Les coefficients de film h
Des ordres de grandeur des coefficients de film pour différents liquides sont présentés ci-dessous.
On trouve dans les chapitres 2a à 2e les principales corrélations adaptées aux différentes géométries d’échangeurs, qui permettent de calculer les coefficients de film dans la plupart des installations. Toutefois, il se peut que l’ingénieur de génie chimique se trouve confronté à l’utilisation d’une structure de géométrie originale, et dont le dimensionnement n’a pas été abordé dans ce cours.
Il pourra dans ce cas se référer aux tableaux relativement complets des Techniques de l’Ingénieur (Transfert Thermique par Convection, BE1, pages A1540a et suivantes) où sont présentées différentes corrélations exprimant le nombre de Nusselt en fonction de la géométrie, du régime d’écoulement et du type de transfert (convection naturelle, mixte ou forcée).
En première approximation, on pourra utiliser les corrélations ci-dessous, selon le régime d’écoulement hydrodynamique. Ces corrélations ont été développées pour des tubes lisses et horizontaux, aussi, on prendra bien garde à substituer au diamètre d le diamètre hydraulique DH défini par :
Ces corrélations, d’utilisation relativement générale, permettent donc d’obtenir un ordre de grandeur (plus ou moins précis selon les installations et les conditions de fonctionnement) des coefficients de film. Elles ne devront donc pas être utilisées pour un dimensionnement poussé d’une installation originale, mais permettront aisément d’envisager la faisabilité d’une opération de transfert thermique.
1.1. Convection naturelle
Le rapport Gr/Re2 permet de quantifier l’importance de la convection naturelle par rapport à la convection forcée. On admet généralement que l’on se trouve en régime de convection naturelle pour des valeurs de Gr/Re2
supérieures à 1.
On a alors pour un tube droit :
pour :
où :
β est le coefficient de dilatation thermique du fluide,
et
1.2. Convection forcée
En régime laminaire, le transfert de chaleur en tube droit peut être décrit par la relation ci-dessous :
pour :
En régime turbulent, on utilisera la relation de Dittus-Boetler :
pour :
La région de transition (pour 2100 < Re < 8000) n’est pas très bien décrite, et, si possible, évitée lors du dimensionnement. On obtient dans cette région des valeurs des coefficients de film intermédiaires entre celles des régimes laminaire et turbulent.