Institut Universitaire de Technologie Génie Thermique et Energie

Rapport du projet 0111

Dimensionnementd’une unité derécupération

d’énergie

Etudiants:Letourneur CyrilleSorondo David

Responsable:Bongiovanni Jean-Marc

Année 2000-2001

Plan du Rapport

Sommaire……………………………………………………………….......…........ 1

Introduction……………………………………………………………….......….. 2

- généralité…………………………………………………………...... 2-

description…………………………………………………………....3

- schéma deprincipe…………………………………………………

4

- commentaire………………………………………………………… 5

Etude générale ………………………………………………………………..... 6

- les échangeurs thermiques………………………………………. 6- les ventilateurs

……………………………………………………...10

Etude théorique………………………………………………………………… 12

- dimensionnement des échangeurs……………………………... 12- organigramme……………………………………………………… 16- évaluation des pertes de

charge……………………………........17

Etude numérique………………………………………………………………. 18

- dimensionnement des échangeurs……………………………... 18- dimensionnement des ventilateurs…………………………….. 20

Commentaire des résultats……………………………………………….. 24

- comparaison des surfaces………………………………………... 24- dimensionnement des ventilateurs…………………………….. 24- commentaire et

comparaisons…………………………………...25

Conclusion………………………………………………………………………… 26Nomenclature……………………………………………………………………. 27

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INTRODUCTION

Généralité:

Le but de notre projet tutoré, de deuxième année d’IUT Génie Thermique et Energie,est de dimensionner une unité de récupération d’énergie. Cette unité, composéeprincipalement d’un échangeur de chaleur à plaques, doit permettre de récupérer l’énergiecontenue dans les fumées d’un four industriel. Cette énergie thermique, transmise à de l’air,permettra d’assécher des boues résiduaires.

Dans un premier temps, nous réaliserons une étude générale pour apprécier lessolutions techniques adaptables à notre projet. Dans un second temps, une étude théoriquenous permettra une évaluation de la surface de l’échangeur de chaleur ainsi qu’uneapproximation des pertes de charge dans les conduites. Ensuite, à l’aide de la documentationobtenue par l’intermédiaire des entreprises contactées, nous procéderons au choix del’échangeur. Nous confronterons nos résultats théoriques avec les valeurs fournies par lesconstructeurs. Nous pourrons ensuite dimensionner les extracteurs nécessaires à la circulationdes fluides dans l’unité de récupération d’énergie et évaluer le coût de cette unité.

L’aboutissement de ce projet permettra à l’entreprise Epure Tec de proposer dessolutions pour le traitement des boues résiduaires.

Entreprise Epure Tec:

L’entreprise Epure Tec fait partie de la pépinière d’entreprises EUROLACQ basée àArtix (64), créée en 1992 dans le cadre de la politique de reconversion industrielle. C’est unesociété de services pour le traitement des déchets.

L’utilisation de l’unité de traitement Epure Tec permet d’atteindre la réduction demasse et de volume des boues. Ceci permet de limiter la taille de certains équipements et lecoût de stockage, de transport, et de manutention. Les boues déshydratées étant rarementutilisées à proximité de l’usine de dépollution des eaux résiduaires, le transport constitue alorsun maillon essentiel.

Par ailleurs, ce traitement permet aussi de réduire le pouvoir fermentescible et parconséquent, les nuisances olfactives. Ce critère de qualité est essentiel pour les agriculteurslors de l’épandage.

Enfin le projet Epure Tec prévoit la mise en place de nouvelles solutions pour lavalorisation énergétique des boues. Celles-ci ayant un fort pouvoir de combustion, deséconomies d’énergie peuvent être entreprises.

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Description de l’unité de récupération d’énergie.

La première unité de récupération d’énergie que l’on doit dimensionner est destinée àêtre installée sur un four industriel que possède l’entreprise Epure Tec. Ce four estactuellement entreposé dans les locaux de l’entreprise à Artix. Cette unité sera un modèleréduit du projet final de l’entreprise. Une seconde unité de récupération d’énergie seradimensionnée pour fonctionner sur des fours industriels plus gros (ayant un débit de fuméessupérieur).

Nous devrons prévoir un système comportant deux circuits:-l’un permettant de récupérer les fumées à la sortie du four afin de les faire

circuler dans un échangeur de chaleur, puis de les rejeter à l’extérieur des locaux.-l’autre permettant de récupérer de l’air propre qui passera dans l’échangeur

afin de récupérer l’énergie cédée par les fumées, et qui sera envoyé vers son lieu d’utilisation.

Ces deux circuits nécessiteront chacun un ventilateur qui permettra d’une part, devaincre les pertes de charge, et d’autre part, de contrôler le débit des fluides.

Par ailleurs, le responsable du projet, M. BONGIOVANNI, nous a conseillé de fairecette étude en basant nos calculs sur l’utilisation d’un échangeur à plaques. En vue de larecherche des avantages que présente ce type d’échangeur, nous effectuerons une étude surleur technologie.

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Commentaire.

Les fumées issues du four entrent dans l’échangeur par un premier circuit, à unetempérature Tce et avec un débit volumique Qvc. Dans l’échangeur, elles cèdent de l’énergie àl’air qui y circule et ressortent à une température Tcs, inférieure à Tce, et conservant le mêmedébit volumique Qvc.

