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Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur entre deux espèces et sont utilisés pour une grande variété d’applications, des radiateurs de voiture aux usines chimiques à grande échelle. Il existe de nombreux modèles d’échangeurs de chaleur, y compris les échangeurs tubulaires et les échangeurs tubulaires à ailettes. Pour ceux-ci, un ensemble de tubes et d’ailettes est utilisé pour transférer la chaleur du fluide chaud au fluide froid. Une compréhension de l’efficacité du transfert de chaleur est importante pour l’optimisation de la conception des échangeurs de chaleur et leur intégration dans des systèmes plus vastes. Cette vidéo illustrera les principes des échangeurs de chaleur, montrera comment calculer le coefficient de transfert de chaleur et l’efficacité d’un échangeur de chaleur à tubes à ailettes et discutera des applications connexes.
Voyons maintenant comment fonctionnent les échangeurs de chaleur et examinons les principes qui régissent leur efficacité. Le transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur est généré par des espèces de fluides en contact étroit qui sont séparées par une barrière physique. Ils peuvent circuler parallèlement ou à contre-courant l’un de l’autre. L’échange de chaleur est déterminé par les différences de température locales entre les fluides. Le plus chaud des deux fluides entrant dans l’échangeur de chaleur en sortira avec une température réduite tandis que le plus froid sortira avec une température accrue. L’efficacité du transfert de chaleur peut être augmentée par l’ajout d’ailettes à la zone d’écoulement, ce qui augmente la surface disponible pour le transfert de chaleur. Cependant, les ailettes ajoutées diminuent également la région à travers laquelle le fluide s’écoule, offrant ainsi plus de surfaces pour la formation de couches limites. Une couche limite est la fine couche de fluide en contact avec la surface qui est affectée par les forces de cisaillement. Lorsque la couche limite est laminaire, il y a très peu de mélange et le transfert de chaleur est inhibé. À des débits plus élevés ou à de plus longues distances, le flux laminaire se décompose et se transforme en un écoulement turbulent où le fluide en vrac se mélange plus efficacement. En fonctionnement stationnaire, la chaleur totale transférée, Q, peut être calculée à l’aide du coefficient de transfert de chaleur global U, de la zone à travers laquelle la chaleur s’écoule, A et delta TLM, de la différence de température moyenne logarithmique entre l’écoulement du fluide en vrac et la surface thermique. UA est la conductance globale et est une mesure de la capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur. Le coefficient de transfert de chaleur global est déterminé par cette équation qui prend en compte les surfaces du tuyau et des ailettes, les coefficients de transfert de chaleur ainsi que la conductivité thermique et l’épaisseur du tuyau. Le coefficient de transfert de chaleur est estimé à partir de données expérimentales à l’aide de méthodes graphiques telles que le graphique de Wilson qui trace l’inverse de la conductance globale par rapport à une conductance sur la puissance de Reynolds élevée à la puissance de huit dixièmes. La régression linéaire est utilisée pour calculer les coefficients de transfert de chaleur. Le nombre de Reynold sans dimension est le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses et il est utilisé pour décrire le modèle d’écoulement. Où D est le diamètre équivalent du tuyau, G est la vitesse de masse du fluide et Mu est la viscosité du fluide. Un nombre de Reynold plus élevé indique un écoulement plus turbulent, un plus grand mélange de fluides et un transfert de chaleur accru. Maintenant que vous comprenez comment calculer les coefficients de transfert de chaleur et les nombres de Reynold, évaluons l’efficacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur à tubes à ailettes en faisant varier les débits d’eau et de monoetilenglicol.
Avant de commencer, familiarisez-vous avec l’appareil d’échangeur de chaleur à tubes à ailettes. Ouvrez la soupape de surcharge, démarrez l’appareil et attendez que la vapeur commence à se former. À l’aide d’un chronomètre et de la jauge, déterminez le débit d’eau. Démarrez votre chronomètre et surveillez la jauge qui affiche le volume d’eau. Arrêtez le chronomètre après 30 secondes. Notez le volume total d’eau sur le manomètre et divisez le volume par le temps mesuré. Ensuite, lisez le débit MEG sur l’écran. Une fois les 30 secondes de calcul du débit écoulées, enregistrez la température des thermocouples.
Maintenant, faites varier les débits pour obtenir des données pour six exécutions uniques. Chaque passage se compose d’un débit d’eau et de MEG défini. Réglez le débit d’eau sur élevé ou faible et faites-le fonctionner avec un débit élevé, moyen ou faible de MEG pour un total de six passages. Répétez la même procédure ci-dessus pour chaque débit afin d’enregistrer les débits volumétriques d’eau et de MEG et la différence de température du thermocouple. Lorsque vous avez terminé, éteignez l’instrument. Fermez les vannes pour l’écoulement de la vapeur, du glycol et de l’eau. Éteignez ensuite l’interrupteur principal.
Pour calculer la chaleur totale transférée, Q, pour chaque cycle, utilisez les différences de température obtenues à partir de chaque expérience et les paramètres physiques du monoetilenglicol. Déterminez ensuite le nombre de Reynold pour chaque passage unique en utilisant les dimensions du tuyau et la masse, la vitesse et la viscosité de l’eau.
Comparons maintenant les résultats aux valeurs théoriques de l’échangeur de chaleur sans ailettes. Un graphique de Wilson a été utilisé pour déterminer les coefficients de transfert de chaleur en traçant un sur UA, par rapport à un sur le nombre de Reynold porté à la puissance de huit dixièmes et en reliant l’ajustement linéaire à l’équation du coefficient de transfert de chaleur global. Les lignes bleues, rouges et vertes indiquent les débits monoetilenglicol élevés, moyens et faibles dans l’expérience. Par rapport à un tube sans ailettes, le tube à ailettes n’a pas atteint un écoulement turbulent. Les ailettes fournissent des surfaces supplémentaires pour que les couches limites forment et maintiennent le monoéthylène glycol dans un régime d’écoulement plus laminaire. Cependant, lorsque l’on compare la chaleur transférée entre l’échangeur avec et sans ailettes à différents débits MEG, il est clair qu’un tube à ailettes transfère plus de chaleur qu’un tube sans ailettes aux mêmes paramètres de fonctionnement. Le transfert de chaleur est plus efficace avec une plus grande surface, malgré le fait que les tubes à ailettes induisent un écoulement laminaire, leur efficacité thermique était beaucoup plus élevée que pour le tube sans ailettes.
Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans une variété de contextes pour transférer la chaleur d’une espèce à une autre. Dans tous les bâtiments, les échangeurs de chaleur font partie des systèmes de chauffage et de climatisation pour réguler la température. Ils sont également utilisés pour contrôler la température centrale du patient dans les établissements de soins intensifs, comme après un arrêt cardiaque, une fièvre neurogène ou une intervention chirurgicale. Les échangeurs de chaleur sont également utilisés à petite échelle dans la dénaturation et la précipitation thermique des protéines à partir d’extraits de plantes. Cette technique a été utilisée dans l’extraction d’un candidat vaccin antipaludique à partir de plants de tabac transgéniques afin de réduire la concentration de protéines de la cellule hôte.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux échangeurs de chaleur à tubes à ailettes. Vous devez maintenant comprendre les principes du transfert de chaleur, être capable d’évaluer l’efficacité thermique et connaître plusieurs applications des échangeurs de chaleur dans divers processus. Merci d’avoir regardé.
