Academic literature on the topic 'Échangeurs de chaleur – Simulation, Méthodes de'

Les échangeurs à plaques brasées sont des appareils complexes. Pour mieux les connaître, nous présentons dans la première partie de ce chapitre, une description technique de l'appareil ainsi que de son fonctionnement. Ces aspects sont illustrés sur les exemples qui nous servent de fil rouge, intoduits dans les deux parties suivantes. La dernière partie fait la synthèse des besoins en calcul pour ce type d'échangeur. L'état des lieux des codes de simulation existants met en évidence deux points : la nécessité de développer les modèles en trois dimensions pour pouvoir simuler les configurations complexes faisant intervenir à la fois des courants croisés et des courants parallèles ; c'est l'objet du chapitre II, et la nécessité de nouvelles méthodes numériques, qui sont développées aux chapitres III et IV. Nous illustrons les résultats obtenus sur nos exemples dans le chapitre V.

Le changement climatique et la diminution des ressources énergiques amènent à chercher des solutions nouvelles afin d’améliorer l’efficacité énergétique et réduire les émissions des gaz à effet de serre. En France, le chauffage du bâtiment constitue 22% de la consommation d’énergie finale et 7% des émissions de CO2. Le parc de bâtiments se renouvelle très lentement (de l’ordre de 1% par an). Ainsi la diminution rapide (de l’ordre de quinze ans) du niveau d’émissions de CO2 repose sur un ensemble de solutions techniques adaptées au marché de la réhabilitation. C’est dans ce cadre que s’inscrit le développement d’une pompe à chaleur (PAC) à haute efficacité énergétique. Toutefois, afin de relever ce défi, elle doit répondre aux différentes contraintes de la réhabilitation, notamment en termes de température de distribution. Techniquement, elle doit pouvoir présenter des performances élevées, aussi bien à basse température d’air extérieur (quand l’écart entre la source froide et le puits chaud est grand) qu’à des températures d’air extérieur modérées (quand l’écart entre la source froide et le puits chaud devient plus faible). Pour répondre à ces exigences techniques, une solution bi-étagée permettant un passage simple en configuration mono-étagée a été retenue. Ayant choisi cette solution, un travail de dimensionnement sur les différents composants de la machine a été réalisé avec une attention particulière portée à la sensibilité des différents paramètres de dimensionnement sur la performance énergétique globale de la pompe à chaleur. Il a été également possible en modélisant les différents composants de simuler le fonctionnement de la pompe à chaleur et de comparer les résultats de cette simulation à des résultats d’essais obtenus sur un prototype. A partir de ces résultats d’essais, un outil permettant de modéliser des maisons individuelles et leur système de chauffage a été adapté, afin d’aboutir à un calcul de COP saisonnier et d’étudier le comportement du système. Enfin, afin d’améliorer les performances saisonnières, le gain de la puissance variable à travers la variation de vitesse a été évalué grâce à un prototype et des calculs de COP saisonniers, démontrant ainsi son intérêt
Climate change and the decrease in energy resources lead to seek for new solutions in order to improve energy efficiency and reduce emissions of greenhouse gases. In France, heating of buildings constitutes 22% of final energy consumption and 7% of CO2 emissions. The renewal of the installed base of buildings is slow (in the range of 1% per year). Thus the fast decrease (in the range of fifteen years) in CO2 emissions depends on the number of technical solutions adapted to the refurbishing market. Within this context, a high-energy efficiency heat pump has been developed. However, to take up the challenge, such a heat pump has to comply with various refurbishing constraints, especially in terms of temperature distribution. Its technical performances have to be high, for low outdoor air temperature (large temperature difference between the cold source and the hot sink) as well as moderate outdoor air temperature (lower temperature difference between the cold source and the hot sink). To comply with those technical requirements, a two-stage system allowing an easy switch to single stage configuration has been selected. Then the various components of the system have been designed with a specific attention to the sensitivity of the different design parameters on the global energy efficiency of the heat pump. The modelling of the components has allowed simulating the operation of the heat pump and to compare the results to tests results obtained on a prototype. Based on these test results, a computational tool has been developed for the simulation of single houses and their heating system, leading to the calculation of the HSPF (heating seasonal performance factor), and the study of the system behaviour. In order to improve seasonal performances, the gain of variable capacity through speed variation has been evaluated using a prototype and calculations of HSPF, showing its interest