Utilisant un second circuit, l’air est prélevé au milieu extérieur et entre dansl’échangeur à une température Tfe sous un débit volumique Qvf. En croisant les fumées, l’airrécupère l’énergie contenue dans celles-ci et ressort de l’échangeur avec le même débit Qvf, etune température Tfs supérieur à Tfe.

Les extracteurs installés sur chaque circuit nous permettent, outre de faire circuler lesdeux fluides, de contrôler leur débit volumique.

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Etude Générale

Les échangeurs thermiques

Aujourd’hui, dans l’industrie, l’échangeur d’énergie thermique est devenu un élémentcapital. Il est largement utilisé dans les fabrications de produits dont l’élaboration nécessitedes cycles de changement de température ou encore, dans des procédés de productiond’énergie mécanique à partir d’énergie thermique.

Le principe de fonctionnement d’un échangeur de chaleur reste identique quelque soitle type d’échangeur en présence: un fluide chaud entre dans l’échangeur et cède une partie deson enthalpie au fluide froid, et sort de l’échangeur. Le fluide froid suit l’autre circuit del’échangeur, voisin de celui du fluide chaud pour récupérer l’énergie thermique présente dansle milieu. Ainsi, un échangeur possède toujours deux entrées et deux sorties.

Les échanges thermiques à l’intérieur d’un échangeur dépendent essentiellement de laconvection du fluide et de la résistance de la paroi. Ainsi, pour améliorer le coefficient globalde transfert thermique, les constructeurs cherchent à diminuer l’épaisseur des parois, à utiliserles matériaux les plus conducteurs, et conseillent l’utilisation de fluides convectifs. Maisl’intensification des échanges thermiques, passe aussi par le travail des surfaces d’échanges.Les échanges seront d’autant meilleurs que l’écoulement sera turbulent. Malheureusement, legain de puissance échangé ainsi obtenu, entraîne une augmentation des pertes de charges. Celademande donc, un apport supplémentaire en énergie mécanique.

De nos jours, il existe trois technologies différentes d’échangeur :- les échangeurs à tubes- les échangeurs à plaques- les autres types d’échangeurs(contact direct, à caloducs, à lit fluidisé)

Remarque:

Nous n’étudierons que les deux premières familles car la troisième concerne desapplications industrielles spécifiques et non adaptés à notre situation. Par ailleurs, neprévoyant pas de changement de phase des fluides utilisés, nous bornerons notre étude auxéchangeurs monophasiques. De plus, pour chacun de ces types d’échangeurs, on distinguetrois géométries relatives aux deux fluides:

- les échangeurs co-courants: les deux circuits sont parallèles et les deuxfluides vont dans le même sens.

- les échangeurs contre-courants: les deux circuits sont parallèles maisles deux fluides vont dans des sens opposés.

- les échangeurs à courants croisés: les circuits se croisent (en général,les deux circuits sont perpendiculaires).

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Les échangeurs à tubes.

Les échangeurs tubulaires sont les plus répandus dans le milieu industriel. Ceséchangeurs utilisent des tubes comme constituant principal de la paroi d’échange. On peutdistinguer trois catégories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours réaliséspour avoir la meilleure efficacité possible pour une utilisation donnée:

-Les échangeurs monotubes : le tube est placé àl’intérieur d’un réservoir et a généralement la forme d’unserpentin.

-Les échangeurs coaxiaux : lestubes sont le plus souvent cintrés, en général,le fluide chaud ou le fluide à haute pressions’écoule dans le tube intérieur.

-Les échangeurs multitubulaires qui existent sous trois formes distinctes :

-Les échangeurs à tubes séparés dans lesquels, àl’intérieur d’un tube de diamètre suffisant (d'environ100mm) se trouvent placés plusieurs tubes de petitdiamètre (8 à 20mm) maintenus écartés par desentretoises. L’échangeur peut être de type rectiligne oubien enroulé.

-Les échangeurs à tubes rapprochés dans lesquels,pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour lefluide extérieur au tube, on place un ruban enroulé en spiraleautour de certains d’entre eux.

-Les échangeurs à tubes ailetés. Les ailettespeuvent être soit extérieur au tube, soit placées àl’intérieur du tube. Ces échangeurs sont essentiellementutilisés quand l’un des deux fluides est moins calovecteurque l’autre (exemple: échange thermique entre un liquideet un gaz). Ainsi, la résistance thermique globale n’estplus principalement du au fluide ayant le plus petitcoefficient d’échange thermique.

-Les échangeurs à tubes et calandre qui sont actuellement les plus répandus existentsous différentes formes. Le choix est alors défini en fonction de l’encrassement et dedifférence de température entre les deux fluides.

Gaz

Tubesailetés

Air

Ailettes

Liquide

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Les échangeurs à plaques.

Les échangeurs à plaques ont été étudiés à l’origine pour répondre aux besoins del’industrie laitière, puis utilisés par la suite dans diverses branches de l’industrie telles que lachimie, le nucléaire, etc. On distingue suivant la géométrie de canal utilisée, les échangeurs àsurface primaire et les échangeurs à surface secondaire.

