(TTD Échangeurs) PDF

INSTITUT UNIVERSITAIRE DE LA COTE
MASTER 2 G.E.E. / G.I.M.
TRAVAUX DIRIGES DE TECHNOLOGIE DES ECHANGEURS THERMIQUES
Enseignant : Dr Francis DJANNA
PROBLME N 1 : Connaissance des changeurs
1)Nommez ces changeurs

2) Donnez au moins trois domaines dapplications des changeurs plaques, des changeurs
tubulaires.
3) Soit lchangeur ci-dessous reprsent.
a) Nommer cet changeur
b) Caractrisez les courants
Identifiez les diffrents composants de cet changeur

Enumerez au moins trois rles que joue la prsence de (1).
PROBLME N 2 : Coefficient dchange
Le transfert de chaleur entre deux fluides seffectue travers un tube dacier de diamtres
intrieur/extrieur 18 / 21 mm.
On donne :
- ct intrieur : h1 = 1000 W / m2K ; temprature moyenne de mlange T1 = 10 C
- ct extrieur : h2 = 2000 W / m2K ; temprature T2 = 25C
- acier : = 46 W / m.K
1. Calculer le coefficient global dchange K.
2. Aprs un an de fonctionnement, on estime avoir une rsistance dencrassement
R e = 4.104 W1 m2 K. Dterminer le nouveau coefficient dchange global.
3. En attribuant une efficacit de 1 au tube neuf, que devient cette efficacit au bout dun an ?
4. Quel est alors le flux chang dans un tube de longueur L = 1 m ?
PROBLME N 3 : Mthode NUT
Un changeur contre-courant fonctionne dans les conditions suivantes :

Tce = 200 C Tfe = 290 C
Tcs = 350 C Tfs = 120 C
Cmin = Cf Puissance = 415 kW
1. Quelle est la puissance change si on fait travailler lchangeur en mode co-courant, avec
les mmes tempratures dentre et les mmes dbits ? (Utiliser la mthode NUT).
2. Quelles sont les nouvelles tempratures de sortie ?
PROBLME N 4 : changeur plaques
Dimensionner un changeur plaques avec les donnes suivantes :

fluide 1 : acide sulfurique, 436000 kg/h, 84/70C
fluide 2 : eau, 150000 kg/h, 25/40C
Pertes de charge maxi : 100 kPa sur chaque fluide.
Proprits physiques des fluides :
masse volumique (kg/m3) 1 = 1780 ; 2 = 993
viscosit (cP) (1 N s/m =103cP) 1 = 6,2 ; 2 = 0,75
chaleur spcifique (kJ/kg) Cp1 = 1,53 ; Cp2 = 4,16
conductivit thermique (W/m K) 1 = 0,34 ; 2 = 0,62
PROBLME N 5 : Chemine
On veut estimer la chute de temprature des fumes dans une chemine, en considrant le
conduit comme un changeur dont les fumes constituent le fluide chaud, et lair ambiant le
fluide froid. On admet que la temprature Ta de lair est constante le long de la paroi
extrieure de la chemine. On dsigne par k le coefficient global dchange travers la paroi.
1. En adaptant le calcul dun changeur co-courant au cas particulier ci-dessus
(Tf = Ta = cte ), montrer que la temprature des fumes dans la chemine obit la loi :
T T K
exp S
T T C
2. Le conduit est cylindrique, de diamtre D et de longueur L. crire la temprature
Tcs de sortie des fumes.
3. Calculer Tcs avec les valeurs suivantes : L = 20m ; D = 30 cm ; Tce = 320C ;
Ta = 10 C ; K = 20 W / m2K . Pour les fumes : qmc = 0,5 kg / s ; Cpc = 1050 J / kg K .
PROBLME N 6 : changeur changement de phase
De leau froide circule dans un tube de chaudire condensation. Sa temprature

dentre est Tfe = 18 C et son dbit qmf = 400 kg / h . Le rchauffage est assur par
condensation de vapeur deau lextrieur du tube, la temprature Tc = 104 C .
On donne : diamtre intrieur d = 12,5 mm ; diamtre extrieur D = 16 mm ;
longueur L = 2,4 m ; conductivit de la paroi p= 46 W / mK . Pour leau, on admettra dans la
gamme de temprature considre : f =0,7.10-6 m2/s ; Prf = 5,5 ; Cpf = 4180 J / kg K .
1. Calculer le coefficient dchange hf lintrieur du tube.
2. On donne le coefficient h ct vapeur : hc = 8000 W / m2 K. Calculer le coefficient global
dchange K.
3. Calculer le NUT et lefficacit de lappareil.
4. Dterminer la temprature de sortie deau Tfs , puis la quantit de chaleur Q rcupre
annuellement grce au dispositif condensation, si lon considre que la saison de chauffe
dure 150 jours et que la chaudire fonctionne 5 heures par jour.
On rappelle la corrlation en rgime turbulent et pour Pr 0,6 :
S 0,023 Re ,
Pr ,
Avec S ( le nombre de Stanton ).
!
PROBLME N 7 : changeur faisceau de tubes et calandre
Dans la sous-station de chauffage collectif dun immeuble on dsire installer un changeur

