Jacketed vessels

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rapport de stage en espagne

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<ul><li><p> JACKETED VESSELS ETUDE DU TRANSFERT DE </p><p>CHALEUR DANS UN DEPOT DE </p><p>REFRIGERATION </p><p>Discipline ou spcialit : </p><p>Gnie nergtique et lectrique </p><p>Auteurs : Mustapha El Mliles Marouane Berkak </p><p>Tuteurs : Pr. Fatima Alaoui Pr. Eduardo Montero Garcia </p><p>Burgos - Du 01 au 30 Septembre 2014 </p></li><li><p> 2 </p><p>Life is not all about what you know, </p><p>Its about what you do not know and have to discover </p><p>Mike Horn </p></li><li><p> 3 </p><p>Table des matires </p><p>I- Introduction ....................................................................................................................... 4 </p><p>1- Jacketed vessels ............................................................................................................. 4 </p><p>2- Intrt ............................................................................................................................ 4 </p><p>3- Description du plan de travail ........................................................................................ 4 </p><p>II- Rsum: Transfert de chaleur .......................................................................................... 5 </p><p>1- Gnralits .................................................................................................................... 5 </p><p>2- Convection ..................................................................................................................... 6 </p><p>III- Description de lquipement exprimental ..................................................................... 7 </p><p>1- Equipement du laboratoire ............................................................................................ 7 </p><p>2- Mthodologie .............................................................................................................. 10 </p><p>IV- Rsultats ........................................................................................................................ 11 </p><p>1- 1er essai ........................................................................................................................ 11 </p><p>2- 2eme essai ..................................................................................................................... 16 </p><p>V- Conclusion ....................................................................................................................... 20 </p><p>VI- Annexe ........................................................................................................................... 21 </p><p>VII- Rfrences .................................................................................................................... 23 </p></li><li><p> 4 </p><p>I- Introduction </p><p>1- Jacketed vessels </p><p>ans lindustrie, la jacketed vessel (ou dpt chemis) est un conteneur modlis pour </p><p>contrler la temprature du contenu en utilisant une chemise autour du conteneur </p><p>dans laquelle un fluide rfrigrant ou chauffant circule. La chemise est une cavit </p><p>externe, qui permet un change uniforme de la chaleur entre le fluide circulant et la paroi du </p><p>conteneur [1]. </p><p>Lutilisation des jacketed vessel nous offre plusieurs avantages [2] : </p><p> Tous les fluides peuvent tre utiliss. </p><p> La temprature et la vitesse de transfert de chaleur sont contrles facilement. </p><p> Les chemises sont moins chres par rapport au dpt lui-mme. </p><p> Les problmes de contamination, nettoyage et la maintenance sont limines. </p><p> Le Maximum de performance, conomie et flexibilit est achev. </p><p>2- Intrt </p><p>maginons le cas dun fermier qui a besoin de stocker son lait dans un dpt une basse </p><p>temprature pour