Modélisation et simulation thermo-hydrauliques en trois dimensions des échangeurs multifluides à plaques brasées

• Auteur / Autrice : Florian Picard
• Direction : Xavier Joulia, David Averous
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Résumé

Les échangeurs multifluides à plaques brasées (EPB) sont d’une technologie complexe qui permet de très fortes intégrations énergétiques, mais rend leur conception très délicate. Ces travaux ont pour objectif la modélisation et la simulation en 3D des EPB. Ils intègrent la maldistribution des fluides sur la largeur des passages qui peut dégrader fortement les performances thermiques de l’échangeur. La carte 3D des températures obtenue permettra le calcul des contraintes mécaniques. Le parcours d’un fluide est assimilé à un réseau hydraulique défini grâce à la théorie des graphes. Une méthode de maillage a été spécifiquement adaptée pour le couplage thermo-hydraulique. Ce dernier impose une résolution simultanée des équations de bilans matière, thermique et de quantité de mouvement par un système non linéaire de grande dimension et creux, avec mise en place de méthodes numériques adaptées. Enfin, des études de cas industriels sont présentées pour illustrer le simulateur 3D.

Brazed Plate-Fin Heat Exchangers (PFHE) have a complex technology which offers high-level heat transfer, but implies very fine design. The objective of this work is the modeling and the simulation of the PFHE in 3D. It takes into account the fluid maldistribution on the width of the layers, which can reduce strongly the thermal performance of the exchanger. The 3D temperatures cartography will allow mecha- nical stresses calculation. The fluid path is put in the same category as an hydraulic network defined with the graph theory. A meshing method has been specifically adapted for the thermohydraulic coupling. This coupling implies a simultaneous resolution of the equations of heat balance and the conservation equations of mass and momentum by the mean of a non linear system of large dimension and sparse, with fitted numerical methods. Finally, industrial case studies are presented to illustrate the 3D simulator.