Le fluide froid est l'air ambiant.
Les aéroréfrigérants sont destinés à refroidir des fluides lorsqu'aucune autre
utilisation de la chaleur n'est possible. Comparé à un refroidissement
par eau, ils ne nécessitent que peu d'infrastructure (seule une
alimentation électrique est nécessaire), ne consomment aucune ressource
en eau, n'ont besoin d'aucun traitement chimique, ne génèrent aucun rejet.
C'est une bonne solution pour les sites isolés.
La température du
fluide à refroidir peut être très élevée, il n'y a pas de risque
d'entartrage.
Le fluide à refroidir chemine à l'intérieur de tubes, tandis que l'air
de refroidissement circule autour des tubes. généralement munis
d'ailettes à l'extérieur. Les ailettes sont destinées à augmenter la
surface d'échange avec l'air afin de compenser un coefficient
d'échange généralement médiocre.
L'air, mis
en mouvement par un ventilateur, s'écoule perpendiculairement aux tubes.
Les tubes sont disposés en plusieurs nappes dont le nombre est limité
par la perte de charge qu'est capable de vaincre le ventilateur.
Les tubes arrangés en
grandes longueurs droites peuvent être couverts par plusieurs
ventilateurs (généralement deux). Ils forment une
"baie".
Les tubes sont groupés en
"faisceaux".
Un ou plusieurs faisceaux peuvent être présents dans une baie.
Arrangement
des éléments
Position du faisceau et du ventilateur
Différentes conceptions sont possibles:
à tirage induit
Le ventilateur est
disposé au dessus du
faisceau de tubes ailettés.
La hotte protège le faisceau de tubes des intempéties et du rayonnement
du soleil.
Recommandé lorsqu'un brusque changement des conditions de
refroidissement (en cas d'orage par exemple) est néfaste pour le
fonctionnement du procédé.
à tirage forcé
Le ventilateur est
disposé sous le faisceau de tubes ailettés.
Le ventilateur agissant sur un air froid, à débit identique la
consommation d'énergie sera moindre.
Le système d'entrainement est plus simple puisqu'aucun axe ne traverse
le faisceau de tubes.
L'air est pricipalement distribué en face du ventilateur; une
recirculation d'air chaud est possible depuis la sortie de
l'échangeur sur les cotés de la hotte, affectant l'efficacité de
l'équipement.
à tubes inclinés
permet une surface
frontale plus
importante
Les tubes
ailettés
Le transfert thermique entre l'air et les tubes est médiocre, beaucoup
plus faible que le transfert entre un liquide, ou une vapeur se
condensant et le tube. Le transfert coté air limite donc la performance
du refroidisseur.
Pour l'améliorer, on augmente la surface d'échange coté externe du
tube. Pour cela on ajoute des ailettes. Ces ailettes devront conduire
la chaleur venant du tube vers leur surface et jusqu'à leur extrémité.
Elles
devront adhérer parfaitement au tube et être faites d'un matériau très
conducteur. Le cuivre et l'aluminium sont les deux matériaux candidats
pour cette tâche. L'aluminium est très souvent retenu pour son coût
moindre. L'acier est réservé aux applications à haute température.
De plus, les ailettes doivent être:
- le plus nombreuses possibles, mais suffisament espacées
pour permettre la circulation de l'air
- être le plus fines possibles, mais résistantes pour ne pas
être déformées lors des nettoyages et manipulations diverses
- offrir la plus grande surface possible, mais être compactes
pour limiter le volume de l'échangeur
Les différents types d'ailettes
Ailettes de type "L"
 |
Le matériau de la bande d’ailette est soumis à une
déformation
contrôlée sous tension. Cela permet d’avoir une pression de contact
optimale au pied de l'ailette plaqué sur le tube de base, optimisant
ainsi les propriétés de transfert de chaleur.
Le pied de l’ailette améliore considérablement la protection
anticorrosion du tube de base.
Matériau: Cuivre,
Aluminium
Température max:
150°C
Résistance:
- à la corrosion: moyenne
- mécanique: faible
|
Ailettes de type
"LL"
 |
Il est fabriqué de la même façon que le tube à ailettes type «L»,
mais ici les pieds des ailettes se chevauchent, enfermant complètement
le tube de base. Cela permet une meilleure résistance à la corrosion.
Ce type de tube est souvent utilisé pour remplacer les tubes à ailettes
extrudées, bien plus onéreux, dans les environnements corrosifs.