ralentir son altration jusqu' sa transformation en fromage, beurre, </p><p>lait strilis etc. Il aura sans aucun doute besoin dun moyen de refroidissement efficace </p><p>et adapt son budget. Heureusement pour lui, il existe dans le march plusieurs solutions </p><p>et moyens pour parvenir son besoin, sauf que, comment devrait-il sy prendre pour choisir </p><p>la bonne solution ? </p><p>Aujourdhui on a choisi daider ce fermier faire le bon choix tout en le convainquant avec </p><p>des preuves scientifiques purement exprimentales. Cest ainsi quon sest lanc dans une </p><p>srie de test sur diffrents moyens de rfrigration ayant la foi de combler son besoin. </p><p>3- Description du plan de travail </p><p>Pour mener bien notre noble cause, on a choisi de suivre le plan suivant : </p><p>1. On verra un bref rsum sur le transfert de chaleur pour cerner notre problmatique. </p><p>2. Ensuite nous entreprendrons des expriences pour trouver un moyen optimal de </p><p>rfrigration. </p><p>3. Apres on traitera les rsultats et on essayera de leurs donn des explications. </p><p>4. Enfin, on pourra mettre notre conclusion sur le choix optimal. </p><p>D </p><p>I </p></li><li><p> 5 </p><p>Figure 1 : changeur a deux entres et deux sorties. </p><p>II- Rsum: Transfert de chaleur </p><p>1- Gnralits [3] </p><p>Le flux thermique Q travers une surface d'change exprim en watt, s'obtient par la </p><p>formule : </p><p> = . . (1) </p><p> = Flux de chaleur change(W). </p><p> = Surface extrieure du serpentin ou de la gomtrie utilise (m2). </p><p> = Coefficient global de transmission (W/m.K). Tel que </p><p> =</p><p>.+ </p><p>()</p><p> +</p><p> (2) </p><p> = Rayon extrieur (m). = Rayon intrieur (m). = Coefficient de transfert thermique de convection extrieur (W/m.K). = Coefficient de transfert thermique de convection intrieur (W/m.K). = Conductivit thermique de lacier (W/m.K). = Diffrence de temprature logarithmique(C). Tel que : </p><p> = </p><p> Avec : T1 = Tc,e - Tf,s et T2 = Tc,s - Tf,e (3) </p><p>, = Temprature dentre de fluide (C). </p><p>, = Temprature de sortie de fluide (C). </p><p>, = Temprature dentre dans lchangeur (C). </p><p>, = Temprature de sortie dans lchangeur (C). </p><p>Dans la section (III-2) on considre que la temprature lintrieur </p><p>de lchangeur est constante, dans ce cas : </p><p> , = , = </p><p>Le flux thermique chang par un fluide sexprime par : </p><p>Q = . Cp. (Tf, s Tf, e) (4) </p><p> = Dbit massique (kg/s). </p><p>Cp = Capacit calorifique (J/kg.K). (Pour leau Cp = 4177 J/kg.K). </p></li><li><p> 6 </p><p>La puissance dgage par la pompe est calcul par cette quation [4] : </p><p>. (P1</p><p>1+ </p><p>V12</p><p>2+ g. z1 ) + , pompe = 2. (</p><p>P2</p><p>2+ </p><p>V22</p><p>2+ g. z2 ) + , loss (5) </p><p>1 = debit massique dentree (kg</p><p>s). </p><p>2 = debit massique (kg</p><p>s). </p><p>P1 = pression statique dentree (Pa). </p><p>P2 = pression statique de sortie (Pa). </p><p>z1 = hauteur a lentree (m). </p><p>z2 = hauteur a la sortie (m). </p><p>, pompe = puissance degagee par la pompe (W). </p><p>, loss = pertes dues aux irreversibilites (W). </p><p>Dans la suite on va utiliser lquation suivante qui est une forme simplifie de la prcdente : </p><p> , pompe = .P</p><p> () </p><p> = masse volumique deau (kg/m 3). </p><p>P = perte de charge (Pa). </p><p> = debit massique deau (kg</p><p>s). </p><p>2- Convection [5] </p><p>Pour faire nos calculs on va utiliser ces corrlations pour dterminer le coefficient de </p><p>transfert thermique hi : </p><p>Vitesse du fluide (m</p><p>s) : = </p><p> (7) </p><p>Numro de Nusselt : = .</p><p> (8) </p><p>Numro de Reynolds : = ..</p><p> (9) </p><p>Numro de Prandtl. = .</p><p> (10) </p><p> = Diametre hydrolique (m). </p></li><li><p> 7 </p><p>Figure 2 : schma d'une half-pipe coil (180 - 120) </p><p> = Viscosit dynamique (m/s). </p><p> = Viscosit dynamique la surface (m/s). </p><p> = Dbit volumique (m3/s). </p><p> = Section de la conduite (m). </p><p>Serpentin : </p><p>Pour le rgime turbulent (Re &gt; 2300): = 0,023. Re 0,8. Pr 0,4 (11) </p><p>Pour le rgime laminaire (Re &lt; 2300): = , (.