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Plan du Rapport

Sommaire............... 1

Introduction......... 2

- gnralit...... 2

-

description....3

- schma de

principe4

- commentaire 5

Etude gnrale ..... 6

- les changeurs thermiques. 6

- les ventilateurs...

10

Etude thorique 12

- dimensionnement des changeurs... 12

- organigramme 16

- valuation des pertes de

charge........17

Etude numrique. 18

- dimensionnement des changeurs... 18

- dimensionnement des ventilateurs.. 20

Commentaire des rsultats.. 24

- comparaison des surfaces... 24

- dimensionnement des ventilateurs.. 24

- commentaire et

comparaisons...25

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Conclusion 26

Nomenclature. 27

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INTRODUCTION

Gnralit:

Le but de notre projet tutor, de deuxime anne dIUT Gnie Thermique et Energie,

est de dimensionner une unit de rcupration dnergie. Cette unit, compose

principalement dun changeur de chaleur plaques, doit permettre de rcuprer lnergie

contenue dans les fumes dun four industriel. Cette nergie thermique, transmise de lair,

permettra dasscher des boues rsiduaires.

Dans un premier temps, nous raliserons une tude gnrale pour apprcier les

solutions techniques adaptables notre projet. Dans un second temps, une tude thoriquenous permettra une valuation de la surface de lchangeur de chaleur ainsi quune

approximation des pertes de charge dans les conduites. Ensuite, laide de la documentation

obtenue par lintermdiaire des entreprises contactes, nous procderons au choix de

lchangeur. Nous confronterons nos rsultats thoriques avec les valeurs fournies par les

constructeurs. Nous pourrons ensuite dimensionner les extracteurs ncessaires la circulation

des fluides dans lunit de rcupration dnergie et valuer le cot de cette unit.

Laboutissement de ce projet permettra lentreprise Epure Tec de proposer des

solutions pour le traitement des boues rsiduaires.

Entreprise Epure Tec:

Lentreprise Epure Tec fait partie de la ppinire dentreprises EUROLACQ base

Artix (64), cre en 1992 dans le cadre de la politique de reconversion industrielle. Cest une

socit de services pour le traitement des dchets.

Lutilisation de lunit de traitement Epure Tec permet datteindre la rduction de

masse et de volume des boues. Ceci permet de limiter la taille de certains quipements et le

cot de stockage, de transport, et de manutention. Les boues dshydrates tant rarement

utilises proximit de lusine de dpollution des eaux rsiduaires, le transport constitue alorsun maillon essentiel.

Par ailleurs, ce traitement permet aussi de rduire le pouvoir fermentescible et par

consquent, les nuisances olfactives. Ce critre de qualit est essentiel pour les agriculteurs

lors de lpandage.

Enfin le projet Epure Tec prvoit la mise en place de nouvelles solutions pour la

valorisation nergtique des boues. Celles-ci ayant un fort pouvoir de combustion, des

conomies dnergie peuvent tre entreprises.

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Description de lunit de rcupration dnergie.

La premire unit de rcupration dnergie que lon doit dimensionner est destine

tre installe sur un four industriel que possde lentreprise Epure Tec. Ce four est

actuellement entrepos dans les locaux de lentreprise Artix. Cette unit sera un modle

rduit du projet final de lentreprise. Une seconde unit de rcupration dnergie sera

dimensionne pour fonctionner sur des fours industriels plus gros (ayant un dbit de fumes

suprieur).

Nous devrons prvoir un systme comportant deux circuits:

-lun permettant de rcuprer les fumes la sortie du four afin de les faire

circuler dans un changeur de chaleur, puis de les rejeter lextrieur des locaux.

-lautre permettant de rcuprer de lair propre qui passera dans lchangeur

afin de rcuprer lnergie cde par les fumes, et qui sera envoy vers son lieu dutilisation.

Ces deux circuits ncessiteront chacun un ventilateur qui permettra dune part, de

vaincre les pertes de charge, et dautre part, de contrler le dbit des fluides.

Par ailleurs, le responsable du projet, M. BONGIOVANNI, nous a conseill de faire

cette tude en basant nos calculs sur lutilisation dun changeur plaques. En vue de la

recherche des avantages que prsente ce type dchangeur, nous effectuerons une tude sur

leur technologie.

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Commentaire.

Les fumes issues du four entrent dans lchangeur par un premier circuit, une

temprature Tceet avec un dbit volumique Qvc. Dans lchangeur, elles cdent de lnergie

lair qui y circule et ressortent une temprature Tcs, infrieure Tce, et conservant le mme

dbit volumique Qvc.

Utilisant un second circuit, lair est prlev au milieu extrieur et entre dans

lchangeur une temprature Tfesous un dbit volumique Qvf. En croisant les fumes, lair

rcupre lnergie contenue dans celles-ci et ressort de lchangeur avec le mme dbit Qv f, et

une temprature Tfssuprieur Tfe.