Les échangeurs à surface primaire sontconstitués de plaques corruguées, nervurées oupicotées. Il existe, aujourd’hui, dans le monde unesoixantaine de dessins de plaques. Le but des différentsprofils est identique : intensifier au mieux les échangesthermiques et offrir un maximum de résistance auxpressions.

L’échangeur à plaques et joints est le pluscommunément employé. Toute fois, ces applications sontlimitées par la pression maximale de service et par latempérature différentielle entre les deux fluides. Onfabrique aujourd’hui, des échangeurs à plaques et jointsfonctionnant à des pressions de 15 à 20 bars. Latempérature maximale est limitée par la nature des joints.La valeur communément admise comme limite est del’ordre de 150°C, et 230°C pour des joints spéciaux. Lasurface d’échange est composée de plaques métalliques,équipées de joints, serrées les unes contre les autres à l’aidede tirants entre deux flasques, l’une fixes, l’autre mobile.Un rail fixé sur la flasque fixe et sur un pied supporte l’ensemble des plaques et permet ledéplacement de celles-ci pour les manutentions. Les plaques définissent un ensemble decanaux dans lesquels circule respectivement chacun des fluides. Les échangeurs à plaques etjoints sont surtout utilisés pour les transferts de chaleur entre fluides monophasiques, mais deplus en plus d’applications existent en double phase, condensation et évaporation.

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Les échangeurs à plaques soudées ou brasées permettent de travailler avec des niveauxde pression et de température plus élevés. Ils sont essentiellement utilisés en récupération de

chaleur dans les domaines tel que la chimie, lapétrochimie... Leur méthode de fabrication etd’assemblage varie en fonction du fabricant et de leurforme. Ainsi, on trouve des variantes d’échangeurs àtubes et calandres appelées échangeurs lamellaires,constitués par un faisceau de tubes aplatis. Ces lamellessont réalisées à l’aide de deux plaques soudéesensembles et formant un canal.

La variante de l’échangeur à plaques et joints estl’échangeur brasé, constitué de plaques àcannelures empilées les unes sur les autres.L’étanchéité se fait en brasant les plaques entreelles.

Les échangeurs à surface secondaire sont réalisés en aluminium ou en acierinoxydable. Ils sont constitués par un empilement de tôles ondulées formant des ailettesséparées par des tôles planes. Ainsi, les fluides empruntent les petits canaux formés par lesailettes. Les canaux peuvent prendre des formes différentes en fonction des ailettes utilisées.

Les échangeurs à plaques peuvent véhiculer toutes sortes de fluides. Toutefois, lesfluides les plus encrassant sont à utiliser avec précaution.

Comme l’avons vu, les échangeurs à tubes sont les plus couramment utilisés dansl’industrie. Pourtant, grâce à leur géométrie, les échangeurs à plaques sont plus performantsque les échangeurs tubulaires. Pour une même section, les échangeurs à plaques offrent plusde surface d’échange. De plus, le travail de la surface des plaques offre la possibilitéd’intensifier les échanges. Pour une même puissance, la surface d’échange sera plus faibleavec un échangeur à plaques, et l’encombrement sera d’autant diminué. Par ailleurs, leséchangeurs à plaques sont les plus adaptés pour les échanges gaz/gaz. Enfin, les fluides quel’on véhiculera à l’intérieur de l’échangeur sont peu encrassant; l’utilisation des échangeurs à

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plaques est donc le choix qui parait être le plus judicieux. De plus, nous avons vu que leséchangeurs contre-courant sont les plus performants ; nous baserons donc notre étudethéorique sur l’utilisation d’un échangeur à plaques de type contre-courant.

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Les ventilateurs

Pour faire circuler les fluides à l’intérieur de l’unité de récupération d’énergie, etcontrôler leurs débits, il est nécessaire d’utiliser des circulateurs d’air. Les circulateurs d’airles plus connus sont les ventilateurs. Un ventilateur est une turbomachine qui reçoit del’énergie mécanique. Il l’utilise à l’aide d’une ou plusieurs roues à aubes, de manière àentretenir un écoulement continu d’air ou d’un autre gaz. Il existe trois principaux types deventilateurs:

- les ventilateurs centrifuges- les ventilateurs hélicoïdaux- les ventilateurs tangentiels

Les ventilateurs centrifuges.

L’air entre dans la roue avec une vitesse axiale, et sort dans une direction parallèle auplan radial.

Les ventilateurs hélicoïdaux.

Ce sont des ventilateurs dans lesquels, l’air entre et sort de la roue avec une directionsensiblement parallèle à l’axe de rotation.

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Les ventilateurs tangentiels.

Dans ces ventilateurs, la trajectoire du fluide dans la roue reste perpendiculaire à l’axe,aussi bien à l’entrée qu’à la sortie de la roue.

Remarque:Il existe aussi un autre type de ventilateur intermédiaire appelé hélico-centrifuge dans

lequel, la direction du fluide est intermédiaire entre les ventilateurs centrifuges et lesventilateurs hélicoïdaux.

