LES ECHANGEURS DE CHALEURS

LES ECHANGEURS DE CHALEURS

Échangeurs à caloducs longitudinale

Un caloduc est une enceinte étanche contenant un liquide en équilibre avec sa vapeur. Les caloducs ont une très grande conductivité thermique équivalente, grâce à l’utilisation des phénomènes d’évaporation et de condensation du fluide interne. Le liquide s’évapore dans la zone chauffée (évaporateur) et la vapeur vient se condenser dans la zone refroidie (condenseur). Le condensat retourne vers l’évaporateur : -soit sous l’effet des forces de capillarité développée dans un milieu poreux tapissant la paroi intérieure du caloduc.

Ce capillaire peut être de différente forme : toile métallique, fines rainures dans la paroi intérieure, poudre métallique frittée, etc. ; – soit sous l’effet des forces de gravité ; pour ce faire, l’évaporateur se trouve plus bas que le condenseur. Le réseau capillaire est réduit à un simple rainurage ; il peut même être complètement absent pour diminuer les coûts de fabrication, on parle alors de thermosiphon diphasique. Dans l’échangeur à caloducs, les caloducs forment un faisceau placé perpendiculairement aux écoulements. Le fluide chaud et le fluide froid circulent généralement à contre-courant et sont séparés l’un de l’autre par une plaque qui sert aussi au maintien des caloducs. Les échangeurs à caloducs sont le plus souvent utilisés pour des échanges gaz-gaz (récupération de chaleur sur les fumées industrielles, climatisation), mais aussi pour des échanges gaz-liquide, liquide-liquide ou pour des générateurs de vapeur.

Échangeurs à plaques brasées Ces échangeurs sont en aluminium brasé. Les fluides circulent dans des passages définis par deux tôles planes consécutives et fermés latéralement par des barres. Les tôles ondulées (ondes) sont réalisées par emboutissage du feuillard sur des presses spéciales ; elles peuvent avoir des hauteurs, des épaisseurs et des espacements différents. Chaque type d’onde possède ses propres caractéristiques hydrauliques et thermiques : Les ondes droites (perforées ou non) donnent des performances identiques à celles que donneraient des tubes de diamètre hydraulique équivalent ; les ondes décalées créent plus de turbulence et améliorent donc le coefficient d’échange thermique, tout en provoquant plus de pertes de pression. Les ondes, grâce à leur configuration particulière, peuvent procurer une surface secondaire allant jusqu’à 90 % de la surface totale, ce qui permet de loger dans un volume réduit une très grande surface d’échange : plus de 1 500 m2/m3. En outre, ces échangeurs souvent réalisés en aluminium allient une légèreté exceptionnelle (masse volumique de 900 kg/m3 à 1 200 kg/m3) à une excellente tenue mécanique ; ils sont particulièrement utilisés dans le domaine de la cryogénie où leur efficacité est élevée avec des niveaux de température compris entre – 269 °C et + 65 °C et des niveaux de pression pouvant atteindre 75 bar. Pour certaines applications spécifiques touchant au domaine de l’aéronautique, des échangeurs en acier inoxydable sont également utilisés.

QUELQUE TRAVEAUX SUR LES ECHANGEURS DE CHALEUR

Les ailettes sont de première importance dans les échangeurs de chaleur parcours du fluide côté calandre et par voie de conséquence ils assurent des taux élevés de transfert de chaleur. Dans la littérature, les différentes formes, orientations et emplacement des chicanes ont fait l’objet de plusieurs travaux scientifiques. En convection forcée dans les conduites en présences des obstacles ou chicanes, de nombreuses études numériques ont vu le jour depuis les années 1977. Commençant par Patankar et al [2], ces hauteurs ont rapporté le premier travail sur l’analyse numérique de l’écoulement en convection forcée dans un conduit. Ils ont présenté le concept de l’écoulement périodique entièrement développé.

