Conception d'Échangeur de Chaleur

Ce projet consiste à concevoir un échangeur de chaleur pour un processus chimique spécifique. Les échangeurs de chaleur servent à transférer la chaleur entre divers fluides et sont essentiels dans les usines chimiques. La conception implique le choix du type, des matériaux, de l'agencement des flux et le calcul de la surface de transfert thermique.
Un échangeur de chaleur à calandre et tubes est conçu pour refroidir un flux de processus chaud. L'objectif est de déterminer les paramètres de conception optimaux pour répondre aux exigences du processus, minimiser les coûts et assurer une sécurité de fonctionnement.

Une usine chimique a besoin d'un échangeur pour refroidir un flux de processus de 150°C à 60°C.
Le débit du flux est de 10 kg/s avec une capacité thermique massique de 2,5 kJ/kg·K.
L'eau de refroidissement est disponible à 25°C, avec une augmentation maximale de température de 15°C.
L'échangeur doit fonctionner avec une perte de charge maximale de 10 kPa du côté tube et du côté calandre.
L'usine fonctionne 24h/24 et 365 jours par an.

Type d'échangeur : Échangeur de chaleur à calandre et tubes.
Matériau de construction : Acier inoxydable (résistance à la corrosion et compatibilité).
Agencement des flux : Contre-courant (pour maximiser la différence de température et l'efficacité).
Diamètre et longueur des tubes : Optimisés en fonction du transfert de chaleur et de la perte de charge.
Diamètre de la calandre : Déterminé par le nombre de tubes et leur disposition.
Espacement des chicanes : Optimisé pour augmenter le transfert de chaleur sans perte de charge excessive.
Facteurs d'encrassement : Considérer les facteurs appropriés pour les deux fluides.
Perte de charge : Ne doit pas dépasser la limite maximale.
Coût : Minimiser les coûts d'investissement et d'exploitation.

Calcul de la charge thermique : Calculer la chaleur à transférer du fluide de processus à l'eau de refroidissement.
Différence de température : Déterminer la différence de température moyenne logarithmique (LMTD) pour le contre-courant.
Coefficient de transfert thermique global (U) : Estimer U en fonction des propriétés thermiques, du matériau des tubes et des facteurs d'encrassement.
Surface de transfert thermique (A) : Calculer A en utilisant la formule $Q = U \cdot A \cdot LMTD$, où Q est la charge thermique.
Disposition des tubes et diamètre de la calandre : Choisir une disposition appropriée (triangulaire ou carrée) et déterminer le diamètre en fonction du nombre de tubes.
Conception des chicanes : Déterminer l'espacement et la coupe pour optimiser le transfert de chaleur et minimiser la perte de charge.
Calcul de la perte de charge : Calculer la perte de charge des deux côtés à l'aide de corrélations appropriées.
Optimisation : Optimiser les paramètres de conception pour minimiser A et le coût, tout en respectant les exigences de perte de charge.
Conception mécanique : S'assurer que l'échangeur répond aux exigences mécaniques, y compris l'épaisseur de la calandre et des tubes, les tailles des buses et les structures de support.
Estimation des coûts : Estimer les coûts d'investissement et d'exploitation.

Calculs de conception détaillés, incluant la charge thermique, la LMTD, le coefficient U et la surface A.
Spécifications de conception mécanique, incluant le diamètre des tubes, la longueur des tubes, le diamètre de la calandre, l'espacement des chicanes et les matériaux.
Calculs de la perte de charge des deux côtés.
Estimation des coûts.
Rapport complet.

L'évaluation est basée sur la précision des calculs (30%), l'exhaustivité des spécifications mécaniques (20%), l'optimisation des paramètres (20%), la précision de l'estimation des coûts (15%) et la qualité du rapport (15%).