</p><p>)</p><p>(</p><p>)</p><p> (12) </p><p>Half-pipe coil (180-120) : </p><p>Pour le rgime turbulent (Re &gt; 104): </p><p> = 00.027 Re 0.8 Pr 0.33 (/s) 0.14 (1+3.5 (Dc/Dh)) (13) </p><p>Pour le rgime turbulent (Re &gt; 2100): </p><p> Nu = 1.86 [Re Pr (Dc/Dh)] 0.33 (/W) 0.14 (14) </p><p>O: </p><p>Dc = Di + ((Do - Di)/2) </p><p>Do = diamtre extrieure de la chemise. Di = diamtre intrieure de la chemise. </p><p>Plate-type coil : </p><p>Pour un Reynold &lt; 10000: = 0,027. Re 0,8. Pr 0,33 (15) </p><p>Dimple jacket : </p><p>Pour 1000 &lt; Re &lt; 50000: Nu = 0,0845 Re 0,695 Pr 0.33 (Amin/Amax) -0.383 (cf. Figure 2) (16) </p><p>Amin = z. (w-do) Amax = z.w et do = (d1 + d2)/2 </p><p>Figure 3 : schma dune dimple jacket </p></li><li><p> 8 </p><p>Figure 6 : les diffrentes chemises de la citerne </p><p>III- Description de lquipement exprimental </p><p>1- Equipement du laboratoire </p><p>Lquipement du laboratoire est constitu de : </p><p>Une grande citerne dune capacit de 1000 litres avec un </p><p>arrangement de quatre chemises diffrentes. La citerne contient le </p><p>fluide rfrigrer (cf. Figure 4). </p><p> Diamtre intrieur : 1205 mm </p><p> Hauteur interne : 1000 mm </p><p> Acier AISI-304 </p><p> Epaisseur de la paroi intrieure du rservoir : 2 mm </p><p> Epaisseur de la paroi extrieure du rservoir : 1,5 mm </p><p>Le fluide de rfrigration est contenu dans le rservoir 1 une </p><p>basse temprature. Grace une pompe on fait circuler ce fluide </p><p>dans la grande citerne pour quil sorte en fin de compte une </p><p>grande temprature dans le rservoir 2 (cf. Figure 5). </p><p> La citerne est habille de 4 chemises diffrentes (cf. Figure 6) : </p><p>G1: half pipe coil 180 </p><p>Diamtre intrieur : 47,8 mm || paisseur : 1,5 mm || surface : 897 mm2 || Diamtre hydraulique : </p><p>29,19 mm || surface dchange rel : 0,662 mm2|| acier inoxydable A-340 </p><p>G2: half pipe coil 120 </p><p>Diamtre intrieur : 47,8 mm || paisseur : 1,5 mm || surface : 350 mm2 || Diamtre hydraulique : </p><p>16,46 mm || surface dchange rel : 0,605 mm2|| acier inoxydable A-340 </p><p>G3: plate-type coil </p><p>paisseur : 0,8 mm || surface : 144 mm2 || Diamtre hydraulique : 6,29 mm || surface dchange </p><p>rel : 0,870 mm2|| acier inoxydable A-340 </p><p>G4: dimple jacket </p><p>paisseur : 0,8 mm || surface : 252 mm2 || Diamtre hydraulique : 11,5 mm || surface dchange </p><p>rel : 0,794 mm2|| acier inoxydable A-340 </p><p>A lintrieur de la citerne il y a un serpentin dont les proprits </p><p>sont : </p><p>Diamtre intrieur : 25 mm || Diamtre extrieur : 28 mm || paisseur : 1,5 mm || surface : 350 </p><p>mm2 || Diamtre hydraulique : 25 mm || surface dchange rel : 0,942 mm2 || longueur : 11m </p><p>nombre de spires : 11 || acier inoxydable A-340 </p><p>Figure 4 : Vision gnral de la citerne </p><p>Figure 5 : Rservoirs du fluide rfrigrant </p></li><li><p> 9 </p><p>Figure 7 : (a) manomtre hydrostatique ; (b) rotamtre R 005 INOX; (c) appareil de mesure Agilent 34970A </p><p> Un manomtre pour mesurer la diffrence de pression entre lentr et la sortie </p><p> (cf. Figure 7-a). </p><p> Un rotamtre pour rgler le dbit (cf. Figure 7-b). </p><p> Un appareil pour mesurer les tempratures (Tf,e, Tf,s, Tc)(cf. Figure 7-c). </p><p>(a) (b) (c) </p></li><li><p> 10 </p><p>Figure 8 : schma dtaille des diffrents quipements utiliss </p><p>2- Mthodologie </p><p>nitialement tout le fluide de rfrigration (leau) est contenu dans le rservoir 1, il est </p><p>la temprature basse Tf,e (dans notre cas temprature ambiante). Le rservoir 2 est </p><p>totalement vide. La citerne est maintenue une temprature suprieure Tc grce une </p><p>rsistance interne. On dmarre lagitateur pour sassurer de lhomognit de