Bemer et al [3], ont montré cela pour un canal avec des chicanes avec un écoulement laminaire à nombres de Reynolds inférieur à 600. Webb et Ramadhyani [4], ont étudié l’écoulement de fluide et le transfert thermique dans un canal à deux plaques parallèles avec des chicanes chancelées. Ils ont basé leur modèle numérique sur les conditions périodiques pour l’écoulement entièrement développé proposé par Patankar et al. Une investigation numérique pour un fluide en convection forcée laminaire entre deux parois planes parallèles avec chicanes, a été réalisée par Kelkar et Patankar [5]. Les résultats prouvent que l’écoulement est caractérisé par de fortes déformations et de grandes régions de recirculation. En général, le nombre de Nusselt et le coefficient de frottement augmentent avec le nombre de Reynolds. Leurs résultats montrent aussi que les performances thermiques augmentent avec l’augmentation de la taille de chicanes et avec la diminution de l’espacement entre chicanes. Cheng et Huang [6], ont étudié la convection forcée entre deux plaques planes parallèles munies d’ailettes transversales (chicanes transversales) qui ne sont pas symétriquement placées. Leurs résultats ont indiqué que la position relative à des rangées de chicanes est un facteur influent sur le champ d’écoulement, particulièrement pour des chicanes avec de grandes tailles.

Cheng et Huang [7], ont également analysé des écoulements laminaires en convection forcée dans la région d’entrée d’un canal horizontal. Des calculs pour le canal semi-infini dans lequel un ou deux paires de chicanes sont symétriquement fixées aux murs respectifs dans la région d’entrée ont été analysés. Les effets hydrauliques et thermiques en fonction de l’emplacement des chicanes normales à l’intérieur d’un canal en 3D, ont été étudiés numériquement par Lopez et al [8,9]. Une analyse de la convection forcée laminaire a été effectuée avec des chicanes soumises à un flux uniforme de la chaleur. Par contre les fondations supérieures et les parois latérales sont supposées adiabatiques. Leurs résultats montrent que les effets tridimensionnels sur le facteur de frottement, d’un canal avec l’allongement d’unité et un rapport de blocage de 0.5, ont augmenté avec l’augmentation du nombre de Reynolds Re. Guo et Anand [10], ont étudié le transfert thermique tridimensionnel dans un canal avec une chicane simple dans la région d’entrée. Des canaux semblables avec des tiges de perturbations « au lieu des ailettes » ont été numériquement étudiés par Yuan et Tao [11], pour une série de nombre de Reynolds de 50 à 700. Les résultats montrent que le nombre de Nusselt peut atteindre 4 fois celui obtenu pour un canal à paroi lisse aux mêmes conditions mais avec une chute de pression beaucoup plus grande.

Hwang et al [12], ont présenté une étude numérique de l’écoulement turbulent dans une conduite contenant un obstacle. Les résultats numériques prouvent que la prolongation de la région de recyclage en amont de l’obstacle ne dépend pas de sa longueur dans le sens de l’écoulement. La zone de recyclage est fortement influencée par la longueur de l’obstacle, cette zone diminue quand la longueur d’obstacle est augmentée. Yang et Hwang [13], ont effectué un travail intéressant portant sur des chicanes pleines et poreuses dans un canal bidimensionnel pour un régime turbulent d’écoulement. Leurs résultats pour le cas poreux sont meilleurs par rapport au cas pleins.

Conclusion

L’objectif de ce travail est d’étudier le comportement dynamique et thermique de deux écoulements dans un échangeur de chaleur dans le cas simple et avec des ailettes dans la veine d’écoulement des fluides. Cette étude a été réalisée à l’aide du logiciel Fluent qui se base sur la méthode des volumes finis. De nos résultats obtenus, on a remarqué que : Pour avoir de bons résultats, il faut choisir le maillage qui conviens a la configuration étudie ; dans le cas simple on a utilise le maillage carré et pour le cas avec des ailettes on a utilise le maillage triangulaire qui adapter aux géométries complexe. L’analyse des résultats obtenus a permis d’associer élévations de température du fluide par l’effet des ailettes à la sortie de chaque section. Les résultats numériques, obtenus présentés pour analyser le comportement dynamique et thermique de deux écoulement dans un échangeur de chaleur sans et avec ailettes ces résultats constituent un apport important pour l’enrichissement des connaissances sur la convection forcée à l’intérieur des conduites. Les profils et la distribution de la vitesse montrent des zones de recirculation relativement intense au-dessus des facettes de chaque ailette.

