Comparaison des écoulements laminaires et turbulents

Régimes d’écoulement du transfert de chaleur

L’un des facteurs importants contrôlant le transfert de chaleur est la résistance au flux de chaleur à travers les différentes « couches » qui forment la barrière entre les deux fluides.

La force motrice du transfert de chaleur est la différence de température entre les fluides chauds et froids. Plus la différence est grande, plus la vitesse à laquelle la chaleur circule entre eux est élevée, et le concepteur doit optimiser les niveaux de température à chaque étape pour maximiser le taux total de flux de chaleur.

La résistance au flux de chaleur est formée de 5 couches comme suit :

1. La « couche limite » intérieure formée par le fluide circulant en contact étroit avec la surface intérieure du tube.
2. La couche d’encrassement formée par le dépôt de solides ou de semi-solides sur la surface intérieure du tube (qui peut être présente ou non).
3. L’épaisseur de la paroi du tube et le matériau utilisé déterminent la résistance au flux de chaleur dans le tube lui-même.
4. La couche d’encrassement formée par le dépôt de solides ou de semi-solides sur la surface extérieure du tube (qui peut être présente ou non).
5. La « couche limite » extérieure formée par le fluide circulant en contact étroit avec la surface extérieure du tube.

Les valeurs à utiliser pour [2] et [4] sont généralement spécifiées par le client sur la base de son expérience, tandis que le concepteur choisira la taille, l’épaisseur et les matériaux du tube en fonction de l’application.

La résistance au flux de chaleur résultant de [1] et [5], (appelée coefficient de transfert de chaleur partiel) dépend fortement de la nature des fluides mais aussi, de manière cruciale, de la géométrie des surfaces de transfert de chaleur avec lesquelles ils sont en contact. Il est important de noter que les valeurs finales sont fortement influencées par ce qui se passe au niveau des couches limites, le fluide réellement en contact avec la surface de transfert de chaleur.

Les couches limites

Lorsqu’un fluide visqueux s’écoule à faible vitesse au contact d’un tube, il le fait d’une manière qui ne produit aucun mélange de fluides : la couche limite, le fluide en contact avec le tube, voit sa vitesse légèrement réduite par la traînée visqueuse et la chaleur s’écoule à travers le fluide hors (ou dans) la paroi du tube par conduction et/ou convection.

À mesure que la vitesse du fluide augmente, elle finit par atteindre un niveau qui entraîne la formation de tourbillons de turbulence où la couche limite se détache de la paroi et se mélange à la masse du fluide plus éloignée de la paroi du tube.

La vitesse à laquelle cela se produit est influencée par de nombreux facteurs, la viscosité du fluide, la rugosité de la paroi du tube, la forme du tube, la taille du tube, etc. Afin de quantifier la turbulence (ou l’absence de turbulence) en termes pratiques, les ingénieurs en transfert de chaleur utilisent un nombre sans dimension appelé le nombre de Reynolds, qui se calcule comme suit :

Où ?

• D = le diamètre hydraulique du tube (m)
• G = la vitesse de la masse (kg/m².s)
• µ = la viscosité du fluide (kg/m.s)

Écoulement laminaire

L’expérimentation a montré que les nombres de Reynolds inférieurs à 2000 décrivent la condition dans laquelle il n’y a pas de rupture avec la paroi du tube, ce qui est appelé écoulement laminaire. Les propriétés physiques du fluide sont les facteurs déterminants du transfert de chaleur dans cette zone qui est inefficace en termes de transfert de chaleur.

 

La ligne bleue du graphique correspond à un tube lisse, tandis que la ligne rouge correspond à un tube ondulé. Comme on peut le voir, que les tubes soient ondulés ou non, lorsqu’ils fonctionnent dans un régime d’écoulement laminaire, les tubes ondulés n’ont aucun effet positif jusqu’à ce que le nombre de Reynolds soit supérieur à 2 000.

 

Zone de transition

Aux valeurs du nombre de Reynolds comprises entre 2 000 et 10 000, il existe une zone d’incertitude appelée zone de transition, dans laquelle des turbulences peuvent ou non être générées en fonction d’autres facteurs imprévisibles. Comme il s’agit d’une zone d’incertitude, les ingénieurs en transfert de chaleur essaient d’éviter que les fluides circulent dans cette zone.

 

Comme on peut le voir dans ce cas, lorsque les tubes sont ondulés, ils apportent une amélioration significative lorsque le nombre de Reynolds est supérieur à 2 000, mais reste inférieur au niveau de 10 000 requis pour un écoulement turbulent avec un tube lisse.

 

Écoulement turbulent

Lorsque le nombre de Reynolds est supérieur à 10 000, la rupture avec la paroi du tube est importante et l’on parle alors d’écoulement turbulent avec un mélange important de la couche limite et du fluide en vrac. C’est la zone la plus efficace pour les échangeurs de chaleur.

 

Ce graphique montre que l’ondulation dans les régimes d’écoulement turbulents a un effet d’amélioration significatif pour des nombres de Reynolds supérieurs à 10 000 par rapport aux tubes lisses équivalents.

De nombreuses techniques ont été essayées pour réduire le nombre de Reynolds auquel un écoulement turbulent est produit, mais la plupart ont l’inconvénient d’augmenter la résistance à l’écoulement du fluide : la perte de pression, à un taux qui augmente plus rapidement que la diminution de la résistance de la couche limite. Certains ne peuvent être utilisés en présence de solides, d’autres si le fluide est très visqueux.

Une technique utile qui ne présente pas les inconvénients des autres consiste à déformer le tube par une indentation continue en spirale peu profonde ou par une indentation ponctuelle intermittente. Des recherches ont montré qu’en choisissant soigneusement la profondeur, l’angle et la largeur de l’indentation, le nombre de Reynolds auquel un écoulement turbulent est produit peut être réduit de manière significative en dessous de 10 000.

Lorsque le nombre de Reynolds est supérieur à 10 000, cette forme de déformation augmente également de manière significative la quantité de turbulences et donc le taux de transfert de chaleur qui, lorsqu’il est correctement équilibré avec les autres facteurs, peut réduire la surface requise et donc le coût de l’échangeur de chaleur.

C’est pourquoi nous fabriquons des échangeurs de chaleur à tubes ondulés.

 

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