| Titre : | Etude numérique et expérimentale des phénomènes de convection sur des échangeurs de chaleur à ailettes indépendantes |
| Auteurs : | Issam FOURAR, Auteur ; abdelmoumène hakim Benmachiche, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algerie] : Université Mohamed Kheider, 2020 |
| Langues: | Français |
| Résumé : |
Le travail présenté dans cette thèse concerne l’amélioration des transferts thermiques
dans les échangeurs de chaleur à tubes et à ailettes circulaires opérant en convection naturelle. On étudie principalement les caractéristiques des écoulements et des transferts de chaleur associés autour des ailettes annulaires concentriques et excentriques entourant des tubes horizontaux. Nous avons effectué des simulations numériques tridimensionnelles de notre problème en utilisant Ansys Fluent. L’objectif de ces simulations est de déterminer, pour des différents matériaux, diamètres des ailettes et l'espacement des ailettes, la position du tube dans les ailettes fournissant le meilleur transfert de chaleur. Afin de concrétiser cette idée, on a réalisé un banc d’essai qui nous a permis de faire une étude comparative entre les ailettes excentriques et concentriques. Le bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux obtenus montre que l’utilisation des ailettes excentriques ou concentriques dépend beaucoup du matériau et du diamètre de l’ailette. |
| Sommaire : |
Table des Matières
Introduction générale ........................................................................ 1 Chapitre 1 : Analyse Bibliographique 1. Introduction.................................................................................................. 3 2. Echangeur de chaleur ................................................................................... 3 2.1.Diffèrent modes de circulation ............................................................... 3 2.1.1. Echangeur à courant parallèle........................................................ 3 2.1.1.1. Méthodique.......................................................................... 3 2.1.1.2. Anti-méthodique.................................................................. 4 2.1.2. Echangeur à courant croisé ............................................................ 4 2.1.2.1. Méthodique.......................................................................... 4 2.1.2.2. Anti-méthodique.................................................................. 4 2.2.Diffèrent types des échangeurs............................................................... 5 2.2.1. Echange sans changement de phase............................................... 5 2.2.2. Echange avec changement de phase .............................................. 5 2.3.Classification des échangeurs ................................................................. 5 2.3.1. Suivante le processus de transfert .................................................. 6 2.3.2. Suivante le type de transmission de chaleur................................... 6 2.3.3. Suivante le circuit des fluides ........................................................ 6 2.3.4. Suivante la compacité de la surface d’échange .............................. 7 2.3.5. Suivante le type de construction .................................................... 7 2.4.Les échangeurs de chaleur les plus courants ........................................... 7 2.4.1. Echangeur à tubes et calandre........................................................ 7 2.4.2. Echangeur tubulaire....................................................................... 8 2.4.3. Echangeur à plaques et jointes ....................................................... 8 2.4.4. Echangeur spiral ............................................................................ 9 2.4.5. Echangeur a lamellaires ................................................................. 9 ii 2.4.6. Dissipateur de chaleur ................................................................. 10 2.4.7. Echangeur tubes à ailettes............................................................ 10 2.4.7.1. Ailette plain (Batterie à ailettes) ........................................ 10 2.4.7.2. Ailette annulaire ................................................................ 11 3. Recherche bibliographique......................................................................... 12 3.1.Etudes basées sur l’approche analytique et numérique ......................... 12 3.2.Etudes basées sur l’utilisation des logiciels de simulation ................... 12 3.3.Etudes basées sur l’expérimentale ....................................................... 13 4. Etude sur les échangeurs de chaleur ........................................................... 14 5. Les échangeurs de chaleur tubes à ailettes .................................................. 24 5.1.Ailettes................................................................................................. 26 5.2.Tube..................................................................................................... 39 6. Echangeur de chaleur tube à ailettes annulaire excentrique ........................ 49 7. Conclusion ................................................................................................. 50 8. Objectifs de cette thèse............................................................................... 50 Chapitre 2 : Formulation mathématique 1. Introduction................................................................................................ 52 2. Convection naturelle .................................................................................. 52 3. Hypothèse Boussinesq................................................................................ 53 4. Equations gouvernantes.............................................................................. 53 4.1.Equation de continuité ......................................................................... 53 4.2.Equation de quantité de mouvement..................................................... 54 4.3.Equation de l’énergie ........................................................................... 54 5. Paramètre nécessaire .................................................................................. 54 5.1.Nombre de Prandtl ............................................................................... 54 5.2.Le nombre de Grashof.......................................................................... 54 5.3.Nombre de Peclet ................................................................................. 55 iii 5.4.Nombre de Rayleigh ............................................................................ 55 5.5.Nombre de Reynolds............................................................................ 55 5.6.Nombre de Nusselt ............................................................................... 56 5.6.1. Forme générale ........................................................................... 56 5.6.2. Corrélation .................................................................................. 56 5.6.2.1. Plaque plan verticale.......................................................... 57 5.6.2.2. Au-dessus d’une plaque chaude horizontal ........................ 57 5.6.2.3. En dessus d’une plaque chaude horizontal ......................... 58 5.6.2.4. Au-dessus d’un cylindre horizontal chaude........................ 58 5.6.2.5. Autour un cylindre vertical ................................................ 58 5.6.3. Corrélation pour les échangeurs de chaleur tube à ailettes ........... 