Enfin, ces trois types de ventilateurs peuvent être employés sous différentes formes(aubes plus ou moins inclinées pour les ventilateurs centrifuges, avec ou sans aubes deguidage, pour les ventilateurs à hélicoïdes...) et donc répondre à différentes contraintes. Alors,mis à part les ventilateurs tangentiels plutôt employés pour les hautes pressions, nous nepouvons pas choisir le type de ventilateurs à utiliser pour notre unité : notre choix ne peut passe baser uniquement sur les technologies des ventilateurs.

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Etude théorique

Dimensionnement de l’échangeur.

Conditions initiales.

L’objectif du dimensionnement de l’échangeur est de déterminer la surface d’échangenécessaire à la récupération de l’énergie thermique contenue dans les fumées du four.On évalue la surface de cet échangeur à partir du débit et des températures d’entrées et desorties des fluides:

-le débit mesuré des fumées est de: Qvc = 20m3/h pour la maquette et Qvc = 385m3/hpour l’unité réelle.

-la température des fumées, mesurée à la sortie du four est de: Tce = 327°C.-la température des fumées à la sortie de l’échangeur est limitée par la température de

rosée des fumées. La littérature donne une température de rosée pour les fumées issues de lacombustion du propane de 54.5°C. Afin de s’assurer qu’il n’y aura pas de condensation àl’intérieur de l’échangeur, nous prenons une température de sortie des fumées de 10°Csupérieure à la température de rosée ; soit Tcs = 64.5°C.

-nous déterminons une température d’entrée d’air à: Tfe = 15°CNous étudierons donc les variations de la surface d’échange en fonction de la température desortie du fluide froid (air). Ainsi, pour une température d’air donnée à la sortie de l’échangeur,nous déterminerons la surface d’échange nécessaire.

Nous ferons varier Tfs de 80°C à 120°C afin d’étudier la variation de la surfaced’échange sur une plage de température relativement importante et susceptible de convenir àl’utilisation finale de l’air. Ceci nous permettra de déterminer en fonction des contraintes dumarché le niveau de température auquel devra fonctionner l’unité de récupération d’énergie.

La relation donnant la surface d’échange est :

lnTSHP ����

Dans le but de calculer S, nous devons déterminer P, H et �Tln

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Détermination des données manquantes.

La puissance totale échangée par les deux fluides dans l’échangeur est donnée par larelation:

fffccc TcpqmTcpqmP ��������

Ainsi, nous pouvons déterminer le débit massique de l’air en fonction de satempérature de sortie.

fff Tcp

Pqm��

�

Afin de poursuivre le dimensionnement, il est nécessaire de prendre en compte lescaractéristiques de l’échangeur ; soit:

-les dimensions des canaux de passage des fluides-le type de plaques utilisées (géométrie, relief des plaques)-l’épaisseur des plaques-le matériau utilisé pour les plaques-le sens d’écoulement des fluides (échangeur contre courant, co-courant, à courantscroisés).

Schémas de principe du fonctionnement d’un échangeur contre courant :

La vitesse de l’air dans l’échangeur est étudiée en fonction de Tfs car le débit massiquede l’air varie avec sa température.

DQv

v ff �

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Détermination de la surface d’échange

Nous savons que le transfert thermique entre les deux fluides dépend du typed’écoulement qu’ils suivent. Dans le but d’établir leur régime d’écoulement, on calcule lenombre de Reynolds selon la relation:

�

hDv ��Re

Le résultat obtenu ainsi que les caractéristiques de l’échangeur, nous permettent dechoisir une corrélation de Nusselt adaptée à notre cas. Dans un premier temps, nous prendronsune corrélation valable pour un échangeur à plaques planes, contre courant, en régimeturbulent; soit:

31

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PrRe0288,0 ���Nu

Remarque : Cette relation est issue du cours d’échangeur enseigné en seconde année d’IUTGTE.

Dans un second temps, nous utiliserons des corrélations valables pour des plaquescorruguées. Ces corrélations sont issues d’études réalisées par le GRETh (Cf. annexe). Ainsinous obtiendrons une base de données théorique qui nous permettra de comparer nos résultatsà ceux des fournisseurs d’échangeurs à plaques.

Nous calculons ensuite le nombre de Prandt. Il permet de comparer la vitesse dediffusion de la chaleur dans le fluide par rapport à la diffusion de la vitesse. Il est défini par larelation:

�

� cp�

�Pr

En introduisant les valeurs numériques des nombres de Prandt et Reynolds, nousobtenons un nombre de Nusselt permettant de caractériser l’écoulement de l’air dansl’échangeur; ceci pour chaque température Tfs prédéterminées.

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Ensuite, l’expression du nombre de Nusselt:

�

hDhNu �

�

nous permet de déterminer la valeur du coefficient de convection h en fonction de Tfs. à l’aidedes propriétés physiques des fluides.

Nous pouvons donc calculer le coefficient global d’échange caractérisé par la relation:

1 1 1H h h

ep

i e p

� � �

�

La surface S des plaques est calculée en fonction des différentes températures de sortieTfs. Elle est donnée par la formule:

S PH T

��� ln

Remarque : �Tln pour un échangeur à contre-courant est donné par:

�TTc T f Tc Tf

Tc T fTc T f

e s s e

e s

s e

ln

( ) ( )

ln�

� � �

�

�

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Organigramme du calcul.

