Échangeur de chaleur 24/04/2014 Groupe A : sous-groupe 2 : BARET Julien BILLOTTE Blandine BOUZIT Iness BRACHE Marine Sommaire Introduction.. or u Sni* to View Objectifs du TP Points théoriques Échangeurs tubulaires du coefficient global de transfert de chaleur de chaque experience 4 2. Profils de température pour le bitube Comparaison des 3 répétitions pour l’expérience de l’échangeur 4. Reproductibilité du TP par rapport à l’année 2011.
Analyse statistique Conclusion 12 Introduction L’échangeur de chaleur est une ièce maîtresse dans tous les ransferts d’énergie therm PAGF différents échangeurs thermiques en termes de transfert de chaleur. Pour cela, des mesures vont permettre d’évaluer les flux de chaleur échangés entre le fluide caloporteur et le fluide alimentaire à réchauffer et donc par le calcul, obtenir le coefficient global de transfert de chaleur hg. C’est ce coefficient qui permet de faire la comparaison entre ces différents échangeurs. L’influence des paramètres suivants sera également étudiée . ?? les débits des fluides, le type de fluide caloporteur (vapeur ou eau chaude), le sens des ?coulements (contre ou co-courant) et la géometrie de féchangeur. 1. Échangeurs tubulaires Comme leur nom l’indique, les échangeurs tubulaires sont constitués de tubes dont la paroi forme la surface d’échange. Ils comportent soit
Cet échangeur est plutôt long et possède es condultes larges. Ces performances en termes de transfert de chaleur sont plutôt moyennes car la surface d’échange est relativement petite mais il est facile à dimensionner. Par ailleurs, cet échangeur est idéal pour les produits très épai uvant contenir ou non petit comparativement à celui des tubes de l’échangeur bitube. Il ne convient donc pas aux produits visqueux qui pourraient rapidement obstruer les tubes. par contre, ce dispositif est plus page 1 sur 14 performant en termes d’échange de chaleur puisque la surface d’échange thermique est nettement plus grande.
Ily a plus de pression et le chauffage est plus homogène. Ce type d’échangeur convient à des produits peu visqueux. 2. Echangeur à plaques Le fluide caloporteur et le fluide à réchauffer circulent entre des plaques parallèles ondulées ce qui permet d’augmenter la turbulence du fluide et ainsi d’améliorer le transfert de chaleur. Ce dispositif présente de très bons coefficients de transfert de chaleur mais fait l’objet d’importantes pertes de charge (perte de pression). Cet échangeur est idéal pour des liquides, et plus précisément les bossons.
Il convient parfaitement pour la asteurisation des jus de fruits. En général, quelque soit le type d’échangeur, le dispositif monté en contre-courant (le fluide caloporteur et le fluide à réchauffer circulent en sens inverse) est plus performant que le dispositif monté en co-courant. Donc, de meilleures performances pour les circuits à contre- courant sont attendues plutôt que pour les circuits à co-courant. par ailleurs, il est attendu que l’échangeur à plaques soit plus performant que l’échangeur multitube, lui-même plus performant que l’échangeur bitube. ortie + vitesse de variation interne Avec . Débit du fluide alimentaire Cp : Capacité calorifique du fluide alimentaire : Température du fluide alimentaire Bilan de chaleur sur le compartiment « fluide caloporteur » : Avec le même raisonnement que précédemment, on obtient : : Débit du fluide calorifique Cp Capacité calorifique du fluide caloporteur : Température du fluide calorifique Lors de la manipulation, quatre à six températures sont mesurées, grâce aux différentes sondes placées sur réchangeur considéré. Grâce à ces températures, il est possible d’en déduire q2 et ql.
Page 2 sur 12 4. Calcul du coefficient global de transfert de chaleur de chaque exper. ence Suite aux bilans, car c’est le même flux de chaleur qui quitte le fluide caloporteur pour aller vers le fluide alimentaire. Il est donc possible de considérer que q est égal à la moyenne de Donc PAGF s OF marche suivant les modes de mises en œuvre qui sont indiquées. Puis, l’état d’équilibre est attendu, c’est-à-dire le moment où les températures sont stables avec comme repère une température de sortie de l’aliment de 300C 30C.
A l’état stationnaire, les températures sont relevées à chaque fois, n entrée et en sortie du fluide caloporteur et de l’aliment. Nous mesurerons aussi le débit de sortie du fluide caloporteur et de l’aliment sont aussi mesurés. Et enfin, la pression d’entrée de vapeur est relevée. Grâce à toutes ces données, le coefficient global de transfert de chaleur pourra être calculé et par la suite, les différents échangeurs pourront être comparés.
Tableau 1 : Conditions opératoires testées Echangeur Débit eau froide (%) Débit calo (%) Sens des fluides Bitube 20 Contre-courant 30 6 2 1 67,68 173,24 1 53,00 1 62,02 1 62,24 1 60,64 69,73 1 60,93 163,19 180,45 1 68,62 177,51 269,06 282,35 268,66 266,08 1 65,29 272,52 264,90 159,15 246,58 10,59 254,24 contre-courant co-courant 7 2 qpdt (171 3226,1 SW C] Quantité de chaleur donnée par le fluide calorifique • qcalo= Ceauk(Te-Ts) qca10 = (177,51 = 3769, IM Cl Détermination de q Qpdt et qcalo étant calculés, la moyenne des 2 permet d’éliminer les incertitudes, dans la mesure où ces 2 valeurs peuvent ne pas être pas équivalentes suite aux variations expérimentales. qmoy = (qcalo•qalim) 12 = 3497,69W page 5 sur 12 29,2 30,2 27,9 33,6 33,3 31 9,3 30,7 57,4 Détermination de h h = q * ATml) – pour l’échangeur bitube : 550< hg 730 - pour l'échangeur multitube : 690 < hg < 750 - pour l'échangeur à plaques : 1300 < hg < 2130 Ces premiers résultats semblent donc montrer que l'échangeur ? plaques est le plus performant en termes de transfert de chaleur.
De plus, on constate que les valeurs de coefficient de transfert de chaleur sont plus élevées pour le multitube (690 < hg < 750) que pour le bitube (550< hg 730). On remarque également que les coefficients de transfert de chaleur sont légèrement supérieurs ans un circuit à contre-courant que dans un circuit à co-courant pour les échangeurs à plaques et multitube. Ceci confirme l'hypothèse donnée dans « les points théoriques » : les performances de transfert de chaleur sont meilleures à contre-courant. Cependant, on ne retrouve pas ce résultat pour l'échangeur bitube, qui est sans doute une erreur de manipulation ou des conditions d'expérimentation trop petites. Le débit du fluide caloporteur a aussi une influence sur hg.
En effet, on remarque que les valeurs de hg sont légèrement supérieures pour un débit de fluide caloporteur de par apport à un débit de 20% pour les échangeurs à plaques et multitude. Ce résultat ne se retrouve pas non plus pour l’échangeur bitube. Page 6 sur 12 2. Profils de température pour le bitube Pour l’échangeur bitube, différents paramètres ont été analysés et comparés (figures 2, 3 et 4 80 bitube à contre-courant pour un débit de fluide caloporteur et alimentaire de 200 Vh 70 Température 60 50 Caloporteur 40 Fluide 10 intermédiaire sortie Position Figure 3: Evolution de la température dans un échangeur bitube ? contre-courant pour un débit de fluide caloporteu limentaire de 200 Vh
