Abstrait

Une étude sur l'analyse des performances et l'optimisation de la conception des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes

Praveen Math*, Kumaraswamy KL

Les échangeurs de chaleur à calandre et à tubes revêtent une importance particulière dans les chaudières, les refroidisseurs d'huile, les condenseurs et les préchauffeurs. Ils sont également largement utilisés dans les applications de traitement ainsi que dans l'industrie de la réfrigération et de la climatisation. La robustesse et la forme moyennement pondérée des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes les rendent bien adaptés aux opérations à haute pression. Le but de cette étude est d'expérimenter, de valider et de fournir des suggestions de conception pour optimiser l'échangeur de chaleur à calandre et à tubes (STHE). L'échangeur de chaleur est fabriqué en matériau acrylique avec 2 chicanes et 7 tubes en acier inoxydable. Le fluide chaud s'écoule à l'intérieur du tube et le fluide froid s'écoule sur le tube dans la calandre. 4 thermocouples de type K ont été utilisés pour lire les températures d'entrée et de sortie des fluides chauds et froids. Des expériences ont été menées pour diverses combinaisons de débits d'eau chaude et froide avec différentes températures d'entrée d'eau chaude. Les conditions d'écoulement sont limitées au modèle de taille laboratoire de la configuration expérimentale. Un code CFD commercial a été utilisé pour étudier le champ d'écoulement thermique et hydraulique à l'intérieur de la calandre et des tubes. La méthodologie CFD est développée pour représenter de manière appropriée la physique de l'écoulement et la procédure est validée avec les résultats expérimentaux. Un écoulement turbulent côté tube est observé pour toutes les conditions d'écoulement, tandis que le côté calandre présente un écoulement laminaire sauf pour les températures extrêmes de l'eau chaude. Par conséquent, le modèle de transition k-kl-oméga a été utilisé pour mieux prédire l'écoulement dans les cas de transition. Un modèle k-epsilon réalisable avec une fonction de paroi hors équilibre a été utilisé pour les cas turbulents. Les profils de température et de vitesse sont examinés en détail et on observe que l'écoulement reste presque uniforme dans les tubes, limitant ainsi le transfert de chaleur. Environ 2/3 ^du flux côté calandre n'entoure pas les tubes en raison d'un écoulement biaisé contribuant à réduire le transfert de chaleur global et à augmenter la perte de pression. Sur la base de ces résultats, une tentative a été faite pour améliorer le transfert de chaleur en induisant une turbulence dans l'écoulement côté calandre. Les deux déflecteurs ont été tournés dans des directions opposées l'un à l'autre pour obtenir une meilleure circulation dans l'écoulement côté calandre et assurer un meilleur contact avec la surface du tube. Différentes positions des déflecteurs ont été simulées et étudiées à l'aide d'une analyse CFD et les résultats sont résumés en ce qui concerne le transfert de chaleur et la perte de pression.