Chimie

Transfert de chaleur

Transfert de chaleur


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Le transfert de chaleur est l'échange d'énergie thermique à la frontière entre deux phases, notamment entre une phase solide et une phase fluide.Dans le cas idéal, où la phase fluide adjacente est au repos, le transfert de chaleur s'effectue exclusivement par conduction thermique. la réalité, cependant, est la phase fluide en mouvement, de sorte qu'en plus des paramètres matériels purs, les conditions fluidiques (écoulement laminaire ou turbulent) et Les changements de phase (évaporation, condensation) affectent le transfert de chaleur.

Unités d'apprentissage dans lesquelles le terme est traité

Cours pratique transport de chaleur (influence du comportement de l'écoulement)50 minutes.

Chimiechimie techniqueOpérations de base

Dans le matériau, les bases théoriques du transport de chaleur sont rafraîchies et les échangeurs de chaleur techniques essentiels sont traités. Il est également utilisé pour préparer et suivre le stage caloporteur ainsi que pour réaliser des expériences de caloportage sur un banc d'essai télécommandé.

Les bases du transport de chaleur45 minutes.

Chimiechimie techniqueOpérations de base

Cette unité d'apprentissage donne une introduction au sujet du transport de la chaleur et explique brièvement les termes et les mécanismes qui jouent un rôle dans le transport de la chaleur.

Transfert de chaleur60 minutes

Chimiechimie techniqueOpérations de base

Cette unité d'apprentissage traite du transfert de chaleur à travers des parois planes et en particulier du transfert de chaleur à travers des parois de tuyaux, ce qui est important dans les applications industrielles.

Transfert de chaleur (transport de chaleur par convection)90 minutes.

Chimiechimie techniqueOpérations de base

Cette unité d'apprentissage traite du transport de chaleur par convection (transfert de chaleur). Les paramètres sans dimension tels que le nombre de Prandtl sont également traités.


Types de transfert de chaleur

Le transfert de chaleur peut se faire de trois manières :

  • Dans le Conduction ou Conduction devient énergie cinétique entre atomes ou molécules voisinssans pour autant Transport de matériel de transfert. Ce type de transfert de chaleur est un processus irréversible et transporte la chaleur sur une moyenne statistique du niveau d'énergie le plus élevé (avec une température absolue plus élevée) vers le niveau inférieur (avec une température plus basse). Le transport de chaleur par le mouvement des électrons libres dans le métal est également appelé conduction thermique.
  • les Radiation thermique selon la loi de Stefan-Boltzmann fait partie des ondes électromagnétiques. La plupart du temps, l'énergie est transportée par des ondes infrarouges, qui font partie du spectre électromagnétique. Dans le domaine cosmique, mais aussi dans le domaine submoléculaire, d'autres longueurs d'onde ou fréquences du spectre électromagnétique sont également impliquées dans le transport d'énergie dans une large mesure en termes de pourcentage. Avec le rayonnement thermique, il n'y a pas seulement un transfert de chaleur du chaud vers le froid, mais aussi du froid vers le chaud. Le flux de chaleur du chaud vers le froid est toujours plus important que l'inverse, de sorte que la résultante des deux flux de chaleur montre toujours du chaud vers le froid. En d'autres termes : la différence de température est de plus en plus réduite globalement. Le rayonnement thermique est le seul type de transfert de chaleur qui peut également pénétrer dans le vide.
  • Dans le convection ou Flux de chaleur la chaleur est transportée par un fluide en circulation sous forme d'énergie interne ou d'enthalpie.

Généralement, plusieurs types de transmission fonctionnent ensemble dans des systèmes réels. Principalement la conduction thermique, mais peut-être aussi le rayonnement thermique, a lieu à l'intérieur des solides. Le flux de chaleur est également possible dans les liquides et les gaz. Le flux de chaleur dépend de la géométrie. Le rayonnement thermique (de préférence) a lieu entre les surfaces, mais principalement dans le vide. Les gaz sont également largement perméables au rayonnement thermique (diatherman).

Les systèmes échangent également de la chaleur dans un état d'équilibre (même température). Cependant, la chaleur émise et absorbée sont les mêmes, de sorte que les effets se compensent.


Transfert de chaleur et perte de pression dans les serpentins

Extrait de la thèse de l'auteur qui a mené ces investigations en tant qu'assistant de recherche à l'Institut de thermodynamique du T. H. Braunschweig (Responsable : Prof. Dr.-Ing. H.D. Baehr).

