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RÉSUMÉ
Le domaine de l'intensification des échanges de chaleur a depuis de nombreuses années dépassé le stade du laboratoire et largement été pris en compte dans les applications industrielles. Nombre d'échangeurs dans des procédés très divers sont équipés de surfaces d'échange (tubes ou plaques) spécialement conçues pour présenter des coefficients d'échange de chaleur élevés et notablement supérieurs à ceux des surfaces d'échange lisses.
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Heat Transfer Enhancement has overcome the laboratory field for several years, and is widely spread in industrial applications. Many heat exchangers in various processes are now equipped with plates or tubes especially designed to increase the heat transfer coefficients, which exhibit high operational values well above those obtained with flat surfaces.
Auteur(s)
-
Philippe BANDELIER : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Grenoble)
-
Nadia CANEY : Université Joseph Fourier, Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
-
Zoé MINVIELLE : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Grenoble) - C « Échangeurs de chaleur – Intensification des échanges thermiques »
INTRODUCTION
Tout échangeur de chaleur a pour fonction principale de transférer l'enthalpie contenue dans un fluide vers un autre fluide sous l'effet d'un écart de température. La surface d'échange à prévoir, et donc le coût de l'échangeur de chaleur, dépend directement de cet écart de température et du coefficient d'échange thermique. L'intensification des échanges de chaleur contribue donc directement à réduire la surface d'échange à installer et, potentiellement, le coût de l'échangeur si la technique mise en œuvre n'induit pas un surcoût supérieur au gain sur la surface. À coût d'échangeur constant, le bénéfice peut aussi être reporté sur le service thermique rendu, améliorant ainsi l'efficacité énergétique d'un procédé thermique. Néanmoins, dans certains cas, le critère de coût peut être secondaire comparé à d'autres avantages tels que la compacité de l'échangeur ou, par exemple, en repoussant le flux thermique critique à partir duquel la température de paroi devient trop importante. Toutes les applications des échangeurs de chaleur sont concernées : échangeurs en simple phase, en double phase (évaporation et condensation) et échangeurs multifonctions combinant le transfert de chaleur avec le transfert de masse ou une réaction chimique.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
enhancement | single phase flow | two phase flow
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Intensification des échanges lors de la vaporisation d'une phase liquide
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2. Intensification des échanges en convection forcée d'une seule phase (liquide ou gaz)
De nombreuses techniques d'intensification peuvent s'appliquer aux écoulements constitués d'une seule phase liquide ou gazeuse. Donnons dans ce paragraphe une description des principales techniques et des lois d'échange et de perte de frottement qui leur sont associées. Précisons les conditions de validité de ces lois, conditions qui s'expriment, en général, à partir des nombres adimensionnels caractéristiques des paramètres opératoires ou géométriques.
Plusieurs mécanismes d'intensification sont mis en œuvre avec les géométries améliorées de tubes, plaques ou ailettes (tableau 1) :
-
en écoulement laminaire, il est avantageux de favoriser les transferts de matière de la paroi d'échange au cœur de l'écoulement et vice versa. Le transfert de chaleur s'en trouve évidemment amélioré. Cela peut être obtenu par des canaux présentant des changements de direction (ailettes ondulées, plaques corruguées), par des inserts adaptés (mélangeur de type Kenics, Heatex) ;
-
en écoulement turbulent, la résistance thermique étant concentrée (sur une paroi lisse) dans la couche limite de faible épaisseur située à proximité immédiate de la paroi, il est avantageux de perturber cette couche par des accidents de faible épaisseur situés régulièrement à la paroi (ailettes à persiennes, tubes à rugosité continue, plaques corruguées), de générer des écoulements secondaires (ailettes ondulées, insert de type ruban torsadé), de limiter le développement de la couche limite par des parois discontinues (ailettes discontinues, par exemple) ou de réduire le diamètre hydraulique D h du canal sachant que, pour une vitesse donnée, le coefficient d'échange local est inversement proportionnel à
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, n étant compris entre 0,2 et 0,4 suivant le type de surface.
, n étant compris entre 0,2 et 0,4 suivant le type de surface.2.1 Ailettes
Dans le calcul d'un échangeur équipé d'ailettes lisses ou améliorées, il faut introduire l'efficacité d'ailette qui corrige l'effet de la non-isothermie de l'ailette et qui dépend, notamment, de la conductivité thermique du matériau...
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Intensification des échanges en convection forcée d'une seule phase (liquide ou gaz)
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ROBINSON (H.), BRIGGS (D.E.) - Pressure drop of air flowing across triangular pitch banks of finned tubes. - CEP Symp. Series, no 64, vol. 62, p. 177-188 (1966).
-
(2) - RABAS (T.J.) - The effect of fin density on the heat transfer and pressure drop performance of low finned tube banks. - ASME paper, no 80-HT-97 (1980).
-
(3) - JOSHI (H.M), WEBB (R.L.) - Prediction of heat transfer and friction in the offset strip fin array. - Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 30, no 1, p. 69-84 (1987).
-
(4) - DAVENPORT (C.J.) - Correlations for heat transfer and flow friction caracteristics of louvered fins. - Heat Transfer. Seattle. AIChE Symp. Series, vol. 79, no 225, p. 19-27 (1983).
-
(5) - ZAMFIRESCU (C.), FEIDT (M.) - Cascaded fins for heat transfer enhancement. - Heat Transfer Engineering, 28(5), p. 451-459, DOI : 10.1080/01457630601163835 (2007).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Société Française de Thermique : Écoles d'été et journées SFT sur les transferts de chaleur, congrès annuel http://www.sft.asso.fr
HAUT DE PAGE2.1 Fournisseurs d'échangeurs et de surfaces d'échange à haute efficacité (liste non exhaustive)
Tubes spéciaux
Société Wieland France http://www.wieland.fr/
Furikawa Electric http://www.furukawa.co.jp/english
SMP Tubes http://www.smp-tubes.com/francais
Hitachi http://www.hitachi-ap.com/
GEA Erge-Spirale, Soramat http://www.gea-erge.fr/
CIAT http://www.ciat.fr/
Plaques à ailettes ou spéciales
Chart Industries http://www.chartindustries.com/
Alfa Laval ...
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