1

Optimisation des performances d’échangeurs de chaleur.

École des Mines de DOUAI

941 rue Charles Bourseul - B.P. 838 - 59508 DOUAI

Département Énergétique Industrielle

Daniel Bougeard, Serge Russeil, Jean Luc Harion, Rabie Nacereddinedaniel.bougeard@mines-douai.fr

Journée d’étude SFT 16/03/2011

Echangeurs thermiques et multi-fonctionnels : enjeux, applications et axes de

recherche

_______________

2

Problématique industrielle

Optimisation des systèmes énergétiques

Echangeurs : centraux dans des démarches d’optimisation énergétique

de ces systèmes

Accroître les performances des échangeur : enjeu important

Objectifs d’optimisation multiples :

Amélioration de l’efficacité énergétique

Qualité de mélange dans des configurations d’échangeurs

multifonctionnels

Diminution de quantité de matière nécessaire à la fabrication du

composant (coût matière)

3

Problématique industrielle

Optimisation multicritères :

Minimisation de la perte de charge

Minimisation de la masse

Amélioration de la compacité

Boucle logicielle :

i-SIGHT

Logiciels CFD (Fluent, Star CCM+)

4

Optimisation de la géométrie d’un échangeur thermique composé de

canaux élémentaires par simulation numérique

Détermination de la valeur optimale de la dimension des canaux permettant de maximiser la puissance thermique pour un volume fixe de l’échangeur et une perte de pression entrée-sortie imposée.

Construction par « empilage »

CFD

Maillages paramétriques

Boucle logicielle

5

Optimisation de la géométrie d’un échangeur thermique composé de

canaux élémentaires par simulation numérique

Puissances calculées en fonction de la dimension caractéristique du canal

Comportements asymptotiques

6

Optimisation de la géométrie d’un échangeur thermique composé de

canaux élémentaires par simulation numérique

Efficacité thermique

7

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

Radiateur automobile, aéroréfrigérant, aérocondenseur

•Variation des pas géométriques

•Variation de la forme des tubes

•Variation de la position des tubes

•Forme des ailettes

•Utilisation de technique d’intensification

Promoteur s de tourbillonspersiennes

8

Optimisation d’un échangeur à un rang de tubes ronds

Configuration mono rang de tubes

Encombrement constant (W, H, Da) = (500, 300, 18) mm3

Pth constante

ea = 0,1 mm, et = 0,2 mm

Qv = 6,28.10-8 m3/s . Ud = 1 m/s

Dt > 2 mm

Objectif : Minimisation de la puissance de ventilation

Variables : nombres tubes et d’ailettes (pas intertube et pas interailette)

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

9

Simulation Numérique Code FLUENT

Simulation RANS (k w sst)

Motif élémentaire

Couplage conducto-convectif

U0

Symétries

Symétries

Périodique

Patmo

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

10

Simulation Numérique Géométrie et Maillage paramétriques

Zones raffinées

Détermination d’une densité de mailles optimales

z

y x

a

b

c

y/Dext

U(m

/s)

0 0.05 0.1 0.15 0.20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

NH= 10

NH= 20

NH= 30

NH= 35

Indépendance du maillage

Validation de la topologie du HSV

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

11

Boucle d’optimisation

E (mm)0.5 1 1.5 2

0.0E+ 00

5.0E+ 03

1.0E+ 04

1.5E+ 04

2.0E+ 04

2.5E+ 04

3.0E+ 04

3.5E+ 04Configuration plaques planes

Configuration tubes-ailettes

surfaces solides à températures

constantes et comparaison à une

configuration canal sans demi-tube

Dp=Cte=35 Pa

étape 1: Pour des valeurs na , nt , ea , et , Ud et Qv les paramètresgéométriques sont calculés et un fichier de mailllage est crée

Étape 2: importation sous FLUENT du maillage et des paramètresde la simulation => calculCFD

Étape 3: La puissance de ventilation U0·Δp estevaluée. Le logiciel d’optimisation de iSIGHT-FD modifie les variables du système et relance une itération de la boucle jusqu’à obtention d’unepuissance de ventilation minimale

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

12

Résultats

30

40

20

25

30

35

40

45

50

55

60

250 300 350 400 450 500

na

U0Δ

P, W

/m2

20

25

30

35

38

40

45

55

60

70

75

80

85

Influence pas intertube

Influence pas interailette

20

25

30

35

40

45

50

55

60

10 30 50 70 90nt

U0Δ

P, W

/m2

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

13

Acier, =52 W/m.K Aluminum, =200 W/m.K Cuivre, =380 W/m.K

U, nt et na pour maintenir Pth imposée

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

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Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

Échangeur automobile à persiennes (thèse Julien Herpe 2007)

15

Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

Échangeur automobile à persiennes

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Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

Optimisation multicritère

Construction

de surface de réponse

Utilisation de l’optimiseur

Algorithme génétique : NSGA2

Variables :FP, angle persiennes

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Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes

Second principe, production d’entropie

dVSTSTN

gengen

S

'''

1

..tthgenthgentvgenvgengen SSSSS ,,'''

,'''

,,'''

,''''''

15°-7.5m/s

05°-15 m/s

05°-7.5m/s

25°-7.5m/s

35°-

7.5m/s

45°-7.5m/s

15°-15 m/s

25°-

15 m/s45°-

15 m/s

0,117

0,127

0,137

0,147

0,19 0,22 0,25 0,28 0,31 0,34

Effectiveness

Ns1 th

Ns1th vs effectiveness

05°-7.5m/s

15°-7.5m/s

05°-15 m/s

35°-15 m/s

45°-15 m/s

25°-7.5m/s

35°-

7.5m/s45°-7.5m/s

15°-15 m/s

25°-15 m/s

0,12

0,13

0,14

0,15

0,16

0,19 0,22 0,25 0,28 0,31 0,34

Effectiveness

Ns1 th,v

Ns1th,v vs effectiveness