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Developpement d'un code de calcul par la méthode de KERN

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by

Besma ABDELLY

on 29 May 2014

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Transcript of Developpement d'un code de calcul par la méthode de KERN

le 29/05/2014
INSAT
.
.
Introduction:
Procédé de design:
Étape 1 : Spécification des propriétés des flux thermique:


Le classement peut être envisagé en fonction de:

L
a nature des deux fluides (liquides, gaz):
On parle par exemple d'échangeurs :gaz/gaz, liquide/gaz ou liquide/liquide.

Le mode de circulation des fluides:

-Co-courant
-Contre courant
-Courant croisé
Le processus de transfert de la chaleur :

-contact direct

Exemples :les désurchauffeurs de vapeur/les dégazeurs

-contact indirect

Exemples -des échangeurs à cuve

Le mode de construction (critère technologique):

-Les échangeurs discontinus:
Exemple: réchauffeurs d’air rotatifs

-Les échangeurs continus
Exemples:échangeurs tubulaires/échangeurs à plaques/échangeurs à ailettes


SOCIAL
SEO
CMS
Realisé par:
ABDELLY Besma
ALAYA CHadha
ALOUI Nada
HANNACHI Soumaya

Développement d'un code de calcul par la méthode de KERN
Arrangement triangulaire:

d
h=(1.1/de)*(pt^2-0.917de^2)

Arrangement carré:

dh=(1.27de)*(pt^2-0.785de^2)


Description du problème :
Faire le design d’un échangeur à faisceau de tube pour les données suivantes :
20000kg / h de kérosène
(42°API) quitte la base d'une colonne de rectification latérale à
200°C
​​et doit être refroidi à
90°C
par échange avec une huile brute légère(le pétrole brut) de
70000 kg / h
(34°API) venant de stockage à
40°C
. Le kérosène pénètre dans l'échangeur à une pression de
5 bar
et le pétrole brut à
6,5 bar
. Une chute de pression de
0,8 bar
est admissible sur deux débits entrants. Il faut tenir compte pour une faute en incluant un facteur d'encrassement de 0,0003 (W/m2 °C) -1 Sur le flux brut et 0,0002 (W/m2 °C)-1 sur le flux de kérosène.

Si 
0<Ucal-Ues/Ucal <30%
: alors on continue vers l’étape suivante
sinon on pose Ues = Ucal et on refait le même procédé décrit précédemment avec la nouvelle valeur de Ues. 
Étape 10: calcul du coefficient d'échange global:
Dimensionnement des échangeurs de chaleurs par la méthode de KERN

Projet professionnel
PLAN
Étude des échangeurs thermiques
Méthode de calcul & de dimensionnement des échangeurs
Description de la méthode de KERN
Vérification et validation

Un échangeur thermique est un dispositif permettant de transférer de l’énergie thermique entre deux fluides, habituellement séparés par une paroi solide.

les échangeurs thermiques doivent présenter une grande surface d'échange de chaleur sous un volume externe le plus réduit possible.

Définition
Échangeurs thermique
Classification
Température d'entrée fluide chaud
Tce
Température d'entrée fluide froid
Tfe
Débit du fluide chaud
mc
Débit du fluide froid
mf
les propriétés physico-chimiques de chaque fluide
la viscosité
la masse volumique
la conductivité thermique
Inputs
Etape 2: Estimation de la charge thermique transférée
q=-mc ×Cpc ×(Tcs-Tce) =mf ̇× Cpf × (Tfs-Tfe)

Etape 3: Estimation du facteur de correction
Ratio de temperature
R=(Tce-Tcs)/(Tfs-Tfe)

Efficacité thermique de l’échangeur
S=(Tfs-Tfe)/(Tce-Tfe)

Facteur de correction
F
Estimation a partir du graphique correspondant selon le nombre de passes coté tube et coté calandre


La méthode de KERN est basée sur un travail expérimental sur des échangeurs commerciaux avec la norme de tolérances qui donnera une prédiction assez satisfaisante du coefficient de transfert de chaleur pour des modèles standard.
Dans cette théorie ,la conception commence par une estimation primaire spécifiée pour le coefficient de transfert thermique global et de la géométrie de l' échangeur de sorte qu'à la fin d'une série de calculs des pertes de charge sont recalculées et comparées avec les chutes de pression disponible maximales indiquées dans le processus.

Cette phase de calcul est le plus souvent itérative et permet d’approcher par des essais successifs la solution qui semble la meilleure.