Cette thèse contribue aux avancées dans la conception, la fabrication, la modélisation, l'expérimentation et l'optimisation des distributeurs multi-échelles. La fonction de tels distributeurs est de fournir une quantité contrôlée ou un débit de fluide à une série de canaux en parallèle. L'alimentation uniforme des canaux d'un échangeur thermique multitubulaire intensifie les transferts thermiques avec la plus faible perte de charge possible. Leurs structures internes multi-échelles sont optimisées en minimisant simultanément la dissipation visqueuse et le temps de passage selon "la théorie constructale". Des prototypes constructals en polymère et en métal sont fabriqués à l'aide de la méthode de stéréolithographie. Des prototypes de distributeurs ont été assemblés avec un mini échangeur thermique à courants croisés afin d'évaluer les effets de la distribution des fluides sur ses performances thermiques et hydrauliques, par la modélisation numérique (CFD) et par des expérimentations, Nous avons étudié l'intensification des transferts thermiques réalisée par la distribution uniforme et l'équilibre thermo-hydraulique. L'intégration du collecteur constructal à la sortie de l'échangeur thermique conduit à une distribution uniforme et par conséquent intensifie les transferts thermiques. C'est également la configuration la plus avantageuse, en considérant le compromis entre l'intensification des transferts thermiques et la dissipation de la puissance de pompage. Les résultats peuvent fournir des informations et des idées originales pour la conception et I' optimisation des échangeurs et des systèmes de distribution de fluides
This thesis contributes to the advances in the conception, fabrication, modeling, experiment, and optimization of multi-scale fluid distributors. The function of such fluid distributors is to deliver a controlled amount or rate of fluid to an array of distributing ports, in order for example to feed uniformly the channels of a multi-channel heat exchanger and consequently intensify the heat transfer with the least increase of pressure drop. Their multi-scale internal channel structures are optimized by minimizing the viscous dissipation and the residence time simultaneously according to the "constructal theory". Polymer and metallic prototypes of the constructal components were fabricated using Stereolithography. Constructal distributor prototypes were assembled with a mini crossflow heat- exchanger to evaluate the effects of flow distribution on its thermal and hydraulic performances by experiments and by Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The enhancement of heat transfer realized by flow uniform distribution and the thermal- hydraulic balance are discussed. The results indicate that the integration of one constructal collector at the outlet of the heat exchanger can approach the uniform flow distribution and consequently better intensify the heat transfer. It is also the most advantageous configuration based on a balanced consideration of heat transfer intensification and pump power consumption under the investigation conditions. The results may provide some original information and thoughts to the design and optimization of heat exchangers and flow distribution/collection systems

La géothermie peu profonde est une énergie qui peut aider l'humanité à atteindre les objectifs du développement durable. Le système de pompe à chaleur géothermique est utilisé pour bénéficier de cette énergie. En tant qu'élément principal du système, la performance de l'échangeur de chaleur souterrain influence directement son efficacité énergétique. Les échangeurs de chaleur souterrains peu profonds sont normalement installés dans les sols, qui présentent une grande hétérogénéité des propriétés hydrothermales. L'objectif principal de ce projet est d'identifier le comportement des échangeurs de chaleur souterrains dans les sols. En résumé, les enquêtes suivantes ont été menées : la première consiste à introduire le transfert hydrothermique dans la modélisation numérique des échangeurs géothermiques installés sur un site en Alsace (France) ; la seconde enquête consiste à identifier les facteurs qui influencent la performance d'un échangeur de chaleur de forage peu profond installé dans les sols ; la troisième étude concerne l'analyse de sensibilité des essais de réponse thermique pour les échangeurs de chaleur de forage installés dans les sols ; la dernière étude traite l'identification de la différence de performance d'un modèle de simulation numérique avec les limites de Neumann et de Dirichlet à la surface du sol pour un échangeur horizontal de chaleur souterraine
Shallow geothermal energy is an energy that can help humanity to reach the goal of sustainable development. Ground-Coupled Heat Pump system is traditionally used to benefit this energy. As a main element of the system, ground heat exchanger performance directly influences its energy efficiency. The shallow ground heat exchangers are normally installed in soils, which show high heterogeneity of hydrothermal properties along the soil profiles. The main objective of this project is identifying how ground heat exchanger behaves in the soil. In summary, the following investigations were conducted: the first is introducing hydrothermal transfer in the numerical modeling of Borehole Heat Exchanger installed at a site in Alsace region (France); the second is identifying the factors influencing the performance of a shallow Borehole Heat Exchanger installed in soils; the third is conducting sensitive analysis of Thermal Response Tests for Borehole Heat Exchanger installed in soils; the fourth is identifying the performance difference of a numerical simulation model with Neumann and Dirichlet boundaries on the ground surface for a Horizontal Ground Heat Exchanger