Matériau: Cuivre,
Aluminium
Température max:
180°C
Résistance:
- à la corrosion: moyenne
- mécanique: faible
|
Ailettes de type
"KL"
 |
La technique de fabrication est similaire à celle du tube à ailettes
type «L», sauf que le tube de base est moleté avant la fixation du
pied de l’ailette. Après la fixation, le pied de l’ailette est moleté
et ses stries sont alignées sur celles du tube de base, ce qui améliore
le contact entre l’ailette et le tube, offrant ainsi un
meilleur transfert de chaleur.
Matériau: Cuivre,
Aluminium
Température max: 260°C
Résistance:
- à la corrosion: moyenne
- mécanique: moyenne
|
Ailettes de type "G"
 |
La bande d’ailette est enroulée dans une rainure usinée et solidement
maintenue en place par « remplissage » avec le matériau du tube de
base. Cela permet d’assurer qu’un transfert de chaleur maximal est
conservé à des températures élevées du tube.
L'épaisseur du tube doit être augmentée pour permettre d'usiner la
rainure.
Matériau: Cuivre, Aluminium, Acier
Température max:400°C
Résistance:
- à la corrosion: faible
- mécanique: moyenne
|
Ailettes "extrudées"
 |
Ce type d’ailette est formé à partir d’un tube
bimétallique constitué
d’un tube externe en aluminium et d’un tube interne qui peut être dans
presque tous les matériaux. L’ailette est obtenue en roulant le
matériau à partir de l’extérieur du tube externe, ce qui donne une
ailette intégrale possédant d’excellentes propriétés de transfert de
chaleur et une bonne longévité. L’ailette extrudée offre une excellente
protection anticorrosion du tube de base.
Matériau: Aluminium
Température max:400°C
Résistance:
- à la corrosion: élevée
- mécanique: élevée
|
Autres
caractéristiques des ailettes
Densité
C'est le nombre d'ailettes par unité de longueur de tube.
Elle est de l'ordre de 6 à 12 ailettes par pouce (235 à 470 / mètre)
Hauteur des ailettes
C'est la distance entre la surface du tube support etle sommet des
ailettes.
Elle varie de 3/8 à 5/8 de pouce (9,5 à 16 mm)
Cela conduit à un tube ailetté de diamètre allant de 1,5 à 3 pouces (38
à 76 mm).
Epaisseur des ailettes
Elle varie de 0,3 à 0,5 mm
Rapport de surface d'échange
diamètre
du tube
support |
densité d'ailettes |
| 6 / pouce |
12 / pouce |
| 16 mm |
7 à 15 |
14 à 30 |
| 50 mm |
5 à 10 |
10 à 20 |
Performances
de l'échangeur
Perte
de charge coté air
Perte
de charge coté air d'un
faisceau de tubes ailettés
Comme tout
échangeur, l'échange thermique dépend du débit de fluide froid, qui est
ici l'air entrainé par le ventilateur. La capacité du ventilateur
et la puissance nécessaire pour son entrainement dépendent fortement de
la perte de charge qu'il doit vaincre au travers du
faisceau de tubes. Cette perte de charge est fonction de la vitesse de
l'air, mais aussi:
- du nombre de rangs de tubes
- de l'espacement des tubes
- de la densité des ailettes
- de l'encrassement des ailettes
Transfert
thermique
Les tubes ailettés sont particulièrement recommandés lorsque le
coefficient d'échange thermique est sensiblement plus faible d'un coté
de l'échangeur. C'est généralement le cas des aéroréfrigérants pour
lesquels le coefficient d'échange coté air est souvent beaucoup plus
faible que coté procédé. La présence d'ailettes coté air permet, en
augmentant la surface d'échange sur ce coté, de compenser en partie
cette
déficience.