Les extracteurs installs sur chaque circuit nous permettent, outre de faire circuler les

deux fluides, de contrler leur dbit volumique.

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Etude Gnrale

Les changeurs thermiques

Aujourdhui, dans lindustrie, lchangeur dnergie thermique est devenu un lment

capital. Il est largement utilis dans les fabrications de produits dont llaboration ncessite

des cycles de changement de temprature ou encore, dans des procds de production

dnergie mcanique partir dnergie thermique.

Le principe de fonctionnement dun changeur de chaleur reste identique quelque soit

le type dchangeur en prsence: un fluide chaud entre dans lchangeur et cde une partie deson enthalpie au fluide froid, et sort de lchangeur. Le fluide froid suit lautre circuit de

lchangeur, voisin de celui du fluide chaud pour rcuprer lnergie thermique prsente dans

le milieu. Ainsi, un changeur possde toujours deux entres et deux sorties.

Les changes thermiques lintrieur dun changeur dpendent essentiellement de la

convection du fluide et de la rsistance de la paroi. Ainsi, pour amliorer le coefficient global

de transfert thermique, les constructeurs cherchent diminuer lpaisseur des parois, utiliser

les matriaux les plus conducteurs, et conseillent lutilisation de fluides convectifs. Mais

lintensification des changes thermiques, passe aussi par le travail des surfaces dchanges.

Les changes seront dautant meilleurs que lcoulement sera turbulent. Malheureusement, le

gain de puissance chang ainsi obtenu, entrane une augmentation des pertes de charges. Celademande donc, un apport supplmentaire en nergie mcanique.

De nos jours, il existe trois technologies diffrentes dchangeur :

- les changeurs tubes

- les changeurs plaques

- les autres types dchangeurs(contact direct, caloducs, lit fluidis)

Remarque:

Nous ntudierons que les deux premires familles car la troisime concerne des

applications industrielles spcifiques et non adapts notre situation. Par ailleurs, neprvoyant pas de changement de phase des fluides utiliss, nous bornerons notre tude aux

changeurs monophasiques. De plus, pour chacun de ces types dchangeurs, on distingue

trois gomtries relatives aux deux fluides:

- les changeurs co-courants: les deux circuits sont parallles et les deux

fluides vont dans le mme sens.

- les changeurs contre-courants: les deux circuits sont parallles mais

les deux fluides vont dans des sens opposs.

- les changeurs courants croiss: les circuits se croisent (en gnral,

les deux circuits sont perpendiculaires).

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Les changeurs tubes.

Les changeurs tubulaires sont les plus rpandus dans le milieu industriel. Ces

changeurs utilisent des tubes comme constituant principal de la paroi dchange. On peut

distinguer trois catgories suivant le nombre de tubes et leur arrangement, toujours raliss

pour avoir la meilleure efficacit possible pour une utilisation donne:

-Les changeurs monotubes : le tube est plac

lintrieur dun rservoir et a gnralement la forme dun

serpentin.

-Les changeurs coaxiaux : les

tubes sont le plus souvent cintrs, en gnral,

le fluide chaud ou le fluide haute pression

scoule dans le tube intrieur.

-Les changeurs multitubulairesqui existent sous trois formes distinctes :

-Les changeurs tubes sparsdans lesquels,

lintrieur dun tube de diamtre suffisant (d'environ

100mm) se trouvent placs plusieurs tubes de petit

diamtre (8 20mm) maintenus carts par des

entretoises. Lchangeur peut tre de type rectiligne oubien enroul.

-Les changeurs tubes rapprochs dans lesquels,

pour maintenir les tubes et obtenir un passage suffisant pour le

fluide extrieur au tube, on place un ruban enroul en spirale

autour de certains dentre eux.

-Les changeurs tubes ailets. Les ailettes

peuvent tre soit extrieur au tube, soit places lintrieur du tube. Ces changeurs sont essentiellement

utiliss quand lun des deux fluides est moins calovecteur

que lautre (exemple: change thermique entre un liquide

et un gaz). Ainsi, la rsistance thermique globale nest

plus principalement du au fluide ayant le plus petit

coefficient dchange thermique.

-Les changeurs tubes et calandrequi sont actuellement les plus rpandus existent

sous diffrentes formes. Le choix est alors dfini en fonction de lencrassement et de

diffrence de temprature entre les deux fluides.

Gaz

Tubes

ailets

Air

Ailettes

Liquide

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Les changeurs plaques.