Étape 4: Estimation de la surface d'échanges nécessaire:
Calcul de l'écart logarithmique moyen DTLM
Co-courant :

DTLM= [(Tcs-Tfs)- (Tce-Tfe)]/[log(Tcs-Tfs)/(Tce-Tfe)]
Contre courant:
DTLM=[(Tce-Tfs)- (Tcs-Tfe)]/[log(Tce-Tfs)/(Tcs-Tfe)]
Calcul du surface specifique d'échange
A=q/(U*DTM)

Calcul de l'écart moyen des temperatures
DTM=DTLM * f
Étape 5 :Choix des caractéristiques techniques de l'équipement
Diamètres extérieur et intérieur et la longueur des tubes
nombre de tubes : Nt= A/A installée


Diamètre de la calandre
Nombre de passes
Position des fluides
Type d'écoulement co-courant ou contre courant
Étape 6 : Calcul de la vitesse coté tube
Vt=m/(dt * S)
dt:masse volumique du fluide coté tube

S:surface d'échange par passe
Étape 7 : Choix du type arrangement des tubes et estimation du diamètre de la calandre:
Arrangement triangulaire
Arrangement carré
Dc=Db+Dci

Db= de*((Nt) /K1)^(1/n1)

Étape 8: Estimation de espacement entre les chicanes:
Ib=Dc/5
Étape 9: Détermination de coefficient de transfert thermique coté tube et coté calandre:
Nombre de Reynolds

Re=(vt * dt* dti) /µt

Nombre de Prandtl

Pr=(Cp* µ)/Ctt 
 

Nombre de Nusselt:

Nu=jh.Re.Pr^0.333

Coté tube:


ht=Nu*(Kf/di)
Surface d'échanges coté calandre

As=(pt-de) * Ds * Ib/pt

La vitesse massique:


Gs=ms/As
Vitesse d’écoulement coté calandre:

Vs=Gs/dt

Nombre de Reynolds

Re=(Vs * dh)/µc

Coté calandre:
hs=Nu*(Kf/de)

(1/Ucal)=
(rext/rint)*((1/hint)+(1/hint encassement))+(1/hext)+(1/hext encassement)+(rext.ln(rext/rint))/K

Le cout total:
Ct=Ci+Cf+Cp

Cf=mf*Ce

Cpp=Célec*((mf/df)*DPf+(mc/d)*DPc)

CI=[( 3.14/4×(di+2e)^2 * 3.14/4 *di^2 )+( 3.14/4×(Dci+2e)^2-3.14/4 * Dci〗^2 )]×L×d×Cm
Le coefficient de transfert coté tube:



Étape 11: Comparaison Ucal U estimé:
Étape 12:Calcul des pertes de charge coté tubes:DPt
DPt=Np*[8*jf*(L/di)+2,5] * (dt*Vt^2/2)
Si
DPt <10 Psi :
alors on passe au calcul de la perte de charge coté calandre
sinon :
on doit changer les caractéristiques techniques décrites précédemment.

Étape 13 : Calcul de la perte de charge coté calandre:
DPc=8*jf*(Ds/dh)*(L/Ib)*(d *uc^2/2)
Si
DPc <7.3Psi
alors on a accès à l’étape suivante sinon on change les paramètres des tubes et on refait les calculs.

Kérosène:
T d'entrée:
200°C
T de sortie :
90 °C
T moyenne:
145°C
Chaleur spécifique:
Cp: 2.72 /2.47/ 2.26 KJ/Kg°C
Conductivité thermique:
0.13/ 0.132 /0.135 W/m°C
densité:
690/ 730/ 770 Kg/m3
Viscosité:
0.22/ 0.43/ 0.8 mN sm-2

Pétrole brut :
T d'entrée
78°C
T de sortie
40 °C
T moyenne
59°C
Chaleur spécifique Cp
: 2.09/ 2.05/ 2.01 KJ/Kg°C
Conductivité thermique:
0.133/ 0.134/ 0.135 W/m°C
Densité:
800/ 820/ 840 Kg/m3
Viscosité:
2.4/ 3.2 /4.3 mN sm-2


Design proposé:

1passe coté calandre, 4 passes coté tube
• 360 tubes , L = 5m , Di= 19.05mm ,di= 14.84mm , arrangement trinagulaire des tubes pt = 23.18 mm
• la surface d'échange de chaleur : 107.7m² (basée sur le diamètre extérieur)
• diamètre intérieur de la calandre : 597 mm (600mm), espacement entre chicanes: 140mm, 25% ouverture des chicanes ( buffle cut)
• coefficient h coté tube 680 w/m2°C
• coefficient h coté calandre 1366 w/m2°C
• coefficient global estimé 288 w/m2°C
• coefficient global calculé 197 w/m2°C
• -facteurs d'encrassement: * coté tube ( huile brute) : 0.00035 w/m2°C
* coté calandre ( kerosene): 0.0002 w/m2°C

• la perte de charge : * coté tube: 0.66 bar
*coté calandre : 0.47 bar

validation des résultats de ce modèle établie par la méthode de KERN par un logiciel simulation: HYSYS

MERCI POUR VOTRE ATTENTION
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