Analyse de la performance du transfert de chaleur des chaudières à vapeur - échangeurs de chaleur à ailettes et tubes sous différentes dimensions géométriques

Cette étude analyse la performance du transfert de chaleur des échangeurs de chaleur à ailettes et tubes dans les chaudières à vapeur, en se concentrant sur l'impact de paramètres géométriques tels que le nombre de rangées de tubes, le diamètre des tubes, le pas des ailettes, l'épaisseur des ailettes et la surface des ailettes sur l'efficacité thermique. Les gaz de combustion sortent généralement à des températures comprises entre 298K et 523K, entraînant des pertes d'énergie de 10 % à 30 % dans les systèmes de chaudières industrielles. L'analyse a utilisé COMSOL Multiphysics® pour modéliser l'écoulement des gaz de combustion en utilisant trois approches : la modélisation de l'écoulement laminaire et deux modèles de turbulence (k-épsilon et k-oméga), tous basés sur les équations de Navier-Stokes moyennées en Reynolds. Le modèle k-oméga a montré le meilleur alignement avec les données expérimentales (Wang et al., 2006), améliorant les prédictions de transfert de chaleur. Les résultats montrent que le transfert de chaleur se stabilise au-delà de six rangées de tubes, avec des nombres de Nusselt variant de 10,97 à 21,16 et une efficacité atteignant 0,54. Trois paramètres se sont révélés critiques pour maximiser la performance du transfert de chaleur : la surface des ailettes, l'épaisseur des ailettes et le diamètre des tubes. Le débit optimal des gaz de combustion a été déterminé entre 0,02 et 0,2 kg/s. Ces résultats guident la conception d'échangeurs de chaleur efficaces pour la récupération de chaleur résiduelle, minimisant les pertes d'énergie dans les applications industrielles.