Les changeurs plaques ont t tudis lorigine pour rpondre aux besoins de

lindustrie laitire, puis utiliss par la suite dans diverses branches de lindustrie telles que la

chimie, le nuclaire, etc. On distingue suivant la gomtrie de canal utilise, les changeurs

surface primaire et les changeurs surface secondaire.

Les changeurs surface primaire sontconstitus de plaques corrugues, nervures ou

picotes. Il existe, aujourdhui, dans le monde une

soixantaine de dessins de plaques. Le but des diffrents

profils est identique : intensifier au mieux les changes

thermiques et offrir un maximum de rsistance aux

pressions.

Lchangeur plaques et joints est le plus

communment employ. Toute fois, ces applications sontlimites par la pression maximale de service et par la

temprature diffrentielle entre les deux fluides. On

fabrique aujourdhui, des changeurs plaques et joints

fonctionnant des pressions de 15 20 bars. La

temprature maximale est limite par la nature des joints.

La valeur communment admise comme limite est de

lordre de 150C, et 230C pour des joints spciaux. La

surface dchange est compose de plaques mtalliques,

quipes de joints, serres les unes contre les autres laide

de tirants entre deux flasques, lune fixes, lautre mobile.

Un rail fix sur la flasque fixe et sur un pied supporte lensemble des plaques et permet ledplacement de celles-ci pour les manutentions. Les plaques dfinissent un ensemble de

canaux dans lesquels circule respectivement chacun des fluides. Les changeurs plaques et

joints sont surtout utiliss pour les transferts de chaleur entre fluides monophasiques, mais de

plus en plus dapplications existent en double phase, condensation et vaporation.

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Les changeurs plaques soudes ou brases permettent de travailler avec des niveaux

de pression et de temprature plus levs. Ils sont essentiellement utiliss en rcupration de

chaleur dans les domaines tel que la chimie, la

ptrochimie... Leur mthode de fabrication et

dassemblage varie en fonction du fabricant et de leur

forme. Ainsi, on trouve des variantes dchangeurs tubes et calandres appeles changeurs lamellaires,

constitus par un faisceau de tubes aplatis. Ces lamelles

sont ralises laide de deux plaques soudes

ensembles et formant un canal.

La variante de lchangeur plaques et joints est

lchangeur bras, constitu de plaques

cannelures empiles les unes sur les autres.

Ltanchit se fait en brasant les plaques entre

elles.

Les changeurs surface secondaire sont raliss en aluminium ou en acier

inoxydable. Ils sont constitus par un empilement de tles ondules formant des ailettes

spares par des tles planes. Ainsi, les fluides empruntent les petits canaux forms par les

ailettes. Les canaux peuvent prendre des formes diffrentes en fonction des ailettes utilises.

Les changeurs plaques peuvent vhiculer toutes sortes de fluides. Toutefois, les

fluides les plus encrassant sont utiliser avec prcaution.

Comme lavons vu, les changeurs tubes sont les plus couramment utiliss dans

lindustrie. Pourtant, grce leur gomtrie, les changeurs plaques sont plus performants

que les changeurs tubulaires. Pour une mme section, les changeurs plaques offrent plus

de surface dchange. De plus, le travail de la surface des plaques offre la possibilit

dintensifier les changes. Pour une mme puissance, la surface dchange sera plus faible

avec un changeur plaques, et lencombrement sera dautant diminu. Par ailleurs, les

changeurs plaques sont les plus adapts pour les changes gaz/gaz. Enfin, les fluides que

lon vhiculera lintrieur de lchangeur sont peu encrassant; lutilisation des changeurs

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Les ventilateurs

Pour faire circuler les fluides lintrieur de lunit de rcupration dnergie, et

contrler leurs dbits, il est ncessaire dutiliser des circulateurs dair. Les circulateurs dair

les plus connus sont les ventilateurs. Un ventilateur est une turbomachine qui reoit de

lnergie mcanique. Il lutilise laide dune ou plusieurs roues aubes, de manire

entretenir un coulement continu dair ou dun autre gaz. Il existe trois principaux types de

ventilateurs:

- les ventilateurs centrifuges

- les ventilateurs hlicodaux

- les ventilateurs tangentiels

Les ventilateurs centrifuges.

Lair entre dans la roue avec une vitesse axiale, et sort dans une direction parallle auplan radial.

Les ventilateurs hlicodaux.

Ce sont des ventilateurs dans lesquels, lair entre et sort de la roue avec une direction

sensiblement parallle laxe de rotation.

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Les ventilateurs tangentiels.

Dans ces ventilateurs, la trajectoire du fluide dans la roue reste perpendiculaire laxe,

aussi bien lentre qu la sortie de la roue.

Remarque:

Il existe aussi un autre type de ventilateur intermdiaire appel hlico-centrifuge dans

lequel, la direction du fluide est intermdiaire entre les ventilateurs centrifuges et les

ventilateurs hlicodaux.

