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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Philippe BANDELIER : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Grenoble)
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Nadia CANEY : Université Joseph Fourier, Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
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Zoé MINVIELLE : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Grenoble) - Cet article est la réédition actualisée de l'article [BE 2 343]intitulé « Échangeurs de chaleur – Intensification des échanges thermiques » paru en février 1994, rédigé par André BONTEMPS, Alain GARRIGUE, Charles GOUBIER, Jacques HUETZ, Christophe MARVILLET, Pierre MERCIER, Roland VIDIL.
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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Échangeurs multifonctionnels
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4. Intensification des échanges lors de la condensation d'une phase vapeur
Les mécanismes d'échange mis en jeu dans un condenseur sont sensiblement moins complexes que ceux des évaporateurs. Deux modes dominants de condensation sont rencontrés :
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la condensation en film, mode le plus courant, qui se traduit par la formation d'un film de condensat ayant une répartition relativement homogène sur la paroi froide ; ce film de condensat s'écoule sur la paroi du fait de la force de gravité (film tombant ou ruisselant) ou du fait des contraintes interfaciales avec la phase vapeur si sa vitesse est importante. Ce mode de condensation se caractérise par des coefficients d'échange qui dépendent des propriétés physiques du film, de la configuration de l'écoulement si la condensation a lieu dans un canal et des interactions entre le condensat et la vapeur. Pour un condensat en régime laminaire de vapeur pure, la résistance thermique est constituée exclusivement par l'épaisseur du film de condensat ;
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la condensation en gouttes, qui se traduit par la formation de gouttes de condensat sur la paroi froide en contact avec la vapeur : ce mode de condensation se caractérise par des coefficients d'échange très élevés mais ne se rencontre pas dans le fonctionnement normal des appareils si aucun traitement spécifique de la surface n'est mis en œuvre.
La présence de gaz incondensables, fréquente lors de la condensation de vapeur d'eau dans un procédé, engendre une dégradation du coefficient d'échange. Pour cette raison, quelle que soit l'application envisagée, l'élimination des incondensables est à privilégier et tout particulièrement lorsque l'on utilise des surfaces à haute performance.
L'intensification en condensation obéit à trois principes :
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un premier principe consiste à favoriser l'assèchement partiel de la paroi. Pour cela, on dispose de divers artifices : des dépôts de faible épaisseur sur la surface pour favoriser la condensation en gouttes, des géométries de surface qui favorisent le drainage du condensat sur des zones particulières de la paroi (tubes cannelés, par exemple) ;
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les deux autres principes sont communs à l'évaporation et à la condensation : ce sont l'utilisation d'ailettes et l'utilisation de promoteurs de turbulence dans le film de condensat comme par exemple des rugosités de paroi.
4.1 Tubes cannelés
Ces tubes présentent des cannelures longitudinales qui, même...
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Intensification des échanges lors de la condensation d'une phase vapeur
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).
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...
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 http://www.alfalaval.com/
Inserts
Chemineer...
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