Dynamique des fluides numériques dans la conception et l’analyse des échangeurs de chaleur
Récemment, nous avons été contactés par un client qui avait installé plusieurs condenseurs qui posaient des problèmes de performance. Les condenseurs ne fonctionnaient tout simplement pas à leur capacité. Le client craignait que le problème ne réside pas dans la conception du condenseur, mais dans le collecteur d’entrée du produit. Il soupçonnait que le flux de produit dans l’échangeur de chaleur n’était pas réparti uniformément sur tous les tubes de l’échangeur de chaleur. Il est bien connu qu’une mauvaise répartition du produit ou du flux sur les tubes intérieurs peut entraîner des problèmes de performance.
HRS a proposé d’analyser la situation à l’aide d’une technique appelée dynamique des fluides numérique (CFD). Dans l’analyse CFD, des mesures numériques et des algorithmes sont utilisés pour étudier l’écoulement des fluides à travers des objets. L’objet et le fluide sont divisés en éléments finis ou cellules, chacun ayant des dimensions finies. Pour chaque cellule, la masse, la quantité de mouvement et l’énergie sont calculées et le résultat du calcul pour une cellule est utilisé pour le calcul de la cellule suivante. Plus les dimensions des cellules sont petites, plus le nombre de calculs effectués est important et plus le résultat est précis. En résumé, la CFD nous permet d’effectuer des expériences numériques dans un laboratoire d’écoulement virtuel sur un ordinateur. Vous trouverez de plus amples informations sur la CFD ici.
Approche du problème
Tout d’abord, l’échangeur de chaleur et son collecteur d’entrée ont été redessinés à l’aide d’un logiciel de CAO en 3D. Le fluide de traitement a été analysé pour obtenir ses propriétés physiques et, en utilisant un logiciel de simulation d’écoulement avec le logiciel de CAO, le comportement du fluide dans l’échangeur de chaleur a été calculé. L’image ci-dessus donne une représentation de l’écoulement du fluide. Des couleurs différentes indiquent des vitesses différentes, ce qui montre clairement un ensemble de vitesses du fluide dans le parcours de l’échangeur. La représentation graphique de la vitesse à l’entrée de chaque tube intérieur donne l’image suivante :
La palette de couleurs indique des vitesses qui varient de 12 m/s (dans les tubes du centre) à 1,5 m/s (dans les tubes de l’anneau extérieur). Cela a montré que les soupçons du client concernant l’entrée étaient corrects et qu’ils étaient à l’origine des problèmes de performance.
Une meilleure solution au problème
La question qui vient ensuite est la suivante : Que peut-on faire pour améliorer le flux du produit dans l’échangeur de chaleur ? Comment pouvons-nous créer une distribution uniforme du produit dans tous les tubes de l’échangeur de chaleur ? Une option consisterait à allonger la longueur du collecteur d’entrée afin que le produit ait plus de temps pour se répartir. Le défi consistait toutefois à trouver une solution dans le cadre de l’installation existante. Une nouvelle analyse CFD a donc été réalisée sur le même collecteur d’entrée, mais cette fois avec des réducteurs concentriques installés dans le circuit d’écoulement. L’objectif était de vérifier si la conception du réducteur permettrait de dévier le fluide vers l’anneau extérieur des tubes et d’améliorer la distribution du flux.
Une fois encore, les vitesses à l’entrée de chaque chambre à air ont été représentées. Le schéma des couleurs montre une amélioration, avec des vitesses allant de 1,5 à 6 m/s environ. Toutefois, cette situation n’est pas encore idéale, certains tubes ne recevant pas un débit suffisant.
Sur la base de cette première analyse et de ce premier remaniement, d’autres modifications peuvent être apportées à la conception jusqu’à l’obtention d’une conception finale. Cette étude de cas montre que la CFD est un outil très puissant pour vérifier les hypothèses sur le comportement des fluides. Elle permet également à l’ingénieur concepteur d’analyser des prototypes à l’intérieur d’un laboratoire virtuel avant de dépenser de l’argent pour les prototypes et la fabrication. Comme vous pouvez le constater, l’utilisation des dernières technologies de dynamique des fluides numérique (CFD) permet de réaliser des économies de temps et d’argent que nous pouvons répercuter sur nos clients.