�

� pc��Pr

�

hDv ��Re

31

54

PrRe0288.0 ���Nu

�

hDhNu

�

�

ccc TcpQmP ����

pei

ephhH ����

111es

se

esse

TfTcTfTc

TfTcTfTcT

�

�

�����

ln

)()(ln

P=H.S.�Tln

S

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Evaluation des pertes de charges dans les circuits.

Lorsqu’un fluide est mis en circulation dans un circuit, il est soumis à une force quis’oppose à son déplacement. Cette force est à l’origine des pertes de charges. Celles-cidépendent essentiellement de la vitesse et de la viscosité du fluide en présence ainsi que de larugosité (état de surface) de la conduite et des accidents du circuit. Ainsi, faire circuler unfluide nécessite l’apport d’énergie mécanique permettant de vaincre les pertes de charges.

On distingue deux types de pertes de charges : - les pertes de charges régulières (linéaires). - les pertes de charges singulières.

Les pertes de charges régulières.

Elles sont générées par les frottements du fluide dans les longueurs droites desconduites. Elles peuvent être évaluées à l’aide de la relation:

�P j LL D� �

On pourra déterminer j à l’aide des abaques que l’on trouvera dans la littérature (Cf.annexe). Par ailleurs, on pourra appliquer un coefficient de majoration pour le calcul despertes de pressions statiques en fonction du matériau utilisé pour la conduite et de sonusinage.

Les pertes de charges singulières.

Elles sont dues aux singularités du circuit (té, coude, élargissement, rétrécissement,robinet...). Elles peuvent être évaluées à l’aide de la relation suivante:

�Ps � � �� � �( ) /2 2

Dans laquelle �, qui dépend de la singularité, sera déterminé à l’aide des tableaux que l’ontrouvera dans la littérature (cf. annexes).

Une seconde méthode permettant d’évaluer les pertes de charges singulières, consiste àattribuer une longueur équivalente de circuit droit (générant les même pertes de charges) quel’on ajoutera à la longueur droite lors du calcul des pertes de charges linéaires.

Les pertes de charges totales.

Les pertes de charges totales le long du circuit, sont la somme des pertes de chargessingulières et des pertes de charges régulières.

� � �P P Ptot s l� �

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Etude numérique

Dimensionnement des échangeurs

Comme nous l’avons vu précédemment, la surface d’échange dépend essentiellementdu débit des fumées et de la température de sortie de l’air. Nous avons un débit de fumées de20m3/h pour l’échangeur 1 et de 385m3/h pour l’échangeur 2. Dans le but d’établir une plagede fonctionnement théorique des unités de récupération d’énergie, on effectue ledimensionnement des échangeurs pour des températures de sortie d’air comprises entre 80 et120°C. Par ailleurs, cette étude a pour but de comparer nos résultats aux surfaces proposéespar les constructeurs. Nous avons donc retranscrit notre démarche théorique en utilisant lescaractéristiques des échangeurs proposées par les fabricants. Pour cette application numérique,nous avons repris les dimensions des canaux proposées par l’entreprise Kapp France (Cf.devis en annexe) et utilisé de l’acier inoxydable pour les plaques (�=25W/m²). Toutefois,n'ayant pas les corrélations employées par le constructeur, nous utilisons celles obtenues dansla littérature (Cf. annexe).

Ainsi nous avons réussi à établir une base de données à partir des grandeurs physiquesdes fluides et des caractéristiques des échangeurs étudiés.

Exemple : base de donnée utilisée pour le dimensionnement de l’échangeur 2 constitué deplaques planes.

Fluide chaud Fluide froidTce (°C) 326,85 Tfe (°C) 15Tcs (°C) 64,5 Tfs (°C) 80<T<120

Trosée des fumées (°C) 54,5 Cp fumées (J/°K.kg) 1300 Cp air (J/°K.kg) 1007

masse volumique des fumées (kg/m3) 1,3 masse volumique de l' air (kg/m3) 1,297viscosité dynamique des fumées(kg/s.m) 3E-05 viscosité dynamique de l' air (kg/s.m) 0,000017

viscosité cinématique de l' air (m²/s) 1,91E-05conductivité thermique des fumées (W/°K.m) 0,0844 conductivité thermique de l' air (W/°K.m) 0,027

debit des fumées (m3/h) 385

Données plaquesplaques Côté fumées Côté air Coefficients (Nu=A*Re^Alpha*Pr^Beta)

largeur (m) 0,5 0,5 A 0,0288espace entre 2 plaques (m) 0,006 0,007 Alpha 0,8

nombre de canaux 11 22 Beta 0,3333nombre de passes 4 2

épaisseur d'une plaque (m) 0,001

conductivité thermique (W/°K.m) 25

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L’utilisation de cette base de donnée nous permet, en suivant la démarche décrite dans lapartie théorique, de calculer la surface d’échange nécessaire au transfert de chaleur.

