TRANSFERTS THERMIQUES

TRANSFERTS THERMIQUES
La séance de TP comporte deux parties :
- Isolation thermique
But : Etude de l'isolation d'une canalisation en acier sous pression de vapeur pour des revêtements
externes de natures différentes.
Déterminer l'efficacité d'isolation à partir des pertes de chaleur expérimentales et comparer aux
valeurs estimées par la théorie.
- Echangeurs de chaleur
But : Etude de deux types d'échangeurs :
- Echangeur tubulaire liquide-vapeur,
- Echangeur à plaques liquide-liquide.
Etablir le bilan thermique, déterminer le coefficient global de transfert et calculer les paramètres
demandés suivant les conditions de circulation des fluides.
TP thermique
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ISOLATION THERMIQUE
I - ETUDE EXPERIMENTALE
A - Descriptif
On dispose de 4 tubes en acier identiques, dans des conditions d'isolation différentes :

tube nu (référence),

tube recouvert de peinture d'aluminium,

tube recouvert d'un isolant à base de magnésie,

tube recouvert d'un isolant en fibres de verre.
Ces tubes peuvent être mis sous une pression de vapeur saturée pouvant varier de 0 à 3 bars à l'aide
d'un détendeur. Une faible inclinaison des tubes permet l'écoulement des condensa ts et la récupération
de ceux-ci en bout de ligne.
Caractéristiques.
tubes : diamètre intérieur
diamètre extérieur
longueur
D1 = 26,5 mm
D2 = 33,5 mm
L = 6,4 m
acier de conductivité thermique m = 39 kcal.h -1 m-1 °C-1

émissivité de l'acier = 0,85
isolants : épaisseur d'isolant 25 mm
conductivité thermique de la laine de verre
conductivité thermique de la magnésie
= 0,036 kcal.h -1 m-1 °C-1
 = 0,054 kcal.h -1 m-1 °C-1
B - Mode et conditions opératoires.
- Purger les tubes : Fermer les robinets des lanternes de coulée et ouvrir momentanément les robinets de
purge d'air (laisser une très légère fuite).
- Ajuster la pression de vapeur à la valeur désirée à l'aide du détendeur.
- Evacuer les condensats en prenant soin, d'une part, de ne pas faire de détente à la pression atmosphérique
en évacuant tout les condensats et d'autre part de ne pas engorger les tubes : la surface libre du condensat
devra toujours se trouver dans la partie "visible" en bout de ligne de la lanterne de coulée.
- Lorsque l'équilibre thermique avec le milieu ambiant est atteint :
- Déterminer les débits massiques de condensats pour chacun des tubes.
- Noter les températures de paroi externe des tubes ainsi que la température du milieu ambiant.
- Déterminer l'émissivité des matériaux de chaque tube.
Changer de pression et refaire les mêmes mesures si nécessaire.
TP thermique
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C - Exploitation des résultats expérimentaux
Pour chacune des pressions de vapeur utilisées, déterminer :
a) Les pertes de chaleur expérimentales Q en kcal/h
b) L'efficacité d'isolation :
-
On admettra que la vapeur cède uniquement sa chaleur latente de condensation (chaleur sensible
négligeable).
II - ÉTUDE THÉORIQUE.
L'étude théorique des pertes de chaleur dans les tubes sera menée à partir de la notion de
résistance thermique : R =
On évaluera la résistance thermique propre à chaque phénomène de transfert :

résistance thermique par convection interne (vapeur - paroi interne du tube),

résistance thermique par conduction dans chacun des matériaux,

résistance thermique par convection externe (paroi externe du tube - air ambiant),

résistance superficielle de rayonnement.
A - Estimation des coefficients d'échange.
1) Coefficient d'échange vapeur - paroi interne du tube : On estime hci = 20000 kcal.h-1.m-2.°C-1
2) Coefficient d'échange air - paroi externe du tube :
-
On utilisera la relation empirique établie dans le cas de l'air en convection naturelle sur une paroi cylindrique de
diamètre extérieur D

F12 T14  T2 4
3) Coefficient superficiel de rayonnement : h r =
T1  T 2

 (constante de Boltzmann) = 5,7.10-8 W.m-2.K-4 et
( S1 = surface du tube d'émissivité
1 et S2 = surface des murs de l'atelier d'émissivité 2)
4) Puissance transmise par conduction à travers une paroi cylindrique :
Q=
TP thermique
2πL
Δθ
De
Ln
Di
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B - Evaluation des pertes de chaleur théoriques pour le tube nu.
Le débit de chaleur sera évalué à partir de la résistance thermique totale du système. On remplira donc au
préalable le tableau suivant :
Température de
la vapeur
v =
Résistance par
convection interne
Résistance par
conduction
Résistance par
convection externe
Résistance due au
rayonnement
Température de
l'air
 ai r =
Que pouvez-vous conclure à partir des valeurs de ce tableau ?
C - Evaluation des pertes de chaleur théoriques pour les tubes isolés
Procéder selon le même principe que pour le tube nu en tenant compte des conclusions tirées.
D - Etude des pertes de chaleur à travers le tube peint
En considérant que le "gain" en calories par rapport au tube nu ne peut s'expliquer que par une diminution des
pertes de chaleur par rayonnement, retrouver le coefficient d'émission pour la peinture d'aluminium en utilisant les
valeurs expérimentales. Comparer la valeur avec celle mesurée.
E - Comparaisons et conclusions
Dresser un tableau comparatif des résultats obtenus pour chaque tube nu ou isolé faisant apparaître :

