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RÉSUMÉ
Dans cet article, on donne les principes pour dimensionner un échangeur de chaleur et pour évaluer les performances d’un échangeur existant. Deux démarches sont décrites, une démarche analytique et une démarche numérique. Dans la démarche analytique, les deux principales méthodes sont proposées : la méthode dite du DTML (Différence de Température Moyenne Logarithmique) mieux adaptée au dimensionnement et la méthode de l’efficacité – NUT (Nombre d’Unités de Transfert) mieux adaptée à l’évaluation. Pour la démarche numérique, après quelques éléments sur les principes de base des méthodes numériques, l’accent est mis sur des exemples d’utilisations montrant l’aide apportée pour la mise en évidence des problèmes de dimensionnement et de conception (distribution, géométries internes, intensification des transferts de chaleur,…)
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In this article, the principles of the sizing of a heat exchanger together with that of rating an existing heat exchanger are given. Two approaches are described, an analytical one and a numerical approach. In the analytical approach, the two main methods are proposed: the so-called LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) method more adapted to sizing and, the effectiveness – NTU (Number of Transfer Units) method more adapted to rating. For numerical approach, after some bases about numerical methods, the emphasis is put on examples of utilization showing the given help to the analysis of sizing and possible conception mistakes (distribution, internal geometries, heat transfer intensification…)
Auteur(s)
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André BONTEMPS : Professeur émérite - Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI) - Université Joseph Fourier
-
Jean-François FOURMIGUé : Ingénieur – Chercheur - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives -
INTRODUCTION
Les outils à la disposition de l'ingénieur pour le dimensionnement d'un échangeur ou pour l'évaluation des performances d'un échangeur existant sont très nombreux et le choix peut alors sembler très difficile. Ils sont en fait très complémentaires et peuvent être utilisés successivement lors d'une démarche de dimensionnement d'un appareil.
Les méthodes analytiques suffisent pour dimensionner un échangeur ou pour évaluer les performances d'un échangeur déjà défini dans le cadre d'un procédé industriel déjà bien maîtrisé et d'une gamme d'équipements classiques déjà utilisés sur un procédé similaire. C'est d'ailleurs sur des méthodes de ce type que sont basés les outils métiers des fabricants. Le plus qu'elles apportent est de s'appuyer sur des bases de données de performances, pertes de pression et coefficients d'échange, basée sur des mesures réalisées sur leurs échangeurs. Les deux principales méthodes, décrites dans cet article, sont la méthode du DTML (différence de température moyenne logarithmique), mieux adaptée au dimensionnement et la méthode de l'efficacité – NUT (nombre d'unités de transfert), mieux adaptée à l'évaluation des transferts de chaleur d'un échangeur déjà défini.
La simulation numérique vient après quand on sort des configurations classiques, en particulier pour les fluides, les régimes de fonctionnement, et que des problèmes peuvent se présenter en termes de distribution ou d'échange thermique local. Les simulations peuvent alors apporter une information beaucoup plus fine avec une représentation 1D, 2D ou 3D des écoulements et transferts de chaleur.
Un tableau de notations et symboles est placé en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
cryogenic | petrochemistry
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Présentation4. Logiciels de mécanique des fluides
4.1 Utilisation de logiciels
Les logiciels de mécanique des fluides et transferts de chaleur sont largement utilisés tant dans l'industrie que dans les organismes de recherche publics ou les universités. Basés sur les méthodes numériques présentées au paragraphe 3, principalement celle des volumes finis, ils permettent de simuler le fonctionnement complet d'échangeurs de chaleur ou de manière plus détaillée les écoulements dans une zone réduite de ces appareils. Les logiciels les plus répandus en 2013 dans l'industrie sont les codes commerciaux Fluent, distribué par Ansys, et StarCCM+, distribué par CD-Adapco. Un logiciel libre OpenFOAM commence à se répandre, surtout dans les universités et centres de recherche publics.
En plus de la simulation de l'écoulement monophasique du ou des fluides et des transferts de chaleur, des modèles complémentaires sont disponibles prenant en compte des phénomènes physiques complexes : modèles de turbulence de plus en plus sophistiqués, rayonnement thermique en milieu transparent ou semi-transparent, réactions chimiques surfaciques (catalyse) ou volumiques, combustion, machines tournantes, transports de mélanges de fluides ou de particules solides... De plus, les écoulements diphasiques commencent à pouvoir aussi être simulés par différentes méthodes en particulier celles adaptées aux configurations d'écoulement rencontrées dans les échangeurs : écoulements dispersés de type liquide dispersé (gouttelettes) ou gaz dispersé (bulles), écoulements à phases séparées, fronts de fusion/solidification.
L'utilisation des logiciels pour l'aide au dimensionnement ou à l'amélioration du fonctionnement des échangeurs de chaleur est très largement répandue dans la littérature scientifique. Deux articles en particulier en font une synthèse intéressante : B. Sunden ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHAH (R.K.), AFIMIWALA (K.A.), MAYNE (R.W.) - Heat exchanger optimization. - In Proceedings 6th International Heat Transfer Conference, Toronto, Canada, vol. 4, p. 185-191 (1978).
-
(2) - SHAH (R.K.), SEKULIC (D.P.) - Fundamentals of heat exchanger design. - John Wiley and sons, Inc., HOBOKEN (N.J.), États-Unis (2003).
-
(3) - BOWMAN (R.A.), MUELLER (A.C.), NAGLE (W.M.) - Mean temperature difference in design. - Trans ASME, 62, p. 283-294 (1940).
-
(4) - KERN (D.Q.) - Process heat transfer. - 2nd Ed., McGraw Hill Book Company, Singapore (1984).
-
(5) - AZBEL (D.) - Heat transfer applications in process engineering. - Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, États-Unis (1984).
-
(6) - CHEN (J.D.), TSAI (S.T.) - Calculation of mean temperature difference of...
ANNEXES
Fluent http://www.ansys.com/fr_fr
STAR-CCM http://www.cd-adapco.com
OpenFoam http://www.openfoam.com
HAUT DE PAGE
International Heat Transfer Conference http://www.ihtc-15.org
HAUT DE PAGE
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