Exemple : calcul de la surface d’échange effectué avec la base de donnée précédente.

puissance echangée (W) 47416,12Résultats

Tfs (°C) Debit air (m3/h) Delta Tln vitesse (m/s) diamètre hydraulique Reynolds Prandtl Nusselt Coef h (W/m2°K) H global Surface d'échange (m2)80 2010,693 122,821 7,254 0,014 5810,834 0,712 26,405 52,349 26,191 14,74085 1867,072 121,254 6,735 0,014 5395,774 0,712 24,885 49,336 25,414 15,38790 1742,600 119,678 6,286 0,014 5036,056 0,712 23,549 46,687 24,693 16,04595 1633,688 118,093 5,894 0,014 4721,303 0,712 22,364 44,337 24,019 16,716100 1537,589 116,500 5,547 0,014 4443,579 0,712 21,305 42,238 23,390 17,401105 1452,167 114,898 5,239 0,014 4196,713 0,712 20,353 40,350 22,799 18,101110 1375,737 113,286 4,963 0,014 3975,834 0,712 19,491 38,642 22,244 18,817115 1306,950 111,665 4,715 0,014 3777,042 0,712 18,707 37,089 21,720 19,550120 1244,715 110,033 4,490 0,014 3597,183 0,712 17,991 35,669 21,225 20,303

fumées 3,241 0,011 1197,023 0,621 7,126 52,525

En utilisant comme support de notre calcul, une feuille Excel, nous avons pu étudierl’évolution de la surface d’échange en fonction du type de plaques employées. Nous avonsdonc utilisé des corrélations valables pour des plaques corruguées, calculées à partir decourbes fournies par le GRETh. Nous obtenons ainsi un ensemble de résultats nous permettantde caractériser les plaques étudiées par leur surface d’échange. Nous les comparons en traçantsur un même graphique leurs surfaces d’échanges en fonction de la température de sortie del’air (pour le détail de l’ensemble des calculs, se reporter aux feuilles Excel en annexe).

Exemple: comparaison des droites S=f(Tfs) pour l’échangeur 2.

Surface d'échange en fonction de la température de sortie de l'air

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

80 85 90 95 100 105 110 115 120

Température de sortie d'air (Tfs en °C)

Surf

ace

d'éc

hang

e (S

en

m²)

plaque planecorruguée a 15°corruguée a 30°corruguée a 45°corruguée a 60°

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Nous constatons que l’utilisation d’une plaque plane pour une température de sortie d’airdonnée, est évidemment la solution la moins intéressante. Elle nécessite la plus grande surfaced’échange. Par conséquent, nous utiliserons des plaques travaillées pour intensifier l’échangethermique et ainsi réduire la surface d’échange, et l’encombrement généré par l’échangeur.

Remarque : L’utilisation d’une feuille de calcul Excel pour le dimensionnement deséchangeurs présente de nombreux avantages. Tout d’abord, l’automatisation des calculs nouspermet d’étudier différentes plaques sans reprendre pour chacune d’elles l’ensemble du calcul.Ensuite, nous pouvons aisément changer une donnée de base pour observer rapidement soneffet sur la surface théorique (épaisseur des plaques, constantes physiques des fluides...).L’avantage majeur de l’utilisation de ce logiciel dans notre cas est essentiellement un gain detemps.

Dimensionnement des ventilateurs.

Un ventilateur se caractérise par deux grandeurs : la pression statique (permettant devaincre les pertes de charge) et le débit. En vue du dimensionnement des ventilateurs, nousétudions les caractéristiques des circuits des deux unités de récupération d’énergie.

Caractéristique physique des circuits.

Nous basons notre étude des circuits sur l’utilisation des échangeurs fournis parl’entreprise Kapp France, et une température de sortie d’air de 110°C.

caractéristique de l’unité 1 :débit des fumées : 20m3/hdébit de l’air : 71.5m3/hgaine rectangulaire du circuit des fumées : 30�200mmgaine rectangulaire du circuit de l’air : 50�200mmvitesse moyenne des fumées : 2.8m/svitesse moyenne de l’air : 4.13m/spertes de charge dans l’échangeur :

-coté fumées : 100Pa-coté air : 600Pa

caractéristique de l’unité 2 :débit des fumées : 385m3/hdébit de l’air : 1375.7m3/hgaine rectangulaire du circuit des fumées : 200�500mmgaine rectangulaire du circuit de l’air : 400�500mmvitesse moyenne des fumées : 3.24m/svitesse moyenne de l’air : 4.96m/spertes de charge dans l’échangeur :

-coté fumées : 200Pa-coté air : 300Pa

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Les pertes de charge régulières

�P j LL D� �

Nous évaluons les longueurs droites pour chaque circuit à 10 mètres. Nousdéterminons j à l’aide d’abaques (Cf. annexe). Nous obtenons j en connaissant le débit desfluides et leur vitesse d’écoulement. Nous évaluons ainsi j pour chaque circuit et en déduisonsles pertes de charge linéaires (excepté pour celui des fumées de l’unité 1 car le débit de fluideest trop faible et ne figure pas sur l’abaque utilisée).

coefficient j pertes de chargeen Pa/m linéaires en Pa

unité 1circuit des fumées ? ?circuit d'air 3,7 37unité 2circuit des fumées 0,75 7,5circuit d'air 1 10

Les pertes de charge singulières.

