Comment dimensionner un échangeur à tubes à ailettes ?
Mode d'emploi
description d'un échangeur de chaleur
Un échangeur de chaleur est un équipement sous pression qui permet le transfert de chaleur entre deux fluides à des températures différentes à travers une paroi. Ce transfert se fait du fluide le plus chaud vers le fluide le plus froid. L’échangeur de chaleur est plus communément appelé une batterie.
Il existe différents types d’échangeurs de chaleur comme par exemple : les échangeurs à plaques (qui sont utilisés pour les types de transferts Fluides/Fluides ou Air/Air), les échangeurs à tubes ailetés (batteries Air/Tous Fluides), les échangeurs rotatifs (Air/Air), caloducs (Air/Air), multitubulaire (Fluide/fluide)…
Dans le cas général, nous dimensionnons des échanges à contre-courant (dit méthodique) afin d’avoir un meilleur échange thermique.
Or, nous avons :
P = Kg S DTlm
Pour un Kg S identique, le DT LM est plus grand en contre-courant alors la puissance P la plus grande est celle dans le cas du contre-courant. L’échange thermique est donc plus important dans cette situation.
Avec :
DTLM = écart logarithmique de température entre l’entrée et la sortie [K]
S = surface d’échange [m²]
Kg = coefficient d’échange global [W/m².K]
Composants d’un échangeur à tubes à ailettes
Un échangeur de chaleur à tubes ailetés est utilisé dans toutes les applications du traitement d’air chaud ou froid (chauffage, climatisation, froid industriel, processus industriel, récupération de chaleur sur air ou fumées…)
Il est constitué :
- D’un cadre (Cu, Fe, Inox…), enveloppe rigide de la batterie qui détermine la section de passage d’air. Les panneaux latéraux sont percés pour laisser passer les tubes.
- D’un bloc (ou packing) aileté :
- Tubes (Cu, Alu, Inox…), ils assurent la circulation du fluide.
- Ailettes (Cu,Alu,Inox…) avec collerettes serties sur les tubes par expansion mécanique du tube.
- Collecteurs (Cu, Fe, Inox…) qui distribuent le fluide interne dans les tubes suivant un circuitage donné. Il y a un collecteur d’alimentation et un collecteur de retour du fluide.
Dimensionnement d’une batterie tubes à ailettes par le calcul théorique :
Avant d’utiliser les logiciels, nous effectuons des calculs théoriques. Cela permet d’obtenir des ordres de grandeurs des valeurs selon les cas.
Par exemple :
Batterie chaude :
Vair entre 3 à 4 [m/s]
Veau entre 0.5 et 1,5 [m/s]
Pas d’ailette= 2[mm]
Batterie froide :
Vair à 2,7 [m/s]
Veau entre 0.5 et 2 [m/s]
Pas d’ailette= 2,5 [mm]
Lorsque nous sommes consultés par un client, nous recevons un cahier des charges à respecter pour sélectionner la batterie, avec les éléments suivants :
- Puissance [kw] ou température de sortie d’air souhaitée [°C]
- Débit d’air [m 3/h]
- Température d’air à l’entrée de l’échangeur [°C] et son humidité.
- Régime de fluide (type de fluide, températures, ou débit)
L’équation régissant le transfert thermique entre l’air et le fluide est :
P = ϕair=ϕfluide= Kg x S x ΔT logarithmique (Air/Fluide)
Avec ΔT logarithmique =
Avec : ϕ = puissance [KW]
Remarque : Dans la plupart des cas on ne prend en compte que le phénomène de convection et de conduction. On suppose négligeable le phénomène de rayonnement.