Enfin, ces trois types de ventilateurs peuvent tre employs sous diffrentes formes

(aubes plus ou moins inclines pour les ventilateurs centrifuges, avec ou sans aubes de

guidage, pour les ventilateurs hlicodes...) et donc rpondre diffrentes contraintes. Alors,

mis part les ventilateurs tangentiels plutt employs pour les hautes pressions, nous ne

pouvons pas choisir le type de ventilateurs utiliser pour notre unit : notre choix ne peut pas

se baser uniquement sur les technologies des ventilateurs.

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Etude thorique

Dimensionnement de lchangeur.

Conditions initiales.

Lobjectif du dimensionnement de lchangeur est de dterminer la surface dchange

ncessaire la rcupration de lnergie thermique contenue dans les fumes du four.

On value la surface de cet changeur partir du dbit et des tempratures dentres et desorties des fluides:

-le dbit mesur des fumes est de: Qvc= 20m3/h pour la maquette et Qvc= 385m

3/h

pour lunit relle.

-la temprature des fumes, mesure la sortie du four est de: Tc e= 327C.

-la temprature des fumes la sortie de lchangeur est limite par la temprature de

rose des fumes. La littrature donne une temprature de rose pour les fumes issues de la

combustion du propane de 54.5C. Afin de sassurer quil ny aura pas de condensation

lintrieur de lchangeur, nous prenons une temprature de sortie des fumes de 10C

suprieure la temprature de rose ; soit Tcs= 64.5C.

-nous dterminons une temprature dentre dair : Tfe= 15C

Nous tudierons donc les variations de la surface dchange en fonction de la temprature de

sortie du fluide froid (air). Ainsi, pour une temprature dair donne la sortie de lchangeur,

nous dterminerons la surface dchange ncessaire.

Nous ferons varier Tfs de 80C 120C afin dtudier la variation de la surface

dchange sur une plage de temprature relativement importante et susceptible de convenir

lutilisation finale de lair. Ceci nous permettra de dterminer en fonction des contraintes du

march le niveau de temprature auquel devra fonctionner lunit de rcupration dnergie.

La relation donnant la surface dchange est :

lnTSHP

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

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Dtermination des donnes manquantes.

La puissance totale change par les deux fluides dans lchangeur est donne par la

relation:

fffccc TcpqmTcpqmP

Ainsi, nous pouvons dterminer le dbit massique de lair en fonction de sa

temprature de sortie.

ff

fTcp

Pqm

Afin de poursuivre le dimensionnement, il est ncessaire de prendre en compte les

caractristiques de lchangeur ; soit:

-les dimensions des canaux de passage des fluides

-le type de plaques utilises (gomtrie, relief des plaques)

-lpaisseur des plaques-le matriau utilis pour les plaques

-le sens dcoulement des fluides (changeur contre courant, co-courant, courants

croiss).

Schmas de principe du fonctionnement dun changeur contre courant:

La vitesse de lair dans lchangeur est tudie en fonction de Tfscar le dbit massique

de lair varie avec sa temprature.

D

Qvv

f

f

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Dtermination de la surface dchange

Nous savons que le transfert thermique entre les deux fluides dpend du type

dcoulement quils suivent. Dans le but dtablir leur rgime dcoulement, on calcule le

nombre de Reynolds selon la relation:

hDv Re

Le rsultat obtenu ainsi que les caractristiques de lchangeur, nous permettent de

choisir une corrlation de Nusselt adapte notre cas. Dans un premier temps, nous prendronsune corrlation valable pour un changeur plaques planes, contre courant, en rgime

turbulent; soit:

31

54

PrRe0288,0 Nu

Remarque : Cette relation est issue du cours dchangeur enseign en seconde anne dIUTGTE.

Dans un second temps, nous utiliserons des corrlations valables pour des plaques

corrugues. Ces corrlations sont issues dtudes ralises par le GRETh (Cf. annexe). Ainsi

nous obtiendrons une base de donnes thorique qui nous permettra de comparer nos rsultats

ceux des fournisseurs dchangeurs plaques.

Nous calculons ensuite le nombre de Prandt. Il permet de comparer la vitesse de

diffusion de la chaleur dans le fluide par rapport la diffusion de la vitesse. Il est dfini par la

relation:

cpPr

En introduisant les valeurs numriques des nombres de Prandt et Reynolds, nous

obtenons un nombre de Nusselt permettant de caractriser lcoulement de lair danslchangeur; ceci pour chaque temprature Tfsprdtermines.

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Ensuite, lexpression du nombre de Nusselt:

hDhNu

nous permet de dterminer la valeur du coefficient de convection h en fonction de Tfs. laide

des proprits physiques des fluides.

