Aéroréfrigérants
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Aéroréfrigérants

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.
Schéma d'un aéroréfrigérant à tirage forcéL'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.


Schéma d'une baie d'aéroréfrigérant avec les faisceuax, les boites de distribution et les ventilateursLes 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

Schéma d'aéroréfrigérant à tirage induitLe 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

Scéma d'aéroréfrigérant à tirage forcéLe 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

Schéma d'aérorefrigérant à faisceau de tubes incliné en A et à tirage induitSchéma d'aérocondenseur à tubes inclinés en A et tirage forcé
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"
Schéma d'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"
Scéma d'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"
Schéma d'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"
Schéma d'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"
Schéma d'ailettes de type "extrudé"
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
Graphique donnant la perte de charge par rangée de tubes en fonction du débit d'air
Perte de charge de l'air au travers du faisceau et puissance du ventilateur en fonction de la vitesse ou du débit frontal de l'air
Pour:
  • 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)
D'après données du GPSA Engineering Databook
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.
Graphique donnant le coefficient de film coté air en fonction de la vitesse frontale de l'air pour différentes corrélations de la littérature
Pour:
  • 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)
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

Schéma de principe d'un aéroréfrigérant à une seule passe
Le fluide à refroidir circule dans une seule direction. Il entre à une extrémité de l'échangeur pour sortir à l'autre extrémité.
Scéma de pincipe d'un aéroréfrigérant à deux passes coté tubes, mais assimilable à un échangeur à une seule passe 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.
Schéma de principe d'un aéroréfrigérant à deux passes à contre courant 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.
Schéma de principe d'un aéroréfrigérant à trois passes et à contre courant 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.

Exemple de diagramme de correction de DTLMLes 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


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