Ce travail de recherche examine aux échelles globale et locale les caractéristiques thermo-hydrauliques au sein des échangeurs à plaques ondulées pour les écoulements monophasiques et en mode condensation. Il comprend deux parties :La première partie concerne l'analyse des structures d'écoulement en mode monophasique à partir d'un outil de simulations numériques, et dont les résultats sont validés à partir d'une campagne expérimentale. L'exploitation des résultats de simulations, à partir d'observables judicieusement sélectionnées, a permis de quantifier les grandes classes d'écoulement en fonction des paramètres géométriques et fluidiques de l'échangeur. Ce nouvel éclairement sur les structures d'écoulement a conduit à la proposition d'un modèle général original sur les lois de friction au sein de ces échangeurs de géométrie d'écoulement complexe.La deuxième partie concerne l'étude de la condensation de la vapeur avec et sans surchauffe en entrée de l'échangeur. Ainsi, un dispositif expérimental permettant le contrôle précis des conditions aux limites a été développé, et une métrologie spécifique, basée sur la thermographie infrarouge a également été mis au point, afin de remonter à certaines grandeurs locales le long du condenseur (titre de vapeur, coefficient d'échange thermique...). On observe ainsi une très forte variabilité des coefficients d'échanges thermiques et de la densité de flux de chaleur le long du condenseur, et la surchauffe de la vapeur tend à intensifier les transferts thermiques. Ce complément de mesures remet en question certaines hypothèses de la littérature quant à l'élaboration de corrélations sur les transferts de chaleur dans les condenseurs
This research work examines at the global and local scales the thermo-hydraulic characteristics of plate heat exchangers with corrugated chevron plates, for single-phase and condensation flows. The study is divided into two parts:The first part concerns the analysis of flow structures of single-phase flows using numerical simulations, which are validated using the results of the experimental campaign. The analysis of the simulations results, from a flow characteristic observable that has been carefully chosen, has allowed quantifying the main flow categories as a function of the heat exchanger geometric parameters and the flow characteristics. This new information on the flow structures has led to the proposal of an original generalized model of the friction law inside this type of heat exchanger with complex geometry.The second part concerns the study of condensation with and without vapor superheating at the inlet of the heat exchanger. Thus, a specific experimental setup allowing precise control of the boundary conditions has been developed. Otherwise a specific metrology, based on infrared thermography, has been set to the point in order to determine the variation of certain local quantities along the condenser (vapor mass fraction, heat transfer coefficient...). Thus, we observe a high and wide variability of the heat transfer coefficients and the heat flux density along the condenser, and the superheating of the vapor tends to increase the heat transfers. These additional measures question certain assumptions of the literature regarding the development of heat transfer correlations in plate heat condensers