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Résumé

Le transfert de chaleur et la perte de charge non isotherme dans les tuyaux courbes ont été jusqu'à présent peu étudiés. Afin de combler cette lacune dans la conception pratique des échangeurs de chaleur, l'influence de l'écoulement secondaire avec convection forcée dans des tubes à courbure hélicoïdale (tubes enroulés) a été étudiée expérimentalement dans une plus large mesure qu'auparavant. Les milieux de mesure utilisés étaient l'air, l'eau et l'huile Shell Voluta 919, qui s'écoulait dans cinq serpentins chauffés avec des rapports de courbure de 0,015 à 0,2 et des nombres de Reynolds de 10 2 à 10 5. Les résultats des mesures sont résumés dans des formules d'utilisation selon la représentation sans dimension et comparés aux études publiées précédemment par d'autres chercheurs. Il s'avère que les serpentins ont un flux de chaleur plus élevé que le tuyau droit avec le même débit de pompe.


Sommaire

L'ingénierie de la réaction décrit l'interaction de la cinétique des réactions chimiques avec les processus de transport physique. La description de la cinétique de la réaction est au cœur des travaux du chimiste. En conséquence, la description des processus physiques de transport est principalement le domaine de travail des ingénieurs de procédés. L'ingénierie de la réaction a donc réuni ingénieurs et chimistes dans une collaboration fructueuse. Le chimiste Arnold Eucken et l'ingénieur Rudolf Plank étaient à l'origine de ce développement. Deux personnalités de haut rang intellectuel qui ont ouvert la voie au génie des procédés.

La justification scientifique de la technologie de réaction a été donnée par Gerhard Damköhler en 1937. Cependant, cela a dû être précédé par un travail préparatoire considérable dans le domaine des procédés de transport. Prandtl a fondé la dynamique des fluides moderne dès 1904. Le transfert de chaleur moderne a été fondé par Nusselt en 1908, bientôt soutenu par Ernst Schmidt. Vers 1930, Nusselt et Schmidt ont jeté les bases décisives du transfert de masse. Cela a ouvert la voie aux travaux de Damköhler. Il a été suivi au cours des décennies suivantes par de nombreux scientifiques du monde entier qui ont développé l'ingénierie des réactions grâce à des travaux théoriques et expérimentaux.


Exécution

Général

Pour une bonne efficacité, le matériau qui sépare le média doit avoir une bonne conductivité thermique et une grande surface. Le transfert de chaleur entre la surface et le fluide en écoulement doit également être aussi bon que possible. Un écoulement turbulent est bénéfique pour cela. Cela se produit surtout avec un nombre de Reynolds élevé. Cela signifie que la vitesse d'écoulement doit être élevée et la viscosité du fluide doit être faible. Cependant, une vitesse accrue et une grande surface mouillée signifient également une dépense d'énergie accrue afin de pomper le fluide à travers l'échangeur de chaleur.

Dans les échangeurs de chaleur dans lesquels un milieu est un liquide et l'autre un gaz (principalement de l'air), la capacité calorifique diffère considérablement en fonction du volume du milieu. Par conséquent, beaucoup plus de gaz que de liquide doit passer et il est nécessaire d'augmenter la surface de transfert de chaleur vers le gaz. Cela se fait souvent à l'aide de nervures ou de feuilles, par exemple & # 160B. dans le cas des radiateurs haute température, les serpentins de refroidissement à l'arrière d'un réfrigérateur ou d'un climatiseur, et le radiateur de la voiture.

Matériaux

Dans la plupart des cas, les échangeurs de chaleur sont en métal, mais aussi en émail, en plastique, en verre ou en carbure de silicium. Dans le secteur de la climatisation, le cuivre et l'aluminium sont principalement utilisés en raison de leur bonne conductivité thermique. Dans l'industrie, l'acier et surtout l'inox sont utilisés, car la résistance des matériaux est requise. Les radiateurs, quant à eux, sont désormais majoritairement en tôle d'acier, auparavant en fonte grise. Le plastique, l'émail, le verre ou le carbure de silicium sont utilisés pour les échangeurs de chaleur dans l'industrie chimique lorsque l'agressivité des fluides ne permet pas l'utilisation de matériaux métalliques. En raison de sa résistance extrême aux températures (température de décomposition supérieure à 2200-160°C), le carbure de silicium peut également être utilisé dans des échangeurs de chaleur dont les températures de matériaux sont supérieures aux limites d'utilisation pour les métaux. De tels échangeurs de chaleur à haute température en céramique sont cependant encore en cours de développement.

Dessins

Seules les conceptions des échangeurs de chaleur pour fluides liquides et gazeux sont traitées ici :

Échangeur de chaleur pour transfert de chaleur direct

  • Les tours de refroidissement humides sont utilisées pour les tâches de refroidissement dans les centrales électriques. L'eau chaude est refroidie au contact direct de l'air ambiant.

Récupérateurs

Les récupérateurs disposent chacun d'un local séparé pour les deux supports.

