1 evaluation des performances thermique et massique des échangeurs thermique lors de la...

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Evaluation des performances thermique et Evaluation des performances thermique et massique des échangeurs thermique lors de massique des échangeurs thermique lors de

la condensation des effluents gazeux en la condensation des effluents gazeux en

présence d’incondensableprésence d’incondensable

Mohamed SAGHIR-Serge RUSSEIL– Bernard BAUDOIN

[email protected]

École des Mines de DouaiDépt Énergétique Industrielle

BP 838 59 508 DOUAI

Mines de Douai - Département Énergétique Industrielle

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Air chaud et humideAir chaud et humide

Fluide froidFluide froid

ailette circulaire

tube

Introduction : les batteries de tubes à ailettes

Réduction des Réduction des coûts d’investissementcoûts d’investissement de fabrication de fabrication

Amélioration de Amélioration de l’efficacité énergétique & compacitél’efficacité énergétique & compacité

EnjeuxEnjeuxindustrielsindustriels

UtilisationsUtilisationsindustriellesindustrielles

• ClimatisationClimatisation

• DéshumidificationDéshumidification

ailette plane

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Num. - Modélisation

• Résolution des équations de transport (Fluent)Résolution des équations de transport (Fluent)

• Modélisation de la condensationModélisation de la condensation

a) Disparition de vapeur d’eau à la paroib) Dégagement de chaleur latente

v ��

1) Équation de continuité2) Équation de transport de la masse3) Équation de transport de la quantité de

mouvement4) Équation de transport de la chaleur

1 iY

( , , )u v w i

S

SSvv

SSii

Équations de transportÉquations de transport

4

• Transport des espècesTransport des espèces

• Transport de la chaleurTransport de la chaleur

ah ah cond cond int intS S S

int int

int

ah cond v vn

Th T T m L T

x

Ailette

condensat

Air

humide Interface de condensation

Conditions aux limites à l’interface de condensationConditions aux limites à l’interface de condensation


1

intint

eav

satvv

YYY

TYYint

int

int. Sx

YDSm

n

vv

5

Air humideAir humide

t1

t2

t3

t4

LLxx=0,4 m; L=0,4 m; Lyy=0,266 m;=0,266 m;

HHailail = 3.4 mm; = 3.4 mm; ail ail = 0,4mm;= 0,4mm;

PPll=54.6 mm; P=54.6 mm; Ptt=63 mm;=63 mm;

NNtubestubes: 24; N: 24; Nrtrt: 4: 4

Matériau: acier carboneMatériau: acier carbone

[Jang (1998) Expérimental][Jang (1998) Expérimental]

Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, géométrie

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Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, global

Maillage et conditions aux limitesMaillage et conditions aux limites :

-Vitesse d’entrée : 1, 2, 3, 4, 5, 6 m/s

- Intensité turbulente à l’entrée : 2 %

- Température à l’entrée : 300 K

- Humidité relative 70 %

- Température des tubes : 280 K

- condition de symétrie : plans médians de l’ailette et de l’espacementinter-ailettes

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Comparaison Expérimental/Numérique Comparaison Expérimental/Numérique en régime humideen régime humide

Variables adimensionnelles

oin

ininin

ino

mc

latsens

p

senssens

KKG

P

A

Af

G

Schj

cG

hj

11122

Pr

002max

3/23/2

G : vitesse massique, [kg.m−2.s−1]

8

=> Comparaison satisfaisante entre => Comparaison satisfaisante entre résultats expérimentaux et numériquesrésultats expérimentaux et numériques


Comparaison Expérimental/Numérique Comparaison Expérimental/Numérique en régime humideen régime humide

Re>3500 différence de quelques pourcentsRe<3500 écarts maximaux étant inférieurs à 11.2 %Re>3500 identique

Re<3500 écarts maximaux inférieurs à 33 %

Re>4500 différence de quelques pourcentsRe<4500 écarts maximaux étant inférieurs à 26 %

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Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, local

Fraction massiqueFraction massique Au niveau de l’ailette

• vfrontale = 4 m/s • vfrontale = 8 m/s

AirAir

Taux de condensationEauEauEauEau

10

Influence locale des tubes sur l’écoulement de l’effluentInfluence locale des tubes sur l’écoulement de l’effluent


A l’amont de tubes

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Similitude entre le transfert de chaleur et le transfert de Similitude entre le transfert de chaleur et le transfert de massemasse


TempératureTempératureTube 1Tube 1 Tube 2Tube 2

Vapeur d´eauVapeur d´eau Tube 1Tube 1 Tube 2Tube 2

Tube 3Tube 3 Tube 4Tube 4

Tube 3Tube 3 Tube 4Tube 4

12

Similitude entre le transfert de chaleur et le transfert de Similitude entre le transfert de chaleur et le transfert de massemasse


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Num. - Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, local

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La variation du h en fonction de la vitesse et du numéro de La variation du h en fonction de la vitesse et du numéro de rangée des tubesrangée des tubes

Num. - Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, local

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Conclusions Études NumériquesConclusions Études NumériquesModélisation de condensation surfacique

1. En 3D : batteries de tubes à ailettes

Investigation au niveau local1. Liens mécanique des fluides, transferts de chaleur

et de masse mis en évidence2. Évaluation de l’efficacité massique rang par rang

Conclusions et perspectives

Ailette

e/2

ail

hg,0

hg,fin

hg,i

condensat

Air

humide

Ailette

e/2

ail

Air

humide

Film de condensat

econd

Perspectives Études NumériquesPerspectives Études NumériquesSe rapprocher de la physique de la condensation sur les

ailettes Film de condensat remplacé par distribution de

gouttelettes

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Schéma de discrétisation en espace de SSchéma de discrétisation en espace de Sv v au 1 au 1er er ordreordre

Condensat

0( )vY c

1( )vY c

Interface de condensation 0 int 0( ) ( )satv vY f Y T c

Schéma au 1Schéma au 1erer ordre ordre

0 0

0 1

( ) ( )

( ) ( )

satv v v

n

Y c Y c Y

x xc c xc c


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Interactions entre la mécanique des fluides et les transferts Interactions entre la mécanique des fluides et les transferts de chaleurde chaleurAu niveau de l’ailette

Num. - Échangeur à tubes et ailettes planes continues, local

A l’amont de tubes

AirAir

Lignes de courant

hsens

1 evaluation des performances thermique et massique des échangeurs thermique lors de la...

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