Voici quelques principes thermodynamiques utiles pour comprendre le fonctionnement des échangeurs de chaleur :
- Première loi de la thermodynamique :La première loi est appelée loi de conservation de l'énergie, qui stipule que l'énergie (sous forme de chaleur et de travail) ne peut être ni créée ni détruite. Il peut uniquement être transféré vers un autre système ou converti sous une forme ou une autre. Dans les échangeurs de chaleur, cette affirmation est traduite par l'équation du bilan thermique qui s'écrit :
(Heat In) plus (Génération de chaleur)=(Heat Out) plus (Accumulation de chaleur)
En supposant qu'il fonctionne dans un flux en régime permanent, cela signifie que les propriétés thermiques restent constantes en tout point au fil du temps et que le système est adiabatique (parfaitement isolé), l'équation du bilan thermique se simplifie en Chaleur entrante=Chaleur sortante . C'est l'une des équations les plus élémentaires utilisées dans la conception et le fonctionnement des échangeurs de chaleur.
- Deuxième loi de la thermodynamique :La deuxième loi introduit le concept d'entropie, le degré de désordre et d'aléatoire d'un système. L'entropie de l'univers augmente constamment et ne peut jamais diminuer. Il nous indique la direction du flux d'énergie entre deux systèmes en interaction dans lesquels l'entropie la plus élevée est générée. La chaleur est toujours transférée d'un corps avec des températures plus élevées à des températures plus basses, ce qui est la tendance naturelle de tous les systèmes. Pour les échangeurs de chaleur, le fluide froid gagne de la chaleur et augmente sa température, et le fluide chaud perd de la chaleur et diminue sa température.
Mécanisme de transfert de chaleur
Le mécanisme impliqué dans le transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur est une combinaison de conduction et de convection. La force motrice du transfert de chaleur est la différence de température entre les températures d'entrée et de sortie moins la température d'entrée et de sortie du flux de processus.
Température d'approche :La température d'approche d'un échangeur de chaleur est la différence entre la température de sortie et d'entrée d'un flux de fluide moins la différence entre la température d'entrée et de sortie du flux de processus. Avec des températures d'approche chaudes, la différence est entre la température d'entrée chaude et la température de sortie froide. Avec des températures d'approche froides, il y a une température d'approche froide inverse et une température de sortie chaude.
Tous les échangeurs de chaleur ont une température d'approche optimale, qui doit être prise en compte lors de la décision d'achat d'un échangeur de chaleur, car une erreur de calcul de la température d'approche peut conduire à avoir le mauvais type d'échangeur de chaleur pour un processus.
Conduction:C'est le transfert d'énergie thermique par collisions directes de molécules adjacentes. Une molécule avec une énergie cinétique plus élevée transférera de l'énergie thermique à une molécule avec une énergie cinétique plus faible. Il se produit plus facilement dans les solides. Pour les échangeurs de chaleur, elle a lieu sur la paroi séparant les deux fluides. La loi de Fourier sur la conduction thermique stipule que le taux de transfert de chaleur normal à la section transversale du matériau est proportionnel au gradient de température négatif. La constante de proportionnalité est la conductivité thermique du matériau.
Q = -k A
Où Q est le taux de transfert de chaleur, k est la conductivité thermique du matériau, A est la surface normale à la direction du flux de chaleur et dT/dx est le gradient de température.
Convection:La convection dans les échangeurs de chaleur se produit par le mouvement massif du fluide contre la surface de la paroi, transférant ainsi l'énergie thermique. Ce phénomène est représenté par la loi de refroidissement de Newton qui stipule que le taux de perte de chaleur est proportionnel d'un corps à la différence de température du corps et de son environnement (dans ce cas, la paroi et le fluide).Q = h A ΔT
Où Q est le taux de transfert de chaleur, A est la zone normale à la direction du flux de chaleur et ΔT est la différence de température entre la paroi et le fluide en vrac. Le coefficient de transfert de chaleur par convection, noté h, est évalué en fonction des dimensions de la paroi, des propriétés physiques du fluide et des caractéristiques d'écoulement du fluide.Lors d'un fonctionnement d'un échangeur à cloison conductrice, la chaleur est transférée du fluide chaud vers le fluide froid selon cette séquence :
- Du fluide chaud à la surface adjacente de la paroi par convection.
- À travers le côté surface du mur par conduction.
- De la paroi au fluide froid par convection.