Nous pouvons donc calculer le coefficient global dchange caractris par la relation:

1 1 1

H h h

ep

i e p

La surface S des plaques est calcule en fonction des diffrentes tempratures de sortie

Tfs. Elle est donne par la formule:

S P

H T

ln

Remarque :

Tlnpour un changeur contre-courant est donn par:

T Tc T f Tc Tf

Tc T f

Tc T f

e s s e

e s

s e

ln

( ) ( )

ln

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Organigramme du calcul.

pcPr

hDv Re

31

54

PrRe0288.0 Nu

hDhNu

ccc TcpQmP

pei

ep

hhH

111

es

se

esse

TfTc

TfTc

TfTcTfTcT

ln

)()(ln

P=H.S.Tln

S

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Evaluation des pertes de charges dans les circuits.

Lorsquun fluide est mis en circulation dans un circuit, il est soumis une force qui

soppose son dplacement. Cette force est lorigine des pertes de charges. Celles-ci

dpendent essentiellement de la vitesse et de la viscosit du fluide en prsence ainsi que de la

rugosit (tat de surface) de la conduite et des accidents du circuit. Ainsi, faire circuler un

fluide ncessite lapport dnergie mcanique permettant de vaincre les pertes de charges.

On distingue deux types de pertes de charges :

- les pertes de charges rgulires (linaires).

- les pertes de charges singulires.

Les pertes de charges rgulires.

Elles sont gnres par les frottements du fluide dans les longueurs droites desconduites. Elles peuvent tre values laide de la relation:

P j LL D

On pourra dterminer j laide des abaques que lon trouvera dans la littrature (Cf.

annexe). Par ailleurs, on pourra appliquer un coefficient de majoration pour le calcul des

pertes de pressions statiques en fonction du matriau utilis pour la conduite et de son

usinage.

Les pertes de charges singulires.

Elles sont dues aux singularits du circuit (t, coude, largissement, rtrcissement,

robinet...). Elles peuvent tre values laide de la relation suivante:

Ps ( ) /2 2

Dans laquelle , qui dpend de la singularit, sera dtermin laide des tableaux que lon

trouvera dans la littrature (cf. annexes).

Une seconde mthode permettant dvaluer les pertes de charges singulires, consiste

attribuer une longueur quivalente de circuit droit (gnrant les mme pertes de charges) que

lon ajoutera la longueur droite lors du calcul des pertes de charges linaires.

Les pertes de charges totales.

Les pertes de charges totales le long du circuit, sont la somme des pertes de charges

singulires et des pertes de charges rgulires.

P P Ptot s l

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Etude numrique

Dimensionnement des changeurs

Comme nous lavons vu prcdemment, la surface dchange dpend essentiellement

du dbit des fumes et de la temprature de sortie de lair. Nous avons un dbit de fumes de

20m3/h pour lchangeur 1 et de 385m3/h pour lchangeur 2. Dans le but dtablir une plage

de fonctionnement thorique des units de rcupration dnergie, on effectue le

dimensionnement des changeurs pour des tempratures de sortie dair comprises entre 80 et

120C. Par ailleurs, cette tude a pour but de comparer nos rsultats aux surfaces proposes

par les constructeurs. Nous avons donc retranscrit notre dmarche thorique en utilisant les

caractristiques des changeurs proposes par les fabricants. Pour cette application numrique,nous avons repris les dimensions des canaux proposes par lentreprise Kapp France (Cf.

devis en annexe) et utilis de lacier inoxydable pour les plaques (=25W/m). Toutefois,

n'ayant pas les corrlations employes par le constructeur, nous utilisons celles obtenues dans

la littrature (Cf. annexe).

Ainsi nous avons russi tablir une base de donnes partir des grandeurs physiques

des fluides et des caractristiques des changeurs tudis.

Exemple :base de donne utilise pour le dimensionnement de lchangeur 2 constitu de

plaques planes.

Fluide chaud Fluide froid

Tce (C) 326,85 Tfe (C) 15

Tcs (C) 64,5 Tfs (C) 80

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Lutilisation de cette base de donne nous permet, en suivant la dmarche dcrite dans la

partie thorique, de calculer la surface dchange ncessaire au transfert de chaleur.