La perturbation la plus élevée est obtenue en amont de chaque ailettes, ces zones de recirculations sont responsables à l’augmentation de la température du fluide caloporteur. La présence des ailettes réduit la région d’entrée, c’est dans cette partie où les échanges thermiques sont plus importants. La température de fluide augmente des que le fluide se trouve de nouveau en contact avec les ailettes et ceci se répète d’une manière analogue d’une cellule à une autre. on conclut également que cas on peut diminué l’allongement pour attendre les même résultats que dans le cas d’un section constante. Cette étude a montré que l’usage des ailettes dans la veine dynamique demeure un moyen efficace pour l’amélioration de ses performances. L’ensemble des résultats présentés montre bien la nette amélioration apportée par l’utilisation des obstacles. Enfin, plusieurs développements futurs basés sur ce travail sont donc envisageables. Parmi les plus importants, en perspective, nous recommandons dans ce domaine, les points suivants :

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : GENIRALITES SUR LES ECHANGEURS DE CHALEURS
INTRODUCTION
I.1. DEFINITION
I.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
I.3. CRIETRES DE CLASSEMENT DES ECHANGEURS
I.3.1 Type de contact
? Échangeurs à contact direct
? Échangeurs à contact indirect
I.3.2 classement suivant les types d’échange
Échangeur sans changement de phase
Échangeur avec changement de phase
I.3.3 Classement suivant la disposition des écoulements
I.3.4 Classement fonctionnel
I.3.5 Classement suivant la compacité de l’échangeur
I.3.6 Classement suivant la nature du matériau de la paroi d’échange
I.3.7 Classement technologique
I.3.7.1 Échangeurs tubulaires
? Différentes catégories existantes
I.3.7.2 Échangeurs à plaques
? Échangeurs à surface primaire
? Échangeurs à surface secondaire
I .4 Autres types d’échangeurs
? Échangeurs régénérateurs rotatifs et statiques
? Échangeurs à caloducs longitudinale
? Echangeur liquide-liquide
? Échangeur lamellaire
? Échangeurs à plaques brasées
CHAPITRE II RECHERCHE BIBLIOGRAPHIE
INTRODUCTION
II.1 QUELQUE TRAVEAUX SUR LA CONVECTION FORCEE
CHAPITRE III : FORMULATION MATHEMATIQUE
INTRODUCTION
III.1.1. Géométries du problème
III.1. FORMULATION MATHMATIQUE DU PROBLEME
III.1.2.Equations en régime laminaire
III.1.2.1. Hypothèse simplificatrices
III.1.2.2. Equation gouvernantes
III.1.2.2.1Equation de continuité
III.1.2.2.2 Équation de quantité de mouvement
III.1.2.2.3 Équation d’énergie
III.1.2.3. Conditions aux limites
Conclusion
CHAPITRE VI : RESOLUTION NUMERIQUE
INTRODUCTION
VI.1 PRINCIPE
VI.2 RAPPEL SUR LA METHODE DES VOLUMES FINIIS
VI.2.1 Maillage
VI.2.3. La discrétisation
VI.3 Architecture de logiciel
VI.4 Préprocesseur GAMBIT
VI.4.1 Procédure de Résolution
VI.4.1.1 Créer la Géométrie dans GAMBIT
VI.4.2.2 Code FLUENT
CHAPITRE V : RESULTATS ET INTERPRETATION
INTRODUCTION
V.1. DESCRIPTION DU PROBLEME
V.2 DISCUTION DES RESULTATS DE SIMULATION
V.2.2. Etude de champ dynamique
V.2.2.1. Profils de vitesse axiale dans des sections particulières du canal
V.2.2. Profils du coefficient de frottement local le long des parois
V.2.2.1. Profils du coefficient de frottement local le long de parois inférieure du canal de fluide chaud
V.2.2.2. Profils du coefficient de frottement local le long de parois supérieure du canal de fluide froid
V.2.3. Profils du Nombre du Nusselt le long des parois
V.2.3.1. Profils du Nombre du Nusselt le long de parois supérieure du canal de fluide froid
V.2.1. Etude de champ thermique
V.2.1.1. Profil de température totale dans des sections différentes du canal
CONCLUSION

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