58 • Tsubouchi and Masuda.......................................................................... 58 • Chen...................................................................................................... 59 • Churchill and chu .................................................................................. 59 6. Analyse thermique .................................................................................... 59 6.1.Méthodes de conception d'échangeur de chaleur .................................. 61 6.1.1. La méthode DTML ..................................................................... 61 6.1.2. Méthode Efficacité-NUT............................................................. 62 6.2.Coefficient d’échange par convection .................................................. 62 7. Conclusion ................................................................................................. 63 Chapitre 3 : Etude numérique CFD 1. Introduction................................................................................................ 65 2. Modèle numérique ..................................................................................... 65 2.1.Création de la géométrie ...................................................................... 66 2.2.Maillage ............................................................................................... 66 2.3.Mise en données et simulation.............................................................. 67 2.4.Résultats CFD...................................................................................... 67 iv 3. Méthode des volumes finis ......................................................................... 67 4. Régime d’écoulement................................................................................. 68 4.1.Ecoulement non visqueux .................................................................... 68 4.2.Régime laminaire ................................................................................. 69 4.3.Régime turbulent.................................................................................. 69 4.3.1. Model k–ε.................................................................................... 69 4.3.1.1. Standard............................................................................. 69 4.3.1.2. RNG k–ε............................................................................ 70 4.3.1.3. Réalisable .......................................................................... 70 4.3.2. Model k–ω................................................................................... 70 4.3.2.1. Standard............................................................................. 70 4.3.2.2. SST.................................................................................... 71 4.3.3. Reynolds Stress ........................................................................... 71 5. Résolution de problème.............................................................................. 71 5.1.Description de problème ...................................................................... 71 5.2.CAD et domaine d’étude ...................................................................... 72 5.3.Maillage ............................................................................................... 73 5.3.1. Type de maillage ......................................................................... 73 5.3.2. Vérification de maillage .............................................................. 74 5.4.Condition aux limites ........................................................................... 75 5.5.Erreur de calcul et incertitude............................................................... 75 6. Vérification des résultats numériques ......................................................... 75 7. Résultats numériques ................................................................................. 77 7.1.Effet des paramètres géométrique sur le transfert de chaleur ............... 77 7.1.1. Effet de diamètre de l’ailette........................................................ 77 7.1.2. Effet de l’espacement des ailettes ................................................ 79 7.1.3. Effet de l’épaisseur ..................................................................... 80 7.2.Effet de l’excentricité ........................................................................... 82 7.2.1. Effet de l’excentricité en fonction de l’espacement...................... 82 v 7.2.2. Effet de l’excentricité en fonction de diamètre............................. 82 7.2.3. Effet de l’excentricité en fonction de l’épaisseur ......................... 85 7.3.Effet du nombre de Rayleigh................................................................ 85 8. Conclusion ................................................................................................. 87 Chapitre 4 : Etude expérimental 1. Introduction ............................................................................................... 88 2. Etapes de la réalisation du dispositif expérimental ..................................... 88 2.1.Composantes du dispositif.................................................................... 88 2.1.1. Tubes à ailettes ............................................................................ 88 2.1.2. Afficheur de température ............................................................. 89 2.1.3. Sondes thermique ....................................................................... 90 2.1.4. Soupape de sécurité ..................................................................... 90 2.1.5. Cumulus ..................................................................................... 91 2.1.6. Pompe électrique ........................................................................ 91 2.1.7. Tuilières ..................................................................................... 92 2.2.Réalisation des tubes à ailettes ............................................................. 93 3. Fonctionnement de l’installation ............................................................... 95 4. Conditions d’essais..................................................................................... 97 5. Mesure de température .............................................................................. 97 6. Mesure et réglage de débit ......................................................................... 98 7. Résultats expérimentaux .......................................................................... 100 7.1.Coefficient d’excentricité négative .................................................... 100 7.2.Coefficient d’excentricité positive ..................................................... 102 8. Conclusion .............................................................................................. 104 Conclusion générale ...................................................................... 105 Références bibliographiques ........................................................ 107 Liste des figures................................................................................................................ viii Liste des tableaux .............................................................................................................. xii Nomenclature.................................................................................................................... xiii |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
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