la </p><p>temprature dans la citerne. Ensuite on choisit avec quelle gomtrie (G1, G2, G3, G4, </p><p>Serpentin) on veut travailler, on sassure que les autres sont inactives. Maintenant que tout </p><p>est en ordre on ouvre la vanne de rgulation pour faire passer le fluide de rfrigration </p><p>travers la citerne. Leau entre basse temprature Tf,e et sort haute temprature Tf,s dans </p><p>le rservoir 2. Grce au rotamtre on rgle le dbit (Dv) une valeur constante, on attend </p><p>que toutes les tempratures se stabilisent avant de les noter ainsi que la diffrence de </p><p>pression donne par le manomtre . Aprs on rpte la manipulation avec le dbit </p><p>suivant. On a choisi de balayer une plage de 100 litres/h 1000 litres/h. Une fois ceci termin </p><p>on rpte le mme scnario mais cette fois avec une gomtrie diffrente. </p><p>Dans le cadre de nos expriences on a travaill avec deux valeurs de Tc (55C et 70C). Dans </p><p>le prochain paragraphe on talera les rsultats sous forme de tableau pour les deux </p><p>tempratures. </p><p>I </p></li><li><p> 11 </p><p>IV- Rsultats </p><p>1er essai : 55C </p><p>Les tempratures et les pertes de charges prleves sont : </p><p>Tableau 1 : variation de la temprature et de la perte de charge avec le dbit </p><p>Dbit (L/h) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 </p><p>Serp</p><p>enti</p><p>n Te (C) 23,78 23,66 23,59 23,6 23,48 23,4 23,32 23,27 23,25 23,27 </p><p>Ts (C) 57,08 54,42 52,24 50,27 48,09 46,16 44,35 42,82 41,6 40,42 T (C) 61,49 60,95 60,55 60,07 59,64 58,9 58,23 57,62 56,98 56,36 </p><p>T (C) 15,51 17,65 19,19 20,29 21,56 22,21 22,87 23,22 23,37 23,48 </p><p>P 15 35 60 95 150 175 225 280 340 410 </p><p>G 1</p><p>Te (C) 24,12 23,98 23,85 23,65 23,51 23,41 23,33 23,29 23,26 23,23 </p><p>Ts (C) 46,26 44,01 40,44 37,63 35,6 34 32,9 31,87 31,2 30,65 </p><p>T (C) 55,85 56,12 56,27 56,44 56,5 56,58 56,53 56,17 56,03 56,02 </p><p>T (C) 18,5 20,52 23,14 25,15 26,48 27,54 28,14 28,37 28,62 28,92 </p><p>P(bar) 5 10 15 30 45 60 80 100 125 160 </p><p>G 2</p><p>Te (C) 27,85 27,74 27,66 27,58 27,5 27,42 27,38 27,38 27,42 27,58 Ts (C) 48,93 44,49 42,5 40,44 38,55 37,15 36,07 35,4 34,98 34,74 T (C) 60,61 59,99 59,6 58,94 58,36 57,7 57,02 55,97 55,97 55,98 </p><p>T (C) 20,43 22,86 23,75 24,36 24,92 25,1 25,04 24,36 24,58 24,64 </p><p>P(bar) 5 10 25 35 60 80 105 140 155 190 </p><p>G 3</p><p>Te (C) 25,4 24,44 23,92 23,7 23,65 ----- ----- ----- ----- ----- </p><p>Ts (C) 49,6 45,26 42,6 40,95 39,54 ----- ----- ----- ----- ----- </p><p>T (C) 56,56 56,74 56,57 56,09 56,02 ----- ----- ----- ----- ----- </p><p>T (C) 16,14 20,13 22 22,68 23,54 ----- ----- ----- ----- ----- </p><p>P(bar) 90 210 380 590 750 </p><p>G 4</p><p>Te (C) 26,12 24,97 24,5 24,28 24,13 24,04 23,98 23,94 23,9 23,87 Ts (C) 53,99 49,27 47,02 45,54 43,6 42,02 40,45 39,45 38,48 37,8 T (C) 59,84 59,29 58,50 57,77 57,31 56,60 55,76 55,48 55,20 54,98 </p><p>T (C) 15,91 19,74 20,74 21,11 22,02 22,38 22,55 22,91 23,25 23,46 </p><p>P(bar) 10 30 70 115 170 240 310 395 480 570 </p><p>Remarque : </p><p> Nous remarquons que plus le dbit augmente plus la temprature dentre diminue, </p><p>ceci est d aux frictions que subit leau avec la vanne de rgulation; quand on ouvre la </p><p>vanne (augmentation du dbit), il y a moins de frottement de leau avec la vanne, do </p><p>sexplique la diminution de temprature. </p><p> Nous remarquons aussi que la temprature de sortie diminue avec le dbit, car en fait </p><p>leau passe moins de temps dans le serpentin (ou la gomtrie) pour sortir, ce qui </p><p>diminue lchange thermique avec la citerne. </p></li><li><p> 12 </p><p> La diffrence de pression entre lentre et la sortie augmente avec le dbit, du fait de </p><p>la turbulence dans les tubes qui fait augmenter les pertes de charge. </p><p> Pour la gomtrie 3 on sest arrte un dbit de 500 L/h cause de la haute perte de </p><p>charge par pied...</p></li></ul>