Exemple : calcul de la surface dchange effectu avec la base de donne prcdente.

puissance echange (W) 47416,12Rsultats

Tfs (C) Debit air (m3/h) Delta Tln vitesse (m/s) diamtre hydraulique Reynolds Prandtl Nusselt Coef h (W/m2K) H global Surface d'change (m2)

80 2010,693 122,821 7,254 0,014 5810,834 0,712 26,405 52,349 26,191 14,740

85 1867,072 121,254 6,735 0,014 5395,774 0,712 24,885 49,336 25,414 15,387

90 1742,600 119,678 6,286 0,014 5036,056 0,712 23,549 46,687 24,693 16,045

95 1633,688 118,093 5,894 0,014 4721,303 0,712 22,364 44,337 24,019 16,716

100 1537,589 116,500 5,547 0,014 4443,579 0,712 21,305 42,238 23,390 17,401

105 1452,167 114,898 5,239 0,014 4196,713 0,712 20,353 40,350 22,799 18,101

110 1375,737 113,286 4,963 0,014 3975,834 0,712 19,491 38,642 22,244 18,817

115 1306,950 111,665 4,715 0,014 3777,042 0,712 18,707 37,089 21,720 19,550

120 1244,715 110,033 4,490 0,014 3597,183 0,712 17,991 35,669 21,225 20,303

fumes 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 tudier

lvolution de la surface dchange en fonction du type de plaques employes. Nous avons

donc utilis des corrlations valables pour des plaques corrugues, calcules partir de

courbes fournies par le GRETh. Nous obtenons ainsi un ensemble de rsultats nous permettant

de caractriser les plaques tudies par leur surface dchange. Nous les comparons en traant

sur un mme graphique leurs surfaces dchanges en fonction de la temprature de sortie de

lair (pour le dtail de lensemble des calculs, se reporter aux feuilles Excel en annexe).

Exemple: comparaison des droites S=f(Tfs) pour lchangeur 2.

Surface d'change en fonction de la temprature 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

Temprature de sortie d'air (Tfs en C)

Surfaced

'change(Senm)

plaque plane

corrugue a 15

corrugue a 30

corrugue a 45

corrugue a 60

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Nous constatons que lutilisation dune plaque plane pour une temprature de sortie dair

donne, est videmment la solution la moins intressante. Elle ncessite la plus grande surface

dchange. Par consquent, nous utiliserons des plaques travailles pour intensifier lchange

thermique et ainsi rduire la surface dchange, et lencombrement gnr par lchangeur.

Remarque : Lutilisation dune feuille de calcul Excel pour le dimensionnement deschangeurs prsente de nombreux avantages. Tout dabord, lautomatisation des calculs nous

permet dtudier diffrentes plaques sans reprendre pour chacune delles lensemble du calcul.

Ensuite, nous pouvons aisment changer une donne de base pour observer rapidement son

effet sur la surface thorique (paisseur des plaques, constantes physiques des fluides...).

Lavantage majeur de lutilisation de ce logiciel dans notre cas est essentiellement un gain de

temps.

Dimensionnement des ventilateurs.

Un ventilateur se caractrise par deux grandeurs : la pression statique (permettant de

vaincre les pertes de charge) et le dbit. En vue du dimensionnement des ventilateurs, nous

tudions les caractristiques des circuits des deux units de rcupration dnergie.

Caractristique physique des circuits.

Nous basons notre tude des circuits sur lutilisation des changeurs fournis par

lentreprise Kapp France, et une temprature de sortie dair de 110C.

caractristique de lunit 1 :

dbit des fumes : 20m3/h

dbit de lair : 71.5m3/h

gaine rectangulaire du circuit des fumes : 30200mm

gaine rectangulaire du circuit de lair : 50200mm

vitesse moyenne des fumes : 2.8m/s

vitesse moyenne de lair : 4.13m/s

pertes de charge dans lchangeur :

-cot fumes : 100Pa

-cot air : 600Pa

caractristique de lunit 2 :

dbit des fumes : 385m3/h

dbit de lair : 1375.7m3/h

gaine rectangulaire du circuit des fumes : 200500mm

gaine rectangulaire du circuit de lair : 400500mm

vitesse moyenne des fumes : 3.24m/s

vitesse moyenne de lair : 4.96m/s

pertes de charge dans lchangeur :

-cot fumes : 200Pa-cot air : 300Pa

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Les pertes de charge rgulires

P j LL D

Nous valuons les longueurs droites pour chaque circuit 10 mtres. Nous

dterminons j laide dabaques (Cf. annexe). Nous obtenons j en connaissant le dbit des

fluides et leur vitesse dcoulement. Nous valuons ainsi j pour chaque circuit et en dduisons

les pertes de charge linaires (except pour celui des fumes de lunit 1 car le dbit de fluide

est trop faible et ne figure pas sur labaque utilise).

coefficient j pertes de charge

en Pa/m linairesen Pa

unit 1circuit des fumes ? ?

circuit d'air 3,7 37

unit 2

circuit des fumes 0,75 7,5

circuit d'air 1 10

Les pertes de charge singulires.

