIWALA (K.A.), MAYNE (R.W.) -   Heat exchanger optimization.  -  In Proceedings 6th International Heat Transfer Conference, Toronto, Canada, vol. 4, p. 185-191 (1978).

  • (2) - SHAH (R.K.), SEKULIC (D.P.) -   Fundamentals of heat exchanger design.  -  John Wiley and sons, Inc., HOBOKEN (N.J.), États-Unis (2003).

  • (3) - BOWMAN (R.A.), MUELLER (A.C.), NAGLE (W.M.) -   Mean temperature difference in design.  -  Trans ASME, 62, p. 283-294 (1940).

  • (4) - KERN (D.Q.) -   Process heat transfer.  -  2nd Ed., McGraw Hill Book Company, Singapore (1984).

  • (5) - AZBEL (D.) -   Heat transfer applications in process engineering.  -  Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, États-Unis (1984).

  • (6) - CHEN (J.D.), TSAI (S.T.) -   Calculation of mean temperature difference of...

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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


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