La chaleur, pour être transférée du procédé vers l'air extérieur, doit
vaincre plusieurs résistances:
- le film de convection coté procédé (Rint)
- la conduction à travers la paroi du tube (Rtub)
- la conduction le long de l'ailette (Rail)
- le film de convection coté air (Rext)
Le coefficient global de transfert thermique est obtenu par la
relation:
Rtot = Rint +
Rtub + Rail +
Rext
1 ⁄ U = Atub ⁄ α Atot
+ ln(dext ⁄ dint) ×
dext ⁄ 2λ + dext ⁄ hint
⁄ dint
avec:
U: coefficient global de transfert thermique (se rapporte à la surface
du tube) [w/m²/°C]
α : coefficient de film apparent coté
air
(extérieur des tubes) [w/m²/°C]
hint : coefficient de film coté procédé
(intérieur des tubes) [w/m²/°C]
λ: conductivité thermique du métal du tube [w/m/°C]
dint : diamètre intérieur du tube [m]
dext : diamètre extérieur du tube [m]
Atub : surface d'échange
du tube [m²]
Atot : surface d'échange totale (tube et
ailettes) [m²]
Coefficients d'échange global
|
U
[w/m²/°C] |
| Condensation |
|
| Amine reactivator |
550 – 650 |
| Ammoniaque
|
600 – 700 |
| Réfrigérant
12
|
400 – 500 |
| Naphtha lourd |
400 – 500 |
| Essence légère
|
500 |
| Hydrocarbures légers
|
500 – 600 |
| Naphta léger
|
450 – 550 |
| Hydrocarbure à température constante |
550 |
| Hydrocarbure sur un intervalle de 10°C |
500 |
| Hydrocarbure sur un intervalle de 30°C |
450 |
| Hydrocarbure sur un intervalle >50°C |
400 |
| Hydroformers,
Rexformers
|
450 – 550 |
| Vapeur d'eau (0 – 1,5
bar)
|
750 – 1100 |
| Refroidissement
de gaz |
|
| Air ou fumée à 3-4 bars, ΔP<0,1 bar |
50 |
| Air ou fumée à 7 bars, ΔP=0,15 bar |
100 |
| Air ou fumée à 7 bars, ΔP=0,3 bar |
150 |
| Hydrocarbures à 1-3 bars, ΔP<0,1 bar |
150 - 200 |
| Hydrocarbures à 3-20 bars, ΔP=0,2 bar |
250 - 350 |
| Hydrocarbures à 20-100 bars, ΔP=0,3 bar |
350 - 550 |
| Refroidissement
de liquide |
|
| Eau de refroidissement |
700 - 850 |
| Fioul lourd |
100 - 150 |
| Gazole léger |
350 - 500 |
| Hydrocarbure de viscosité= 0,2cps |
550 |
| Hydrocarbure de viscosité= 1cps |
400 |
| Hydrocarbure de viscosité= 5cps |
150 |
| Hydrocarbure de viscosité= 10cps |
75 |
| Hydrocarbure léger |
500 - 650 |
| Naphta léger |
500 |
| Eau de procédé |
650 - 800 |
| Résidu - Goudrons |
25 - 60 |
Coefficient de film coté air
Pour déterminer le coefficient de film coté air, on fait généralement
appel à des corrélations obtenues suite à des mesures sur des bancs
d'essais équipé de tubes ailettés.
De nombreux auteurs ont publiés de telles corrélations. Elle donnent le
plus souvent le nombre de Nusselt, ou le facteur de transfert thermique
de Colburn "j", en fonction du nombre de Reynolds. Le nombre de
Reynolds fait appel à deux paramètres, la vitesse de l'air
et une longueur caractéristique, dont la définition peut
varier d'un auteur à l'autre; ceci rend les comparaisons parfois
difficiles. Les corrélations les plus souvent citées semblent être
celles de:
- S. L. Jameson (ASME Transactions vol. 67 No 8 1945)
- E. Th. Schmidt (Kaeltetechnik 15 (1963), H.4)
- D. E. Briggs et E. H. Young (Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 59
1963)
- A. H. Elmahdy et R. C. Biggs (ASHRAE Transactions 1979 vol.
85, part 2)
Par ailleur, la GPSA (Gas Processors Suppliers Association) propose
également une courbe dans son Engineering Databook.
Le graphique ci-contre
indique les coefficients de film donné par ces différentes
corrélations, pour un faisceau de tubes de:
- diamètre de tubes: 1" (25,4 mm)
- pas des tubes: 2,5" (63,5 mm) triangulaire
- hauteur des ailettes: 5/8" (15,9 mm)
- épaisseur des ailettes: 0,4 mm
- densité des ailettes: 10 fpi (394 ailettes au mètre)
Correction de la DTLM
Le transfert thermique dans les aéroréfrigérants, comme les autres
échangeurs, suit la loi de Fourier:
Q = U.A.ΔT
La
différence de température ΔT est évaluée par les températures entrées
et sorties de l'échangeur, ainsi que sa géométrie. Les températures
entrées et sorties de l'échangeur permettent de calculer une différence
de température moyenne "DTLM" pour un échangeur à contre-courant
parfait. La géométrie de l'échangeur permet de déterminer un facteur de
correction "F" pour tenir compte de la configuration réelle de
l'échangeur.
