Pulvérisation cinétique
La Russie a proposé une technique avancée de -pulvérisation cinétique-pour améliorer les performances des surfaces à ailettes. L'essence de cette méthode réside dans l'utilisation d'un flux à haute vitesse-de fluide chargé de particules froides ou légèrement chauffées-pour déposer des particules de poudre sur la surface des ailettes. Cette technique permet de déposer non seulement des métaux mais également des alliages et des céramiques (ou cermets), donnant ainsi des surfaces aux propriétés variées. En pratique, la résistance de contact à la base de l'ailette est souvent l'un des facteurs limitants lors de la fixation des ailettes sur les tubes de l'échangeur thermique. Pour évaluer les performances des composants de l'échangeur de chaleur à tubes à ailettes-, une étude expérimentale a été menée. Les expériences impliquaient la pulvérisation cinétique d'un revêtement à base d'Al- sur les surfaces des ailettes, avec l'ajout d'alumine fondue blanche 24A. En traitant et en analysant les données expérimentales résultantes, la résistance de contact à la base des ailettes a pu être évaluée. Une comparaison de l'efficacité mesurée des ailettes avec les valeurs théoriques calculées a conduit à la conclusion que la résistance de contact à la base des ailettes pulvérisées cinétiquement n'a pas d'impact substantiel sur l'efficacité globale. Pour valider ce constat, une analyse métallographique a été réalisée sur la zone de transition entre le substrat (le tube) et le revêtement (l'ailette). L'analyse des échantillons prélevés dans cette zone de transition a révélé une absence de micro-fissures ou discontinuités sur toute la longueur de l'interface de collage. Par conséquent, la méthode de pulvérisation cinétique facilite la formation d'une interface ramifiée caractérisée par une forte interaction surface -substrat ; il favorise la pénétration des particules de poudre dans le substrat, expliquant ainsi la forte force d'adhésion observée, l'établissement du contact physique et la formation de liaisons métalliques. Ainsi, la méthode de pulvérisation cinétique peut être utilisée non seulement pour la fabrication directe d'ailettes, mais également pour fixer les ailettes-fabriquées via des méthodes conventionnelles-aux surfaces des tubes d'échangeur de chaleur, ainsi que pour renforcer les bases des ailettes standard. Il est prévu que la méthode de pulvérisation cinétique trouvera une application généralisée dans la production d'échangeurs de chaleur compacts et à haut rendement.
Chicanes hélicoïdales
Dans les échangeurs de chaleur à calandre-et-à tubes, le flux côté calandre-représente souvent un goulot d'étranglement critique en termes de performances. En règle générale, les déflecteurs segmentaires conventionnels créent un chemin d'écoulement tortueux (un motif en « zigzag »), ce qui conduit à la formation de zones mortes importantes et à des niveaux relativement élevés de rétro-mélange-. Ces zones mortes, à leur tour, exacerbent l'encrassement du côté de la coque, affectant ainsi négativement l'efficacité du transfert de chaleur. De plus, le rétro-mélange- peut fausser et diminuer la différence de température moyenne effective. En conséquence, par rapport à un régime d'écoulement idéal -, l'utilisation de chicanes segmentaires entraîne une réduction des performances nettes de transfert de chaleur. Les échangeurs de chaleur à calandre-et-à tubes conventionnels utilisant des chicanes segmentaires ont souvent du mal à répondre aux exigences d'efficacité thermique élevée ; par conséquent, ils sont fréquemment supplantés par d’autres types d’échangeurs de chaleur (tels que les échangeurs de chaleur à plaques compacts). L'amélioration de la géométrie des déflecteurs standard représente la première étape dans l'optimisation des performances côté coque. Bien que des mesures telles que l'introduction de bandes d'étanchéité, l'ajout de déflecteurs de déflexion et d'autres modifications aient été mises en œuvre pour améliorer les performances des échangeurs de chaleur, les inconvénients fondamentaux inhérents aux conceptions de déflecteurs standards persistent. En réponse à ce défi, une solution inédite a été proposée aux États-Unis : l'adoption de chicanes hélicoïdales. La supériorité technique de cette conception a été étayée par des études de dynamique des fluides et des résultats expérimentaux sur le transfert de chaleur, et la conception a ensuite été protégée par un brevet. Cette configuration structurelle surmonte efficacement les limitations majeures associées aux déflecteurs conventionnels. Le principe de conception des déflecteurs hélicoïdaux est simple : des plaques spécialement fabriquées avec une section circulaire-sont installées dans un "système de déflecteurs quasi-hélicoïdaux". Chaque déflecteur occupe un-quart de la surface en coupe transversale-du côté de la coque de l'échangeur de chaleur et est incliné vers l'axe central de l'échangeur de chaleur-c'est-à-dire qu'il maintient une inclinaison spécifique par rapport à l'axe. Les chicanes adjacentes se rejoignent à leur périphérie, formant un motif hélicoïdal continu le long de la circonférence extérieure. En chevauchant axialement les déflecteurs-une technique qui sert également à réduire la portée non supportée des tubes-une configuration de conception « double -hélicoïdale » peut être obtenue. La structure du déflecteur hélicoïdal est capable de s'adapter à un spectre relativement large de conditions de traitement. Cette conception offre une flexibilité significative, permettant la sélection d'un angle hélicoïdal optimal adapté aux conditions de fonctionnement spécifiques ; de plus, en fonction de l'application particulière, on peut choisir entre une configuration de déflecteurs superposés ou une structure de déflecteurs à double hélice -.