Nous évaluons le nombre de singularités sur chacun de nos circuits à 6 ; soit :2 coudes droits2 rétrécissements2 élargissements

Les élargissements et rétrécissements sont nécessaires au passage des éléments del’unité de récupération d’énergie (échangeur et ventilateur). Les coudes sont utiles pourorienter les gaines dans l’axe des éléments. Nous étudions les pertes de charge singulièrespour des conduites rectangulaires. Elles sont données par :

�Ps � � �� � �( ) /2 2

Nous déterminons, pour chaque conduite, � pour chaque type de singularité. Noustrouvons ces coefficients dans la littérature (Cf. annexe).

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Les coudes droits.

Pour chaque conduite, nous calculons le rapport petit coté / grand coté qui nouspermet de déduire le coefficient �co pour les coudes droits.

Rapport coefficient pourl/L les coudes

unité 1circuit des fumées 0,15 2,2circuit d'air 0,25 2,1unité 2circuit des fumées 0,4 1,8circuit d'air 0,8 1,4

Les rétrécissements.

Le coefficient �re est constant pour toutes les conduites (Cf. annexe).On lit dans le tableau :

�re=0.1

Les élargissements.

Le coefficient �el dépend de l’angle � que fait la paroi interne del’élargissement avec la parallèle à la gaine amont.

Pour notre étude, n’ayant pas les données réelles, nous évaluerons �=30°,qui nous semble êtreune valeur cohérente. Pour cette valeur de l’angle, on trouve :

�el=0.8.

A partir de ces trois types de singularités, nous évaluons les pertes de chargesingulières sur chacun des circuits.

Remarque : pour calculer les pertes de charge, nous devons connaître la masse volumique desfluides. Or, au cours de leurs progressions à l’interieur de l’unité de récupération d’énergie,leurs températures varient. Pour faciliter les calculs, nous prenons un � moyen pour chacundes deux fluides :

�air=1.06 Kg/m3�fumées=0.84 Kg/m3

Nous calculons les pertes de charge singulières pour chacun des circuits à l’aide de la relation:

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( )2 2 22

2

� � � � � � �� � � �co re el air

v

Nous obtenons ainsi les résultats suivants :

Pertes de chargesingulières en Pa

unité 1circuit des fumées 20,41536circuit d'air 54,240942unité 2circuit des fumées 23,8085568circuit d'air 59,9787008

Les pertes de charge totales.

Pour calculer les pertes de charge totales sur chaque circuit, nous ajoutons les pertes decharge singulières, les pertes de charge régulières et les pertes de charge à l’intérieur del’échangeur (données par le constructeur). Nous négligerons les pertes de charge générées parla différence de hauteur le long des circuits pour deux raisons :

-du fait de la masse volumique de l’air, elles sont faibles.-nous ne connaissons pas, s’il y en a une, la différence de hauteur entre les extrémités

des circuits.

Tableau récapitulatif des pertes de charge et des débits pour les circuits étudiés :

pertes de charge pertes de charge pertes de charge pertes de charge débitslinéaires en Pa singulières en Pa dans l'échangeur en Pa totale en Pa en m3/h

unité 1circuit des fumées ? 20,42 100 ? 20circuit d'air 37 54,24 600 691,24 71,5unité 2circuit des fumées 7,5 23,81 200 231,31 385circuit d'air 10 59,98 300 369,98 1375,7

Nous constatons que les pertes de charge, dans le circuit d’air de l’unité 1, sontrelativement élevées. Ceci est conséquent à la faible section de la gaine et au faibleespacement entre les plaques dans l’échangeur.

Les ventilateurs que nous devrons prendre pour chaque circuit doivent répondre auxcaractéristiques précédentes. N’ayant pas pu déterminer les pertes de charge régulières sur lecircuit des fumées de l’unité 1, nous supposerons, lors de notre demande auprés desconstructeurs, qu’elles sont, au plus, égales à celles du circuit de l’air. Par ailleurs, cesventilateurs devront répondre à une contrainte supplémentaire : supporter les températures desfluides qu’ils véhiculeront.

Commentaire des résultats et observations.

Comparaison des surfaces.

Pour chacun de nos deux échangeurs, nous obtenons une évaluation théorique de lasurface d’échange en fonction de Tfs et du type de plaques utilisées. Pour comparer nosrésultats aux surfaces proposées par les fournisseurs, nous calculons cette surface à la mêmetempérature qu’eux, soit Tfs = 105°C. Avec ce niveau de température, nos surfaces d’échangevarient, en fonction des plaques utilisées, de 0.21m² à 1.05m² pour l’échangeur 1, et de 3.8m²à 18.1m² pour l’échangeur. Selon les deux premiers devis proposés par l’entreprise KappFrance, les surfaces proposées sont : -0.96m² pour l’échangeur 1.