La consommation d'énergie des secteurs résidentiel et tertiaire constitue 43 % de la consommation finale nationale, correspondant à 25 % des émissions nationales de CO2. Différentes options techniques existent pour limiter les émissions CO2 dans ce secteur et pour améliorer la performance énergétique des bâtiments. Une de ces options est présentée et étudiée dans cette thèse : le développement d'un système de micro-cogénération fonctionnant avec des énergies renouvelables l'une intermittente (le solaire), l'autre non (une chaudière à bois). Les systèmes de micro-cogénération conventionnels ont été analysés. Le but de la thèse est de développer un système de micro-cogénération basé sur un cycle organique et fonctionnant sur ces énergies renouvelables aux caractéristiques différentes. Plusieurs fluides de travail permettant d'atteindre des performances thermodynamiques élevées ont été comparés. Une analyse technologique a permis d'identifier les technologies les plus adaptées ou adaptables pour chacun des composants du système dépendant du fluide de travail choisi. Un banc d'essais a été conçu et réalisé pour tester et caractériser une turbine spiro-orbitale fonctionnant avec la vapeur d'eau et adaptée au système de micro-cogénération. Les composants du banc d'essais ont été dimensionnés en utilisant des outils informatiques de modélisation des cycles organiques. Un outil de simulation dynamique a été développé pour simuler le fonctionnement annuel de la micro-cogénération fonctionnant sous différentes conditions climatiques et charges thermiques. Les résultats ont démontré qu'il est possible d'économiser plus de 40 % d'énergie primaire et 60 % en émissions de CO2 par rapport à des bâtiments conformes à la réglementation thermique la plus récente (RT2005). Le coût de production de 1 kWel a été calculé selon un modèle économique ; ce prix, 50 c€/kWhel, reste élevé comparé à d'autres technologies.

Programme integrant toutes les configurations de cette categorie d'echangeurs, a partir d'une description precise de sa geometrie. Determination des limites de son fonctionnement, particulierement des deviations des flux thermiques entre les passages. Description du modele. Illustration des performances du programme par quelques exemples en regimes permanent et transitoire

L’absence d’outils dédiés, permettant aux industriels d’agir efficacement sur les phénomènes d’encrassement des échangeurs thermiques est à l’origine de cette étude. L’objet de la thèse est de construire une méthodologie pour permettre d’évaluer in situ les paramètres caractéristiques de l’effet d’encrassement, de mettre en œuvre et de valider ensuite des méthodes d’analyse de ces données pour en extraire un outil de prédiction des effets d’encrassement à partir de la connaissance d’un nombre réduit de données de fonctionnement. Cette démarche réalisée pour différents systèmes thermohydrauliques identifiés et instrumentés privilégie des processus d’encrassement dans des récupérateurs thermiques sur fumées et gaz de combustion ainsi que sur des eaux chargées. Nous concentrerons nos efforts sur les phénomènes d’encrassement d’échangeurs en environnement réel, en insistant sur le développement des méthodologies d’identification des cinétiques d’encrassement et sur les démarches de validation pour des cas concrets. Enfin, une application de programme de maintenance, par différentes stratégies de nettoyage limitant les dégradations de l’efficacité des installations étudiées, sera conduite : elle permettra d’identifier les stratégies les plus adaptées. La finalité de la démarche étant destinée à terme, pour une installation quelconque, de développer un outil expert à partir d’un nombre réduit d’informations. Celui-ci permettrait d’évaluer la cinétique d’encrassement de l’équipement thermique pour une période future et d’élaborer une pratique de maintenance dans la perspective d’une réduction des coûts énergétiques et des coûts d’intervention
The lack of dedicated tools, enabling at industrials to act effectively on the fouling phenomena in heat exchanger is the origin of this study. The purpose of the thesis is to develop a methodology in order to assess - in situ -at the characteristic parameters of the fouling effects, implement and then validate the data analysis methods to extract a fouling effects prediction tools from the knowledge of a limited number of operating data. This approach realized for different identified and instrumented thermohydraulic systems favors the fouling process in heat exchangers on charged water. We will focus on the phenomena of fouling of heat exchangers in a real environment, with emphasis on the development of methodologies to identify the fouling kinetic's and on the approach for validation of practical and concrete cases. Finally, application of a maintenance program by different cleaning strategies limiting the degradation of the efficiency of the facilities studied will be conducted: it will identify the most appropriate strategies. The purpose of the initiative, intended to run for any installation, is to develop an expert tool from reduced amount of information. This tool assesses to evaluate the kinetics of fouling of the thermal equipment for a future period and develop a maintenance practice from the perspective of reducing energy costs and costs of intervention