Tubes torsadés
Il s'agit d'un type d'échangeur de chaleur à tube plat-, communément appelé "échangeur de chaleur à tube torsadé-". Le processus de fabrication de ces tubes plats hélicoïdaux comporte deux étapes distinctes : « l'aplatissement » et la « torsion à chaud ». L'échangeur de chaleur à tubes torsadés amélioré-conserve la simplicité structurelle des échangeurs à calandre-et-à tubes traditionnels tout en offrant une multitude d'avancées convaincantes. Il offre les avantages techniques et économiques suivants : efficacité améliorée du transfert de chaleur, potentiel d'encrassement réduit, véritable flux à contre-courant-, coûts de fabrication réduits, fonctionnement sans vibrations-, gain de place et élimination des composants de déflecteur internes. Grâce à la géométrie unique des tubes, les fluides côté tube-et côté coque-sont simultanément induits dans un modèle d'écoulement hélicoïdal, favorisant ainsi considérablement la turbulence du fluide. Par conséquent, le coefficient de transfert thermique global de cet échangeur est environ 40 % supérieur à celui des échangeurs thermiques classiques, tandis que la perte de charge associée reste quasiment équivalente. Lors de l'assemblage de l'échangeur de chaleur, une configuration hybride utilisant à la fois des tubes plats en spirale et des tubes lisses peut être utilisée. Cet échangeur de chaleur est fabriqué dans le strict respect des normes ASME. Il constitue un remplacement viable pour les échangeurs de chaleur à calandre-et-à tubes conventionnels et les appareils de transfert de chaleur traditionnels dans pratiquement toutes les applications où de tels équipements sont actuellement utilisés. Il est capable d'atteindre des mesures de performances-en particulier, des coefficients de transfert de chaleur optimaux-qui sont égaux ou supérieurs aux meilleures valeurs pouvant être atteintes par les échangeurs à calandre-et-à tubes et les équipements de transfert de chaleur à plaques-et-cadres standards. Par conséquent, il devrait offrir des perspectives d’application larges et prometteuses au sein des industries chimiques et pétrochimiques.
Spirale-Type de tube
Les échangeurs de chaleur à tubes en spirale (désignés "TA") comportent généralement des fils métalliques enroulés autour des tubes pour servir de nervures (ailettes). Traditionnellement, ces fils métalliques sont apposés sur les tubes grâce à des techniques de soudage. Cependant, cette méthode introduit une série d'effets négatifs sur la qualité globale et les performances de l'équipement, car le processus de brasage « déduit » inévitablement-ou rend inefficace-une partie importante de la surface des tubes et des fils, réduisant ainsi la surface d'échange thermique effective. Plus grave encore, le vieillissement rapide et la fragmentation ultérieure du matériau de soudure peuvent entraîner des blocages au sein des machines et des équipements, entraînant une défaillance prématurée et la nécessité d'un remplacement précoce.
Pressurisation à vitesse variable-sonique-
L'échangeur de chaleur à pressurisation à vitesse sonique variable--également connu sous le nom d'échangeur de chaleur à jet d'écoulement biphasé--est largement applicable dans divers domaines impliquant l'échange thermique de vapeur-à-eau. Utilisant la vapeur comme force motrice, l'appareil obtient une augmentation instantanée de la température de l'eau grâce à un processus de mélange compressif vapeur-eau. En tirant parti de la technologie des ondes de choc de pression, il atteint un effet de pressurisation sans avoir recours à une énergie mécanique externe. Ses remarquables capacités d'économie d'énergie-et d'augmentation de la pression-réduisent considérablement les coûts opérationnels pour les utilisateurs, ce qui en fait un substitut idéal aux échangeurs de chaleur traditionnels. L'échangeur de chaleur à pressurisation à vitesse variable-sonique-fonctionne comme un dispositif d'échange de chaleur de type hybride-vapeur-à-eau. La vapeur subit une expansion adiabatique et est introduite sous la forme d'un jet à grande vitesse-dans une chambre de mélange, où elle se mélange uniformément-entraînée par la force du jet de vapeur-avec l'eau chauffée (qui a subi un traitement filmogène préalable-). Ce processus génère un mélange compressif vapeur-eau caractérisé par un rapport volumique spécifique calculé. Lorsque la densité de compression instantanée de ce mélange atteint un seuil critique, un phénomène distinct de champ fluide biphasique s'établit. Sous la dynamique intensifiée de ce champ fluide, la vitesse sonique du mélange subit un changement transitoire, franchissant le seuil de la « barrière sonique » ; simultanément, une multitude d’ondes de choc de pression sont générées. La caractéristique de propagation unidirectionnelle de ces ondes de choc de pression garantit que l'eau chauffée-ayant instantanément atteint sa température de conception-connaît une augmentation de pression dans la tuyauterie à section transversale constante--sans présenter de reflux. Essentiellement, la technologie d'échange thermique à pressurisation à vitesse variable-sonique-obtient un double effet-simultané "un échange thermique instantané plus une-alimentation externe-pressurisation libre"-en orchestrant l'intensification contrôlée de la dynamique du champ fluide à deux phases.