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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
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
Num. - Modélisation
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
6
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
7
Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, global
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
Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, global
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 %
9
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
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Influence locale des tubes sur l’écoulement de l’effluentInfluence locale des tubes sur l’écoulement de l’effluent
Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, local
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
Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, local
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
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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
Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, local
13
Num. - Échangeur à tubes et ailettes circulaires indépendantes, local
14
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
Num. - Modélisation
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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