Nous valuons le nombre de singularits sur chacun de nos circuits 6 ; soit :

2 coudes droits

2 rtrcissements

2 largissements

Les largissements et rtrcissements sont ncessaires au passage des lments de

lunit de rcupration dnergie (changeur et ventilateur). Les coudes sont utiles pour

orienter les gaines dans laxe des lments. Nous tudions les pertes de charge singulires

pour des conduites rectangulaires. Elles sont donnes par :

Ps ( ) /2

2

Nous dterminons, pour chaque conduite, pour chaque type de singularit. Nous

trouvons ces coefficients dans la littrature (Cf. annexe).

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Les coudes droits.

Pour chaque conduite, nous calculons le rapportpetit cot /grand cotqui nous

permet de dduire le coefficient copour les coudes droits.

Rapport coefficient pour

l/L les coudes

unit 1

circuit des fumes 0,15 2,2

circuit d'air 0,25 2,1

unit 2

circuit des fumes 0,4 1,8

circuit d'air 0,8 1,4

Les rtrcissements.

Le coefficient reest constant pour toutes les conduites (Cf. annexe).

On lit dans le tableau :

re=0.1

Les largissements.

Le coefficient el dpend de langle que fait la paroi interne de

llargissement avec la parallle la gaine amont.

Pour notre tude, nayant pas les donnes relles, nous valuerons =30,qui nous semble tre

une valeur cohrente. Pour cette valeur de langle, on trouve :

el=0.8.

A partir de ces trois types de singularits, nous valuons les pertes de charge

singulires sur chacun des circuits.

Remarque : pour calculer les pertes de charge, nous devons connatre la masse volumique des

fluides. Or, au cours de leurs progressions linterieur de lunit de rcupration dnergie,

leurs tempratures varient. Pour faciliter les calculs, nous prenons un moyen pour chacun

des deux fluides :

air=1.06 Kg/m

3

fumes=0.84 Kg/m

3

Nous calculons les pertes de charge singulires pour chacun des circuits laide de la relation:

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( )2 2 22

2

co re el air

v

Nous obtenons ainsi les rsultats suivants :

Pertes de charge

singuliresen Pa

unit 1

circuit des fumes 20,41536

circuit d'air 54,240942

unit 2

circuit des fumes 23,8085568

circuit d'air 59,9787008

Les pertes de charge totales.

Pour calculer les pertes de charge totales sur chaque circuit, nous ajoutons les pertes de

charge singulires, les pertes de charge rgulires et les pertes de charge lintrieur de

lchangeur (donnes par le constructeur). Nous ngligerons les pertes de charge gnres par

la diffrence de hauteur le long des circuits pour deux raisons :

-du fait de la masse volumique de lair, elles sont faibles.

-nous ne connaissons pas, sil y en a une, la diffrence de hauteur entre les extrmits

des circuits.

Tableau rcapitulatif des pertes de charge et des dbits pour les circuits tudis :

pertes de charge pertes de charge pertes de charge pertes de charge dbits

linairesen Pa singulires en Pa dans l'changeuren Pa totaleen Pa en m3/h

unit 1

circuit des fumes ? 20,42 100 ? 20

circuit d'air 37 54,24 600 691,24 71,5

unit 2

circuit des fumes 7,5 23,81 200 231,31 385

circuit d'air 10 59,98 300 369,98 1375,7

Nous constatons que les pertes de charge, dans le circuit dair de lunit 1, sont

relativement leves. Ceci est consquent la faible section de la gaine et au faible

espacement entre les plaques dans lchangeur.

Les ventilateurs que nous devrons prendre pour chaque circuit doivent rpondre aux

caractristiques prcdentes. Nayant pas pu dterminer les pertes de charge rgulires sur le

circuit des fumes de lunit 1, nous supposerons, lors de notre demande auprs des

constructeurs, quelles sont, au plus, gales celles du circuit de lair. Par ailleurs, ces

ventilateurs devront rpondre une contrainte supplmentaire : supporter les tempratures des

fluides quils vhiculeront.

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Commentaire des rsultats et observations.

Comparaison des surfaces.

Pour chacun de nos deux changeurs, nous obtenons une valuation thorique de la

surface dchange en fonction de Tfs et du type de plaques utilises. Pour comparer nos

rsultats aux surfaces proposes par les fournisseurs, nous calculons cette surface la mme

temprature queux, soit Tfs= 105C. Avec ce niveau de temprature, nos surfaces dchange

varient, en fonction des plaques utilises, de 0.21m 1.05m pour lchangeur 1, et de 3.8m

18.1m pour lchangeur. Selon les deux premiers devis proposs par lentreprise Kapp

France, les surfaces proposes sont : -0.96m pour lchangeur 1.

-22m pour lchangeur 2.