ΔT = F.DTLM
|
Le
fluide à refroidir circule dans une seule direction. Il entre à une
extrémité de l'échangeur pour sortir à l'autre extrémité. |
 |
Le fluide à refroidir circule en deux passes dans les
tubes.
Cependant
du point de vue de ses performances thermiques, cette configuration est
similaire à une configuration en une seule passe dont les tubes
seraient deux fois moins nombreux mais deux fois plus longs. |
 |
Le
fluide à refroidir circule en deux passes dans les tubes. La
circulation du fluide procédé est à contre courant de la circulation de
l'air; les tubes les plus chauds (ceux du haut) sont en contact avec
l'air le plus chaud. |
 |
Le fluide à refroidir circule en trois passes dans les
tubes. La
circulation du fluide procédé est à contre courant de la circulation de
l'air; les tubes les plus chauds (ceux du haut) sont en contact avec
l'air le plus chaud. |
Les
facteurs de correction de DTLM sont publiés sous forme de
diagrammes pour des échangeurs à une, deux ou trois passes de tube. Ces
derniers restent valables pour un nombre de passes supérieur.
Les
diagrammes les plus courants sont ceux du GPSA (Gas Processors Suppliers Association)
repris dans de nombreuse publications.
Pour trouver un facteur de correction de DTLM sur le web
Données
de
prédimensionnement
Les aéroréfrigérants sont recommandés pour des applications
pour lesquelles:
- la température de sortie du fluide procédé est au moins
supérieure de 20°C à la température de l'air ambiant Pour des
approches plus réduites, un refroidissement par eau sera préférable
- la température du fluide procédé est élevée et fait
craindre un entartrage rapide des surfaces de refroidissement à l'eau
Les ventilateurs ont des diamètres de 4 à 12 pieds (1,2 à 3,6
mètres) et développent de 15 à 40 mmCE (Colonne d'Eau) de pression Si
plusieurs ventilateurs sont nécessaires, la distance entre leurs axes
n'excède pas 1,8 fois la largeur de l'échangeur La surface occupée par
les ventilateurs ne devrait pas être inférieure à 40% de la surface
occupée par les tubes
Les largeurs standard des baies sont de 8, 10, 12, 16 ou 20 pieds pour
des longueurs jusqu'à 40 pieds (12 mètres)
Les tubes sont disposés sur 3 à 6 rangs Trop peu de rangs de tubes
conduit à une mauvaise utilisation de l'air en raison des renardages et
passages préférentiels possibles; trop de rangs de tubes limite le
débit d'air en raison d'une perte de charge excessive En outre le
nettoyage entre les tubes est rendu plus difficile
Le débit d'air peut être exprimé par sa vitesse frontale Elle est
typiquement de 3 m/s pour 3 rangs de tubes, et de 2,5 m/s pour 6 rangs
Exemple
- Vitesse frontale de l'air mesurée devant la première nappe
de tubes:
2,5m/sec
- Perte de charge coté air pour une vitesse frontale de 2,5m/sec:
2,1mmCE par nappe de tubes
- Perte de charge totale admissible par le ventilateur:
normalement 15mmCE et maxi 25mmCE
- Rendement du ventilateur: 60%
- Ratio surface ailettée / surface interne des tubes: 21
- Coefficient de transfert thermique coté air:
35 kcal/hm2°C
Puissance électrique nécessaire pour actionner le ventilateur:
Puiss = Débit x 9,81 x dP / Rdt
avec:
- Puiss en watts
- Débit d'air en m3/sec
- dP perte de charge coté air en mm de colonne d'eau (mmCE)
- Rdt rendement du ventilateur
Exemple:
Soit un aéroréfrigérant constitué de 5 nappes de tubes de 2m de long
disposés sur une largeur de 2m:
surface frontale de l'échangeur:
2 x 2 = 4m2
débit d'air pour une vitesse frontale de 2,5m/sec: 4 x 2,5 = 10m3/sec
perte de charge coté air:
5 x 2,1 = 10,5mmCE
puissance consommée par le ventilateur:
10 x 9,81 x 10,5 / 0,6 = 1717 watts