les pertes de chaleur expérimentales,

les pertes de chaleur théoriques,

l'efficacité d'isolation "expérimentale" et l'efficacité d'isolation "théorique".
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ECHANGEURS DE CHALEUR
I - ECHANGEUR TUBULAIRE
A - Caractéristiques
Le fluide à chauffer circule dans un tube ayant la forme d'un U ; il effectue donc 2 passes sur la longueur L de l'échangeur tandis
que la vapeur effectue un passage dans la calandre. On a un échangeur du type 1-2.
2
Surface de chauffe S = 0,35 m .
B - Conditions et travail opératoires
Pour une pression de vapeur réglée à environ 0,8 bar, faire varier le débit d'eau de 600 L/h à 1200 L/h. S'assurer que
l'équilibre thermique est atteint (températures indépendantes du temps). Noter les températures d'entrée et de sortie de l’eau
dans l'échangeur.
Côté vapeur, pour chaque manipulation, on recueillera pendant une durée déterminée, le condensat, afin d'en connaître le
débit massique.
C - Exploitation des mesures
Pour chaque essai :
- Faire le bilan thermique,
- calculer en %, les pertes thermiques,
- calculer le NUT et l’efficacité de chauffage (
la théorique
c
=1-
-
c ).
Tracer
c
= f(NUT) et comparer la courbe expérimentale à
,
- évaluer le coefficient global de transfert K du condenseur et tracer la courbe K = f(Qv).
II - ÉCHANGEUR A PLAQUES
A - Caractéristiques.
Les plaques en acier inoxydable de conductivité thermique  = 14,5 kcal.h .m °C et d'épaisseur 0,7mm, comportent des
-1
-1
-1
cannelures qui tout en accroissant la surface d'échange, augmentent la turbulence au sein des fluides. Afin d'obtenir la
performance d'efficacité maximum, cet échangeur fonctionne à une seule passe à contre-courant.
Surface totale d'échange S = 0,335 m
2
B - Relations propres à l'échangeur à plaques
Le coefficient global d'échange K d'un échangeur à plaques est défini par la relation :
hc : coefficient d'échange par convection du fluide chaud
hf : coefficient d'échange par convection du fluide froid
e : épaisseur d'une plaque de conductivité thermique 
Rencrassement : Résistance thermique d’encrassement
TP thermique
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Lorsque les deux fluides sont de même nature et qu'ils circulent au même débit, si les domaines de variations des
températures sont voisins, on peut admettre en première approximation hc = hf. On a alors :
Pour un échangeur à plaques dans lequel sont admis deux liquides, chacun des écoulements étant de type turbulent,
a.
l'échange par convection peut être estimé par une corrélation de type « COLBURN » : Nu = A . Re Pr
(Avec Nu =
; Re =
; Pr =
n
; Deq : Diamètre équivalent estimé égal à 2 fois l’espace inter-plaques)
C - Conditions et travail opératoires
Le fluide chaud (eau chaude sortant de l’échangeur tubulaire) et le fluide froid circulent à contre courant.
- Régler un débit d’eau froide identique à celui de l’eau chaude de 600 L/h à 1200 L/h.
- S'assurer que l'équilibre thermique est atteint (températures indépendantes du temps).
- Noter les températures d'entrée et de sortie de chaque liquide dans l'échangeur à plaques.
D - Exploitation des mesures
- Pour chaque essai :
- Faire le bilan thermique,
- calculer en %, les pertes thermiques,
- évaluer le coefficient global de transfert K de l'échangeur à plaques et tracer la courbe K = f(Qv). A partir des
valeurs de K, déterminer les valeurs du coefficient d’échange h.
- Montrer que la relation Nu = f(Re, Pr) peut se mettre sous la forme :
.
Déterminer la valeur de l’exposant « a » en prenant n = 0,37 et les caractéristiques des liquides (, , , Pr) à la
température moyenne des températures d’entrée des deux liquides. La littérature donne 0,65 < a < 0,85.
TP thermique
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PROPRIETES THERMIQUES DE L’EAU
PRESSION - TEMPERATURE - CHALEUR LATENTE DE CONDENSATION DE LA VAPEUR SATUREE
TP thermique
Pression (bar)
Température (°C)
Chaleur latente (kcal.kg-1)
1
99,1
539,4
1,1
101,7
537,8
1,2
104,2
536,1
1,3
106,5
534,6
1,4
108,7
533,2
1,5
110,7
532
1,6
112,7
530,8
1,7
114,5
529,5
1,8
116,3
528,4
1,9
117,9
527,2
2
119,6
526,2
2,1
121,5
525
2,2
123,4
524
2,3
124,9
523
2,4
126,4
522,2
2,5
127,5
521,7
2,6
128,7
521,1
2,7
129,8
520
2,8
130,9
519,2
2,9
131,8
518,8
3
132,8
518,4
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PROPRIETES PHYSIQUES DE L’EAU
Masse
Conductivité
Viscosité
volumique
thermique
dynamique
°C
kg/m3
W/(m.°C)
Pa.s
Pr
0
999,9
0,557
0,001794
13,5
5
1000
0,567
0,001535
11,3
10
999,7
0,576
0,001296
9,4
15
999,1
0,586
0,001136
8,1
20
998,2
0,596
0,000993
7,0
25
997,1
0,605
0,000881
6,1
30
995,8
0,614
0,000792
5,4
35
994,1
0,624
0,000720
4,8
40
992,2
0,632
0,000658
4,4
45
990,2
0,639
0,000605
4,0
50
988,1
0,646
0,000555
3,6
55
985,7
0,651
0,000510
3,3
60
983,2
0,657
0,000472
3,0
65
980,6
0,662
0,000435
2,7
70
977,8
0,666
0,000404
2,5
75
974,9
0,67
0,000376
2,3
80
971,8
0,672
0,000352
2,2
Température
TP thermique
8/8
Nb de Prandtl

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