Nous constatons que les surfaces que nous avons calcules sont du mme ordre de

grandeur que celles proposes par le constructeur, et sont, pour la majorit dentre elles, plus

faibles. Notre rsultat qui se rapproche le plus de la surface calcule par le constructeur

correspond lutilisation de plaques planes. Or nous savons que les changeurs fournis par

lentreprise Kapp France sont constitus de plaques travailles pour intensifier les changes

thermiques. Ceci implique que, par le calcul thorique valable pour les plaques planes, nous

devions trouver des surfaces dchange suprieures celles du constructeur. Cette diffrence,

entre nos rsultats et ceux thoriquement attendus, a plusieurs causes. La premire, est que

nous ne connaissons pas la corrlation valable pour les plaques utilises par lentreprise Kapp

France. La seconde, est que nous avons bas nos calculs sur lutilisation dun changeur

contre-courant, or lchangeur fournis est courants croiss. Ce type dchangeur tant moins

performant que celui que nous avons tudi, il est logique que les surfaces calcules par leconstructeur soient plus grandes. La diffrence dvaluation de la surface dchange entre ces

deux types dchangeurs thermiques, est lapplication dun coefficient. Ce dernier permet de

caractriser, entre autres, langle avec lequel les deux fluides se croisent. Lobtention de ce

coefficient nous aurait permis damliorer notre valuation thorique.

Remarque : Nous navons pu effectuer les comparaisons de surfaces quavec les changeurs

de lentreprise Kapp France car il nous manque des donnes pour ceux fournis par CRCT.

Dimensionnement des ventilateurs

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Nomenclature

Qvc: dbit volumique du fluide chaud (fumes issues du four industriel) en m3

/s.Qvf: dbit volumique du fluide froid (air prlev lextrieur) en m

3/s.

qmc: dbit massique du fluide chaud en kg/s.

qmf: dbit massique du fluide froid en kg/s.

Tce : temprature dentre dans lchangeur du fluide chaud en K.

Tcs: temprature de sortie de lchangeur du fluide chaud en K.

Tfe : temprature dentre dans lchangeur du fluide froid en K.

Tfs : temprature de sortie de lchangeur du fluide froid en K.

Tc: diffrence de temprature des fumes entre lentre et la sortie de lchangeur

(Tce-Tcs) en K.

Tf : diffrence de temprature de lair entre lentre et la sortie de lchangeur

(Tfs-Tfe) en K.

P : puissance calorifique change par les deux fluides en W.

cpc: capacit calorifique massique du fluide chaud en J/kg.K.

cpf: capacit calorifique massique du fluide froid en J/kg.K.

: viscosit cinmatique du fluide en m/s.

: viscosit dynamique du fluide en kg/s.m.

: conductivit thermique du fluide en W/m.K.

p: conductivit thermique des plaques en W/m.K.

H : coefficient global dchange en W/m. K.

hi: coefficient de convection interne ; ici, cest le coefficient h calcul du ct de

lair en W/m.K.he: coefficient de convection externe; ici, cest le coefficient h calcul du ct des

fumes en W/m.K.

vf : vitesse de lair en m/s.

Dh : diamtre hydraulique de la conduite en m.

ep : paisseur de la plaque en m.

D : section du canal de passage dans lchangeur en m.

S : surface de lchangeur en m.

PL : pertes de charge linaire en Pascals.

j : pertes de charge unitaire en Pa/m.

LD : longueur droite en mtres.PS : pertes de charge singulires en Pascals.

: coefficient de pertes de charge, fonction de singularit.

: masse volumique du fluide en kg/m3.

W : vitesse de lcoulement du fluide en prsence en m/s.

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BIBLIOGRAPHIE

-Livres:* Technologie des changeurs thermiques

issu du GRETH(1998) et de Technique de lingnieur

- Chapitre II, 2.2 et 2.3

- Auteurs: A. Bontemps, A. Garrigue, R. Vidil

* Technique de lingnieur(1998) gnie nergtique B2 I

- Page B 2341-1 page B 2341-12, sous la direction de A. Lamelland

- Chapitre sur les changeurs de chaleur

* Le Recknagel, manuel pratique de gnie climatique, 2me dition, Edition PYC

- Chapitre des composants des appareils de traitement dair* Aide mmoire du thermicien

* Mmotech gnie nergtique(1996), Edition Educalivre, P. Dal Zotto, JM. Larre

- Chapitre 9, 1

-Internet:* Connaissance de lentreprise Epure Tec

-http://mageos.ifrance.com/EpureTec/

- http://www.pollutec.com/exhibitors/2000/20/2004.htm

* Recherche dentreprises fabriquant des changeurs

- http://www.ciat.fr

- http://www.aertherm.fr

- http://www.barriquand.com/

* recherche dimage dchangeur

- 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 dentreprises fabricant:

- changeurs plaques- tube inox.

- extracteurs

-Cours:* Echangeur

* Transfert thermique

* Groupement de recherche et dtude thermique (Greth)