-22m² pour l’échangeur 2.Nous constatons que les surfaces que nous avons calculées sont du même ordre de

grandeur que celles proposées par le constructeur, et sont, pour la majorité d’entre elles, plusfaibles. Notre résultat qui se rapproche le plus de la surface calculée par le constructeurcorrespond à l’utilisation de plaques planes. Or nous savons que les échangeurs fournis parl’entreprise Kapp France sont constitués de plaques travaillées pour intensifier les échangesthermiques. Ceci implique que, par le calcul théorique valable pour les plaques planes, nousdevions trouver des surfaces d’échange supérieures à celles du constructeur. Cette différence,entre nos résultats et ceux théoriquement attendus, a plusieurs causes. La première, est quenous ne connaissons pas la corrélation valable pour les plaques utilisées par l’entreprise KappFrance. La seconde, est que nous avons basé nos calculs sur l’utilisation d’un échangeurcontre-courant, or l’échangeur fournis est à courants croisés. Ce type d’échangeur étant moinsperformant que celui que nous avons étudié, il est logique que les surfaces calculées par leconstructeur soient plus grandes. La différence d’évaluation de la surface d’échange entre cesdeux types d’échangeurs thermiques, est l’application d’un coefficient. Ce dernier permet decaractériser, entre autres, l’angle avec lequel les deux fluides se croisent. L’obtention de cecoefficient nous aurait permis d’améliorer notre évaluation théorique.

Remarque : Nous n’avons pu effectuer les comparaisons de surfaces qu’avec les échangeursde l’entreprise Kapp France car il nous manque des données pour ceux fournis par CRCT.

Dimensionnement des ventilateurs

Conclusion

Le but de notre projet de deuxième année d’IUT GTE était de dimensionner deuxunités de récupération d’énergie, et d’évaluer le coût de leur réalisation. A l’issu de la périodeimpartie, nous avons déterminé le matériel nécessaire à la réalisation de ce projet et obtenu leprix de chaque élément.

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Nomenclature

Qvc : débit volumique du fluide chaud (fumées issues du four industriel) en m3/s.Qvf : débit volumique du fluide froid (air prélevé à l’extérieur) en m3/s.qmc : débit massique du fluide chaud en kg/s.qmf : débit massique du fluide froid en kg/s.Tce : température d’entrée dans l’échangeur du fluide chaud en °K.Tcs : température de sortie de l’échangeur du fluide chaud en °K.Tfe : température d’entrée dans l’échangeur du fluide froid en °K.Tfs : température de sortie de l’échangeur du fluide froid en °K.�Tc : différence de température des fumées entre l’entrée et la sortie de l’échangeur

(Tce-Tcs) en °K.�Tf : différence de température de l’air entre l’entrée et la sortie de l’échangeur

(Tfs-Tfe) en °K.P : puissance calorifique échangée par les deux fluides en W.cpc : capacité calorifique massique du fluide chaud en J/kg.°K.cpf : capacité calorifique massique du fluide froid en J/kg.°K.� : viscosité cinématique du fluide en m²/s.� : viscosité dynamique du fluide en kg/s.m.� : conductivité thermique du fluide en W/m.°K.�p : conductivité thermique des plaques en W/m.°K.H : coefficient global d’échange en W/m². °K.hi : coefficient de convection interne ; ici, c’est le coefficient h calculé du côté de

l’air en W/m².°K.he : coefficient de convection externe; ici, c’est le coefficient h calculé du côté des

fumées en W/m².°K.vf : vitesse de l’air en m/s.Dh : diamètre hydraulique de la conduite en m².ep : épaisseur de la plaque en m.D : section du canal de passage dans l’échangeur en m².S : surface de l’échangeur en m².�PL : pertes de charge linéaire en Pascals.j : pertes de charge unitaire en Pa/m.LD : longueur droite en mètres.�PS : pertes de charge singulières en Pascals.� : coefficient de pertes de charge, fonction de singularité.� : masse volumique du fluide en kg/m3.W : vitesse de l’écoulement du fluide en présence en m/s.

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BIBLIOGRAPHIE

-Livres:* Technologie des échangeurs thermiquesissu du GRETH(1998) et de Technique de l’ingénieur- Chapitre II, § 2.2 et §2.3- Auteurs: A. Bontemps, A. Garrigue, R. Vidil* Technique de l’ingénieur(1998) génie énergétique B2 I- Page B 2341-1 à page B 2341-12, sous la direction de A. Lamelland- Chapitre sur les échangeurs de chaleur* Le Recknagel, manuel pratique de génie climatique, 2ème édition, Edition PYC- Chapitre des composants des appareils de traitement d’air* Aide mémoire du thermicien* Mémotech génie énergétique(1996), Edition Educalivre, P. Dal Zotto, JM. Larre- Chapitre 9, § 1

-Internet:* Connaissance de l’entreprise Epure Tec-http://mageos.ifrance.com/EpureTec/- http://www.pollutec.com/exhibitors/2000/20/2004.htm* Recherche d’entreprises fabriquant des échangeurs- http://www.ciat.fr- http://www.aertherm.fr- http://www.barriquand.com/* recherche d’image d’échangeur- http://www.gch.iut-tlse3.fr/gch/thermo.html- http://www.equirepsa.com/fra/placas.htm- http://www.guentner.de/f3-1-6.html- http://www.kappfrance.fr/cadre1.htm

-Kompass:* Recherche d’entreprises fabricant:- échangeurs à plaques- tube inox.- extracteurs

-Cours:* Echangeur* Transfert thermique* Groupement de recherche et d’étude thermique (Greth)