Le « bâtiment à énergie positive » est un concept de bâtiment très performant. Il peut constituer l'une des réponses possibles aux défis énergétiques et environnementaux d'aujourd'hui. Pourtant il est encore peu connu et peu mis en œuvre. À la lumière de quelques réalisations, ce concept a été défini et caractérisé, puis différents outils et méthodes ont été identifiés pour permettre l'analyse des performances d'un bâtiment. Compte tenu des spécificités techniques des bâtiments à énergie positive, deux solutions technologiques ont été plus particulièrement étudiées : un système de ventilation intégrant un échangeur air-sol a été modélisé puis validé à partir de données de mesure ; un système de chauffage aéraulique à micro-cogénération a été modélisé à partir de données issues d'un banc d'essai dédié. Les modèles de ces deux systèmes ont été intégrés à un outil de simulation thermique du bâtiment. L'analyse énergétique et environnementale a été appliquée à trois bâtiments réels très performants équipés de différents systèmes de chauffage, à partir de l'outil amélioré et des méthodes les plus adaptées. Le choix du système de chauffage mais aussi les critères d'évaluation retenus influencent fortement les résultats obtenus. Le bâtiment à énergie positive (bilan en énergie primaire) représente la meilleure solution pour la majorité des impacts environnementaux étudiés. L'analyse des impacts sur le cycle de vie et le calcul de la demande cumulative d'énergie permettent de caractériser finement ses performances environnementales.

Dans le cadre de la thématique consacrée à la transition énergétique, le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) travaille sur la géothermie profonde. Cette thèse se focalise sur l’étude de l’encrassement des échangeurs de chaleur de surface et plus spécifiquement sur la modélisation et la simulation de l’évolution d’un dépôt. L’encrassement conduit à des pertes d’efficacité et nécessite la mise en place de moyens de prévention ou de nettoyage, entraînant d’importants surcoûts. Le modèle général proposé décrit des réactions hétérogènes entre deux phases multi-constituantes, l’une liquide et l’autre solide. La phase liquide est une solution contenant des ions dilués dans un solvant, tandis que le solide est composé de constituants immobiles. L’électro-migration des espèces est prise en compte dans la description. L’interface entre les deux phases est le siège de multiples réactions hétérogènes. Les conditions aux limites faisant intervenir la vitesse de l’interface permettent le couplage complet entre les deux domaines. Ce modèle général est ensuite appliqué au cas particulier de l’encrassement d’un tube par formation de sels et résolu à l’aide de Comsol Multiphysics. La simulation d’un cas simplifié d’encrassement par le sulfate de baryum a permis d’analyser la phénoménologie de la croissance du dépôt et de mettre en évidence les effets des évolutions de la solubilité et de la cinétique via la chute de température dans le tube, ainsi que de la mobilité radiale des espèces par diffusion qui limite la croissance. L’électro-migration participe significativement au transport mais n’influence pas l’épaisseur du dépôt. L’hypothèse d’une réaction de cristallisation de la barytine instantanément équilibrée conduit à une forte surestimation de l’encrassement. La composition de l’eau est ensuite complexifiée afin d’étudier l’influence de la présence du chlorure de sodium à 1 mol.L-1, puis d’ions strontium et ainsi la co-précipitation de barytine et de célestine
In the framework of the theme devoted to the energy transition, the “Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés” (LaTEP) is working on deep geothermal energy. This thesis focuses on the study of the fouling phenomenon of surface heat exchangers and more specifically on the modelling and the simulation of the evolution of a deposit. Fouling leads to loss of efficiency and requires means of prevention and cleaning, leading to huge over-costs. The proposed general model describes heterogeneous reactions between two multi-component phases, one liquid and the other solid. The liquid phase is a solution containing ions diluted in a solvent, while the solid is composed of immobile constituents. Transport by electro-migration is taken into account in the description. At the interface between the two phases, multiple heterogeneous reactions occur. The boundary conditions involves the interface’s velocity and allow a complete coupling between the two domains. This general model is then applied to the particular case of fouling of a pipe by salt formation and is solved using Comsol Multiphysics. Simulation of a simplified case of fouling from barium sulfate allowed an analysis of the phenomenology of the deposit growth. It highlights the effects of changes in solubility and kinetics caused by the temperature drop in the tube, as well as the effect of radial mobility of the species by diffusion, limiting the growth. Electro-migration contributes significantly to transport but does not influence the thickness of the deposit. The hypothesis of an instantly balanced barite crystallization reaction leads to an overestimation of the fouling. In a second time, more species are added to the water’s composition in order to study the influence of the presence of sodium chloride at 1 mol.L-1. Finally, the addition of strontium ions leads to co-precipitation of barite and celestine