  • Echangeur à plaques : Nombreuses plaques parallèles, les interstices sont occupés alternativement par l'un et l'autre milieu. Une forme spéciale de l'échangeur de chaleur à plaques est le
  • Échangeur de chaleur en spirale dans lequel une tôle enroulée en forme de spirale est utilisée à la place de plaques plates.
  • Échangeur de chaleur à tubes ou échangeur de chaleur à faisceau tubulaire : un fluide est pompé ou transporté d'une autre manière à travers les tubes ("espace tubulaire" généralement un grand nombre de tubes parallèles). Les tuyaux sont situés dans ce que l'on appelle l'espace de coque, une chaudière à travers laquelle un autre fluide circule. En particulier, les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire avec un grand nombre de tubes parallèles sont relativement complexes à fabriquer (nombreux points de soudure).
  • Échangeur de chaleur à tube en U dans lequel les tubes sont pliés en forme de U. L'avantage est que le faisceau de tubes peut être facilement inséré et retiré de la chaudière car il n'est fixé que d'un côté (par exemple soudé dans le couvercle de la chaudière).
  • Les échangeurs de chaleur à double enveloppe sont constitués de deux tubes concentriques, le fluide dans le tube intérieur est chauffé ou refroidi par le fluide dans le tube extérieur (généralement de l'eau). Cette conception est utilisée pour les milieux très visqueux ou chargés de solides (par exemple, les suspensions, les boues), mais a une faible surface de transfert de chaleur et donc un faible niveau d'efficacité. Il est particulièrement adapté aux hautes pressions dans le tube intérieur.
  • Les registres de chauffage et de refroidissement sont une combinaison de tuyaux (pour le milieu liquide) et d'ailettes qui leur sont attachées (pour le milieu gazeux).
  • L'échangeur de chaleur à couche à contre-courant est un échangeur de chaleur à récupération composé de plusieurs couches d'échangeur de chaleur lamellaire.

Régénérateurs

Les régénérateurs sont parcourus alternativement par le milieu chaud et froid et fonctionnent grâce à leur capacité calorifique.

  • Les régénérateurs sont principalement utilisés pour l'air; l'énergie thermique est temporairement stockée dans un solide et ensuite libérée de la même surface vers l'autre flux d'air. On distingue
    • Masses de stockage mobiles comme dans l'échangeur de chaleur rotatif et
    • Masses de stockage fixes telles que dans l'aérotherme ou le moteur Stirling.

    Dans les systèmes de stockage de chaleur rotatifs, par exemple & # 160B. Tôles d'aluminium, tresses de cuivre pour régénérateurs de moteurs Stirling et briques réfractaires pour aérothermes.


    Génie des microprocédés

    Avec la miniaturisation croissante des procédures et des processus techniques - voir nanotechnologie, laboratoire sur puce, etc. - la recherche sur les processus de la gamme micro et nano et leur mise en œuvre technique joue un rôle de plus en plus important. L'ingénierie des microprocédés en tant que sous-domaine de la chimie et de la physique à orientation technique traite des processus chimiques et physiques en théorie et en pratique qui se déroulent dans des volumes petits et extrêmement petits.

    Le développement de l'ingénierie des microprocédés a commencé vers les années 1980 lorsque des procédés de micro-usinage mécaniques sous la forme d'échangeurs de chaleur compacts pour l'extraction d'isotopes d'uranium ont été utilisés pour la première fois au centre de recherche de Karlsruhe. Au fil du temps, divers réacteurs microstructurés - en bref : des microréacteurs - ont été développés avec des avantages uniques tels que le très bon transfert de chaleur grâce au grand rapport surface/volume et le très bon transfert de masse.

    Les bonnes propriétés de transfert de chaleur permettent un contrôle précis de la température des réactions. Par exemple, des réactions fortement exothermiques peuvent être réalisées de manière presque isotherme si le microréacteur contient un deuxième ensemble de microcanaux qui fonctionnent comme des canaux de refroidissement avec des fluides de refroidissement correspondants et qui sont séparés des canaux de réaction. De plus, il est possible de modifier très rapidement la température d'un microréacteur afin d'obtenir un comportement non isotherme ciblé.

    L'ingénierie des microprocédés permet également un mélange efficace des réactifs en des temps très courts, généralement de l'ordre de la milliseconde.

    La finalité de la micro-ingénierie des procédés est bien la fabrication de produits chimiques. Les procédés par lots conventionnels, c'est-à-dire les méthodes de production dans lesquelles les produits sont fabriqués en une certaine quantité dans un certain laps de temps, semblent initialement plus adaptés à cela en termes de quantité. En fait, cependant, la production du génie des microprocédés se déroule dans un écoulement à travers un microréacteur ou, mieux encore, à travers une série de chambres de réaction : alors que les dimensions des canaux individuels sont petites, un dispositif spécial pour le génie des microprocédés - le réacteur microstructuré - peut contiennent plusieurs milliers de ces canaux et une taille totale de plusieurs mètres de portée. L'ingénierie des microprocédés vise principalement non seulement la miniaturisation des systèmes de production, mais surtout l'augmentation des rendements et des sélectivités des réactions chimiques et ainsi la réduction des coûts de production chimique.

