Parametric optimization of heat exchangers, validation by 3D printing

par Samer Wakim

Thèse de doctorat en Energétique et génie des procédés

Sous la direction de Chakib Bouallou.

Le président du jury était Marc Clausse.

Le jury était composé de Chakib Bouallou, Barbar Zeghondy, Florine Giraud, Maroun Nemer.

Les rapporteurs étaient Frédéric Plourde, Petar Saebev Varbanov, Gabriel Bauzin.

  • Titre traduit

    Optimisation paramétrique des échangeurs de chaleur, validation par impression 3D


  • Résumé

    Le progrès de la fabrication additive métallique a considérablement augmenté les possibilités d'optimisation et de conception des systèmes d'échangeurs de chaleur. Dans ce travail, nous présentons des améliorations de conception possibles et une optimisation avancée des surfaces étendues pour les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes. Une évaluation expérimentale a été réalisée sur des mini-canaux imprimées en 3D pour estimer leurs propriétés thermo-hydrauliques par rapport à celles obtenues pour une fabrication conventionnelle. Les corrélations validées sont utilisées pour la conception et l'optimisation paramétrique d'un échangeur de chaleur à ailettes ondulées. La conception optimisée pour le processus d'impression 3D a conduit à un échangeur de chaleur 50% plus léger pour le même rendement thermique et la même perte de charge. Une optimisation paramétrique avancée a alors été appliquée en modifiant l'amplitude locale de chaque onde de l’ailette le long de l'écoulement. Cela a permis de réduire le coût de fonctionnement de 15% pour la même performance thermique. Enfin une amélioration locale par enlèvement de matière a été réalisée sur un échangeur de chaleur à ailettes décalées en utilisant FLUENT. En supprimant 12% des cellules thermiquement inefficaces, la perte de charge a été réduite de 20% pour le même service thermique. Une nouvelle génération des ailettes décalée est proposée qui réduit le volume de l'échangeur de chaleur de 50% en maintenant ses mêmes performances thermo-hydrauliques globales.


  • Résumé

    The advancement in metal additive manufacturing has tremendously increased the optimization and design possibilities of heat exchangers systems. In this work, we present possible design improvements and an advanced extended surfaces optimization for plate and fins heat exchangers. An experimental assessment was conducted on 3D printed mini channels to evaluate their thermal hydraulic properties with respect to the one manufactured conventionally. The 3D printed channels shows good agreements with the correlations already found in the literature in the laminar flow regime. The validated correlations were used to conduct the design and parametrical optimization of a wavy fin heat exchanger. The heat exchanger obtained from the design process optimized for the 3D printing was 50% lighter than the one usually used by conventional manufacturing for the same heat duty and pressure drop. Furthermore, an advanced parametrical optimization was applied by changing the local amplitude of each fin wave along the flow. This permitted to reduce the operating cost by 15% for the same heat exchange rate. A local enhancement by material removal was conducted on an offset fin heat exchanger using the commercial computational fluid dynamics FLUENT. By removing 12% of thermally ineffective cells, the pressure drop was reduced by 20% for the same heat duty. A new generation of offset fins is proposed which reduced the heat exchanger volume by 50% maintaining its same overall thermal hydraulic performance.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 15-03-2026

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