Comparaison de différentes méthodes de quantification de maldistribution de débit dans des mini-échangeurs de chaleur

Sep 16, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11482 (2023) Citer cet article

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Le but de l'étude est de comparer différentes méthodes de quantification de la mauvaise répartition du débit, en utilisant la vitesse, le débit massique, la pression et la température. Une étude numérique validée expérimentalement a été préparée et un échangeur de chaleur à 34 canaux semi-circulaires d'un diamètre de 3,1 mm a été testé. Les minicanaux étaient chauffés par le bas avec un flux thermique de 50, 60, 70 et 80 kW/m2. Les cas pour différentes vitesses d'entrée de 0,1, 0,2, 0,3 et 0,4 m/s ont été testés. Il en résulte un total de 16 cas avec différents flux de chaleur et différentes vitesses d'entrée de l'eau. Ensuite, pour 16 cas, les coefficients de maldistribution du débit, largement utilisés dans la littérature, ont été calculés à partir des profils de vitesse, de pression et de température. L'étude montre que chaque méthode donne d'autres résultats du même paramètre qui devraient définir de la même manière la répartition du débit dans l'échangeur thermique. Par conséquent, les ambiguïtés des conclusions sur la distribution des fluides dans les échangeurs de chaleur que l’on peut trouver dans la littérature peuvent être causées par une interprétation différente du coefficient de mauvaise répartition du débit. Un coefficient de maldistribution de débit normalisé qui donne les mêmes résultats pour tous les paramètres thermohydrauliques utilisés a été proposé.

Tuckerman et Pease1 ont prouvé que la réduction du diamètre hydraulique du canal entraîne un transfert de chaleur plus intense. Depuis, de nombreux chercheurs s’intéressent aux mini ou microcanaux2,3. Cependant, comme cela est bien connu, plus le diamètre hydraulique du canal est petit, plus la vitesse est élevée (à débit massique constant) et donc plus la perte de charge est importante. Pour maintenir les pertes de charge du flux dans l'échangeur de chaleur à un niveau raisonnable, on peut diviser le débit massique total en plusieurs branches. Cela entraîne une diminution de la vitesse dans chaque trajet (tout en maintenant le débit massique total constant) et donc une réduction de la chute de pression. Cependant, de nombreux minicanaux reliés à des collecteurs d'entrée et de sortie communs posent un autre problème hydraulique, à savoir la distribution inégale4. Ce phénomène est le plus souvent appelé mauvaise répartition du débit et crée des problèmes non seulement dans les échangeurs de chaleur5 mais également dans d'autres domaines technologiques, par exemple les tours de désulfuration des gaz6 ou les piles à combustible7.

Cependant, un écoulement irrégulier peut être souhaitable et il existe des applications (par exemple en génie chimique lors de la conception d'une réaction dans un réacteur8 ou dans le refroidissement de l'électronique où un flux de chaleur hétérogène à la surface peut être rencontré9) où une distribution non uniforme est utilisée intentionnellement pour améliorer l'ensemble. performances de l'appareil. Li et al.10 ont montré que le flux dans les dissipateurs thermiques à minicanaux parallèles peut être adapté (débits massiques différents dans chaque canal) pour éliminer les points chauds de température lorsqu'un flux thermique à pics multiples non uniforme se produit. Par conséquent, la mauvaise répartition du flux (distribution « mauvaise/incorrecte/injustifiée ») ne signifie pas nécessairement une distribution non uniforme et en même temps, le flux non uniformément distribué n’est pas toujours une mauvaise répartition. Néanmoins, dans cet article, l'hypothèse est qu'une distribution favorable du fluide équivaut à une distribution uniforme de la vitesse et de la température, c'est pourquoi les termes « mauvaise répartition du débit » et « débit non uniforme » sont utilisés ici de manière interchangeable.

Ces dernières années, quelques études concernant la mauvaise répartition du flux dans les échangeurs de chaleur à mini, micro, compacts et macrocanaux ont été publiées11,12,13,14. Dario et al.11 se sont concentrés sur la distribution du flux diphasique dans des canaux parallèles où les facteurs influençant la mauvaise répartition du flux diphasique et certaines conceptions de collecteurs qui améliorent l'uniformité du flux ont été discutés. Siddiqui et Zubair12 ont discuté de la mauvaise répartition du flux du point de vue de la géométrie de l'échangeur thermique (principalement les collecteurs). Les auteurs ont montré quelques modèles analytiques qui tentaient de décrire mathématiquement la mauvaise répartition des flux. Ghani et al.13 se sont principalement concentrés sur la conception du collecteur dans le cadre de la mauvaise répartition du flux. Les auteurs ont discuté en profondeur des variétés qui peuvent être distinguées et de la manière dont des variétés particulières influencent la distribution des fluides. Singh et al.14 ont décrit la mauvaise répartition du débit dans plusieurs échangeurs de chaleur (à plaques, à plaques et à ailettes) et montrent l'effet du changement de phase et des variations de propriétés sur la répartition du débit. Les auteurs placent leurs travaux dans le contexte des capteurs solaires et d'une utilisation plus durable de l'énergie.