Optimisation des performances d’échangeurs de chaleur. · 2 Problématique industrielle...
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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 [email protected]
Journée d’étude SFT 16/03/2011
Echangeurs thermiques et multi-fonctionnels : enjeux, applications et axes de
recherche
_______________
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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)
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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+)
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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
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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
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Optimisation de la géométrie d’un échangeur thermique composé de
canaux élémentaires par simulation numérique
Efficacité thermique
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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