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Auteur(s)
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André BONTEMPS : Docteur ès sciences - Professeur à l’Université Joseph-Fourier - Groupement pour la Recherche sur les Échangeurs Thermiques (GRETh) - Laboratoire Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) - CEA Grenoble
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Lire l’articleINTRODUCTION
La condensation d'un mélange de vapeurs se produit dans de nombreuses installations industrielles qui couvrent des domaines d'application aussi divers que :
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le génie chimique ;
-
la production de chaleur ;
-
la production de froid.
Dans le premier cas, il est rare que les fluides utilisés dans les procédés soient des corps purs. L’utilisation de mélanges est donc le cas le plus fréquent. Par exemple, en pétrochimie les produits pétroliers sont au départ des mélanges complexes et les différentes opérations de raffinage visent à séparer les différents corps pour ensuite reformer éventuellement des mélanges de composition contrôlée.
Dans les deux derniers domaines les mélanges de fluides ont un double intérêt. D'une part, leur utilisation permet de diminuer les pertes d’exergie dans les évaporateurs et les condenseurs dans certaines configurations. D'autre part, les mélanges sont des candidats intéressants au remplacement des fluides frigorigènes CFC (chlorofluorocarbure) et HFC (hydrofluorocarbure) pour résoudre certains problèmes liés à l'environnement. En effet, la présence de certains de ces fluides dans l’air atmosphérique peut, d’une part, conduire à l’appauvrissement de la couche d’ozone atmosphérique, d’autre part, contribuer à l’effet de serre.
Le calcul des performances thermiques d'un condenseur de mélanges fait appel à deux types de théories. Dans le premier type de théories, dites théories du film, l'accumulation des vapeurs des fluides les plus volatils près de la surface du condensat crée une barrière aux transferts. Ces théories représentent assez bien la réalité, mais peuvent nécessiter un traitement numérique assez lourd s'il y a plus de deux fluides en présence. Dans le second cas, des théories dites à l'équilibre peuvent être utilisées dans certaines conditions expérimentales et pour des fluides obéissant à certains critères. Elles conduisent à des calculs relativement simples.
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3. Bilans différentiels le long d’un condenseur
Compte tenu de la variabilité de la composition du fluide d’un point à l’autre d’un condenseur de mélange, il est très difficile de calculer un coefficient d’échange global moyen à l’aide des méthode classiques du NUT (nombre d’unités de transfert) ou du DTML (différence de température moyenne logarithmique). Le condenseur est donc découpé en mailles élémentaires et, dans le volume de contrôle ainsi défini, on effectue les bilans matière et énergie. Ces bilans s’effectuent en faisant l’hypothèse que l’écoulement principal se fait suivant une direction donnée (direction x) et que la condensation s’effectue normalement à une paroi parallèle à cette direction principale.
3.1 Modélisation du condenseur
L'écoulement du mélange de vapeurs s'effectue dans la direction Ox et le condenseur est découpé en intervalles de longueur dx correspondant à une surface d'échange dA. Les vapeurs se condensent sur la paroi formant un film liquide et libérant ainsi un flux thermique transmis au fluide de refroidissement (figure 4).
HAUT DE PAGE3.2 Bilan matière
Les débit molaires (flux molaires) dans le sens de l'écoulement seront notés
(mol.s–1) et les densités de flux molaire dans le sens perpendiculaire à l'écoulement (Oy) seront notés
(mol.s–1.m–2). On écrit que la diminution
du nombre total de moles du gaz lors de la traversée de la tranche...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KERN (D.Q.) - Process heat transfer. - McGraw-Hill, New York (1950).
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(2) - COLBURN (A.P.), DREW (T.B.) - The condensation of mixed vapors. - Trans, A.I.Ch.E. Vol. 33, pp. 197-215 (1937).
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(3) - HUETZ (J.), PETIT (J.-P.) - Notions de transferts thermiques par convection. - A 1 540, Traité Génie énergétique, volume BE1, Techniques de l’Ingénieur (1990).
-
(4) - CHILTON (T.H.), COLBURN (A.P.) - Mass transfer coefficients : Prediction from data on heat transfer and fluid friction. - Ind. Eng. Chem., Vol. 26, pp. 1183-1187 (1934).
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(5) - SILVER (L.) - Gas cooling with aqueous condensation. - Trans. Instit. Chem. Engin. Vol. 25, pp. 30-42 (1947).
-
(6) - BELL (K.J.), GHALY (M.) - An approximate generalised design method for multicomponent partial condensers. - A....
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