    En conséquence, le débit est suffisamment élevé pour transformer l'ingénierie des microprocédés en un outil de production chimique.

    Le sous-domaine du génie des microprocédés qui traite des réactions chimiques effectuées dans des microréacteurs est également connu sous le nom de technologie de microréaction.

    Vous trouverez ci-dessous quelques sources d'informations externes qui fournissent des informations et des offres supplémentaires sur l'ingénierie des microprocédés. Les exploitants de sites respectifs sont responsables de leur contenu !


    Tentative d'analogie avec l'effet de serre

    - Les deux thermoplongeurs ont la même puissance.
    - L'eau reçoit la même puissance calorifique dans les deux réservoirs.
    - Les deux quantités d'eau cèdent leur chaleur à leur environnement (eau à 0°C).

    Néanmoins, les deux températures de l'eau sont différentes. Pourquoi donc?

    Une première tasse se dresse directement dans l'eau à une température de 0°C.
    La deuxième tasse est dans une tasse qui est dans de l'eau à 0°C.
    Une fine couche d'air empêche le transfert de chaleur de l'eau chauffée dans la tasse à l'environnement.
    La température de l'eau dans la deuxième tasse est plus élevée que dans la première tasse.

    Avec la même utilisation d'énergie, la température est plus élevée là où la sortie de chaleur est moindre.

    3. Candidatures:

    3.1. Économiser l'énergie:

    Une meilleure isolation garantit des températures ambiantes plus élevées avec le même apport d'énergie.
    L'alimentation en énergie peut être réduite afin de maintenir la même température ambiante.

    3.2. Effet de serre:

    Le transfert de chaleur du sol vers l'espace est entravé par la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère et par le dioxyde de carbone. La température moyenne au sol passe d'un glacial à -18°C sans H20 et C02 à une température confortable de 15 ° C. (= effet positif de l'effet de serre).

    En augmentant le CO2-Part dans l'atmosphère et ajout d'autres gaz (CFC, méthane.) La température augmente encore.
    La fonte des glaces sur l'Antarctique et le Groenland augmenterait le niveau d'eau des océans du monde d'environ 60 m. De nombreuses zones aujourd'hui habitées seraient inondées.


    Transfert de chaleur et mouvement des particules près de la paroi dans des lits fluidisés formant des bulles

    Résumé

    1 vSu & acirc & # 128 & # 153 Vmf 1-1 Fig. 1. Coefficient de transfert de chaleur normalisé ala ,, sur la vitesse de gaz superficielle normalisée vgaJvmf pour les particules à grains fins. Otto Molerus et Andreas Burschka * 1 État des connaissances et problème de vérification Les lits fluidisés formant des bulles sont utilisés de diverses manières en génie chimique. Avoir une importance économique ici. en raison des grandes surfaces solides nécessaires aux réactions, principalement des lits fluidisés à grains fins. Le comportement des lits fluidisés à grains fins est donc le sujet principal des investigations décrites. L'objectif des recherches était de déterminer dans quelle mesure il existe un lien entre le mouvement des particules près de la paroi et le comportement de transfert de chaleur dans les lits fluidisés formant des bulles. À cette fin, le coefficient de transfert de chaleur et en même temps le transport radial des particules loin de la surface chauffante ont été enregistrés quantitativement. Le comportement typique de transfert de chaleur des lits fluidisés à grains fins est illustré à la figure 1. Dans la zone des lits fixes, d. H. pour vg, $ q ,,

    <1, le coefficient de transfert de chaleur augmente continuellement avec l'augmentation de la vitesse superficielle du gaz.

    1, le coefficient de transfert de chaleur & gt augmente bien sûr aussi linéairement ici (ligne pointillée). Une fois la fluidisation minimale dépassée, le coefficient de transfert de chaleur normalisé d'un lit fluidisé à grains fins montre une augmentation soudaine. Ce modèle de comportement conduit à une fonction clé du mouvement des particules. Pour une configuration donnée de lit fluidisé et de surface de transfert de chaleur, le coefficient de transfert de chaleur maximal dans chaque cas est uniquement fonction des données physiques du solide et du gaz de fluidisation [l]. La plage des nombres d'Archimède entre 10 et 105, intéressante en pratique, dépend de la


    Vidéo: Trasfert thermique - conduction, convection et rayonnement (Juin 2022).