faisceau tubulaire et calandre, destin porter de 40 60 C un dbit deau de 20000 kg/h. Le
fluide primaire qui circule dans les tubes est de leau surchauffe arrivant 180 C, raison
de 10000 kg/h. Les tubes ont un diamtre intrieur d = 20 mm ; la vitesse dcoulement
adopte est telle que Re = 10000. Le coefficient dchange global K est estim
450 W / m2K . On admet pour leau surchauffe les caractristiques thermophysiques
suivantes : Cpc = 4315 J / kg K ; = 920 kg / m3 ; = 19.10 5 kg / m.s .
1. Calculer la puissance change et la temprature de sortie du fluide chaud.
2. Lchangeur est contre-courant, avec une seule passe sur chaque fluide, les tubes tant
monts en parallle (modle sans les chicanes). Dterminer :
- la surface dchange ncessaire
- la vitesse dans les tubes
- la section totale des tubes
- le nombre de tubes et la longueur du faisceau
PROBLME N 8 : changeur plaques
De lair chaud 80C produit par une installation industrielle est vacu lextrieur raison
de 5000 kg/h. Il traverse pralablement un changeur servant prchauffer 20C lair neuf
admis dans le btiment une temprature dentre de 5C.
Lchangeur est un appareil plaques planes et courants croiss, sans brassage des
fluides, dont la surface dchange est = 50 m2 . Dans la plage de fonctionnement prvue,
son coefficient global dchange k est estim par le constructeur :
K = 3,6 qmf + 65
avec qmf en kg/s et K en W / m2K .
1. Estimer priori sur quel circuit le dbit thermique unitaire est minimal.
2 En procdant par approximations successives, dterminer quel dbit dair neuf cet
changeur peut porter 20C.
3. Calculer la temprature de sortie du fluide chaud et la puissance de lchangeur.
P.J. Abaque E = f(NUT), fig. P.7.
PROBLME N 9 : changeur tubulaire courants croiss
Une chaudire mazout produit des fumes 360 C qui sont utilises pour
prchauffer de 20 120 C lair ncessaire la combustion.
Linstallation consomme 1500 kg de mazout par heure. La combustion dun kilog de mazout
demande 17,95 kg dair et produit 18,95 kg de fumes.
Lappareil utilis est un changeur tubulaire courants croiss, deux passes ct
tubes ; lair circule dans les tubes, verticalement, et les fumes autour des tubes,
horizontalement (cette disposition limite les obligations de ramonage).
La temprature de paroi Tp des tubes doit tre partout suprieure 160 C pour viter
la corrosion due la condensation des composs soufrs.
Les tubes forment un faisceau en ligne, pas carr, de pas relatif e+ = 1,4 . Ils ont pour
diamtre extrieur D = 55 mm et pour diamtre intrieur d = 50 mm .
Pour chaque coulement, le nombre de Reynolds est fix : Ref = 25000 dans les tubes
(fluide froid) et Rec = 5000 en calandre (fluide chaud, vitesse de rfrence = vitesse dbitante
en calandre vide).
Dans le domaine de temprature envisag, on prendra comme caractristiques
moyennes des fumes :
= 3.105 kg / m.s Cp =1212 J / kg K
= 0,033 W / mK = 0,585 kg / m3.
1. Calculer la temprature de sortie des fumes Tcs .

2. Lchangeur peut fonctionner soit avec des entres opposes, soit avec des entres du
mme ct (voir figure P8). Quel sens de fonctionnement doit tre choisi pour viter le risque
de condensation des composs soufrs ?
3. Calculer quelles vitesses de rfrence V et V# correspondent les nombres de Reynolds
imposs.
4. Dterminer le coefficient global dchange Kc ct fluide chaud (ngliger la rsistance
thermique de la paroi).
5. Calculer la puissance de lchangeur, son efficacit E et son NUT. Dterminer la surface
dchange c ct chaud, le nombre de tubes ncessaires et la longueur L de chaque tube.
PROBLME N 10 : changeur tubes et calandre
Un changeur tubes et calandre est utilis pour refroidir un dbit Q1 = 15 m3 / h de

dodcane de Te1 = 120 oC Ts1 = 60 C avec de leau industrielle circulant dans les tubes
contre-courant dont la temprature varie de Te2 = 20 C Ts2 = 30 C.
Les proprits physiques du dodcane une temprature moyenne de 90 C sont les suivantes
: 1 = 750 kg/m3, Cp1 = 2 260 J/(kg K), 1 = 0,151 W/(m K) et 1 = 7,5 104 Pa s.
Cet changeur est constitu dun faisceau de 66 tubes en acier doux de conductivit p = 50
W/(m K), de diamtres intrieur/extrieur de 20/24 mm, au pas triangulaire normal p = 30
mm. Les tubes sont assembls en deux passes. La calandre a un diamtre D = 337 mm et
possde des chicanes dpaisseur e = 5 mm espaces dune distance b = 100 mm. La hauteur
laisse libre chaque chicane est de 25 % du diamtre intrieur de la calandre.
1- Proposez un schma du principe de fonctionnement de cet changeur. (On se limitera
quatre tubes pour le schma)
2- En utilisant la mthode du DTML, procdez un calcul du dimensionnement de cet
changeur ci-dessus
PROBLME N 11 : changeur tubes et calandre
Reprendre le calcul de lchangeur prcdent par la mthode du NUT, en prenant une surface
dchange S = 7,88 m2, pour un dbit de dodcane devenant Q1 = 18 m3/h et pour la mme
temprature dentre deau (20 oC). Cherchons connatre les tempratures de sortie des
fluides (le dbit deau restant inchang)
.

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PROBLME N 4 : changeur plaques

Dimensionner un changeur plaques avec les donnes suivantes :

PROBLME N 6 : changeur changement de phase

De leau froide circule dans un tube de chaudire condensation. Sa temprature

PROBLME N 7 : changeur faisceau de tubes et calandre

Dans la sous-station de chauffage collectif dun immeuble on dsire installer un changeur

PROBLME N 8 : changeur plaques

1. Calculer la temprature de sortie des fumes Tcs .

Un changeur tubes et calandre est utilis pour refroidir un dbit Q1 = 15 m3 / h de

PROBLME N 11 : changeur tubes et calandre

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