Optimisation des performances d échangeurs de chaleur.

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Richard Lefrançois
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1 Journée d étude SFT 16/03/2011 Echangeurs thermiques et multi-fonctionnels : enjeux, applications et axes de recherche Optimisation des performances d échangeurs de chaleur. École des Mines de DOUAI 941 rue Charles Bourseul - B.P DOUAI Département Énergétique Industrielle Daniel Bougeard, Serge Russeil, Jean Luc Harion, Rabie Nacereddine daniel.bougeard@mines-douai.fr 1

École des Mines de DOUAI 941 rue Charles Bourseul - B.P.

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) 2

optimisation multiples : Amélioration de l efficacité énergétique Qualité de mélange dans des configurations d

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+) 3

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 entréesortie imposée. Construction par «empilage» CFD Maillages paramétriques Boucle logicielle 4

de maximiser la puissance thermique pour un volume fixe de l échangeur et une perte de

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 5

numérique Puissances calculées en fonction de la

6 Optimisation de la géométrie d un échangeur thermique composé de canaux élémentaires par simulation numérique Efficacité thermique 6

de la position des tubes Forme des ailettes Utilisation de

7 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 tourbillons persiennes 7

Optimisation d un échangeur à un rang de tubes ronds Configuration mono rang de tubes Encombrement constant (W, H, Da) = (500, 300, 18) mm 3 P th constante e a = 0,1 mm, e t = 0,2

8 Optimisation d un échangeur à un rang de tubes ronds Configuration mono rang de tubes Encombrement constant (W, H, Da) = (500, 300, 18) mm 3 P th constante e a = 0,1 mm, e t = 0,2 mm Qv = 6, m 3 /s. U d = 1 m/s D t > 2 mm Objectif : Minimisation de la puissance de ventilation Variables : nombres tubes et d ailettes (pas intertube et pas interailette) 8

9 Simulation Numérique Code FLUENT Simulation RANS (k w sst) Motif élémentaire Couplage conducto-convectif Symétries P atmo Périodique Symétries U 0 9

mailles optimales 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Indépendance du maillage 0 0 0.05 0.1 0.

10 U (m/s) Optimisation de la géométrie des échangeurs à tubes ailettes Simulation Numérique Géométrie et Maillage paramétriques Zones raffinées Détermination d une densité de mailles optimales Indépendance du maillage y/d ext N H = 10 N H = 20 N H = 30 N H = 35 b a y c x z Validation de la topologie du HSV 10

11 Boucle d optimisation étape 1: Pour des valeurs n a, n t, e a, e t, U d et Q v les paramètres géométriques sont calculés et un fichier de mailllage est crée Étape 2: importation sous FLUENT du maillage et des paramètres de la simulation => calcul CFD Étape 3: La puissance de ventilation U 0 Δp est evaluée. Le logiciel d optimisation de isight-fd modifie les variables du système et relance une itération de la boucle jusqu à obtention d une puissance de ventilation minimale 3.5E E+ 04 Configuration plaques planes Configuration tubes-ailettes 2.5E+ 04 surfaces solides à températures constantes et comparaison à une configuration canal sans demi-tube Dp=C te =35 Pa 2.0E E E E E E (mm)

Le logiciel d optimisation de isight-fd modifie les variables du système et relance une itération de la boucle jusqu à obtention d une puissance de ventilation minimale 3.5E+ 04 3.

Résultats U0ΔP, W/m 2 60 55 50 45 40 35 30 25 20 20 25 30 35 38 40 45 55 60 70 75 80 85 250 300 350 400 450 500 n a

12 Résultats U0ΔP, W/m n a Influence pas interailette U0ΔP, W/m n t Influence pas intertube

Influence pas interailette U0ΔP, W/m 2 60 55 50 45 40 35

13 Acier, =52 W/m.K Aluminum, =200 W/m.K Cuivre, =380 W/m.K U, n t et n a pour maintenir P th imposée 13

14 Échangeur automobile à persiennes (thèse Julien Herpe 2007) 14

15 Échangeur automobile à persiennes 15

16 Optimisation multicritère Variables :FP, angle persiennes Construction de surface de réponse Utilisation de l optimiseur Algorithme génétique : NSGA2 16

17 Second principe, production d entropie ''' ''' ''' ''' ''' S gen S gen, v S gen, v, t S gen, th S gen, th, t N S1 ''' T. S T. S gendv gen N s1th vs effectiveness N s1th,v vs effectiveness 0, m/s 0, m/s m/s 0,137 Ns1 th 0,127 0, m/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s 0,19 0,22 0,25 0,28 0,31 0,34 Effectiveness 0,15 Ns1 th,v 0,14 0,13 0, m/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s 0,19 0,22 0,25 0,28 0,31 0,34 Effectiveness 17

m/s 05-7.5m/s 25-15 m/s 45-15 m/s 15-7.5m/s 25-7.5m/s 35-7.5m/s 45-7.

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