Echangeur liquide-liquide simplifié


Dans cette activité nous allons réaliser la modélisation simple d'un échangeur, nous allons donc être amené à utiliser des composants de la bibliothèque d'hydraulique thermique (Thermal hydraulic et thermal hydraulic resistance en orange).



Nous allons simuler un échangeur de chaleur contre-courant simplifié (diesel/liquide de refroidissement). Les tubes sont en aluminium et le tube externe est thermiquement isolé de l'extérieur.

  1. Modélisation en négligeant la résistance conductive de la paroi métallique entre les deux fluides



    2.  Travail à réaliser: Dans un premier temps nous allons représenter un système simplifié où on ne tiendra pas compte de la résistance conductive aux transferts thermiques due à l'épaisseur de l'aluminium, on se contentera de prendre en compte la masse relativement à l'internie thermique.

    1. Création du système à simuler par insertion et connexion de composants
      Insérez les composants comme sur le schéma.

      L'échange s'effectuant entre deux fluides de nature différente (le diesel et le liquide de refroidissement), il faut insérer deux fois le composant définissant les propriétés de fluide thermique.

      Remarque méthodologique: Pour obtenir le même schéma que ci-dessus il faut faire la symétrie de certains composants par l'axe vertical.
    2. Choix des sous-modèles physiques à associer à chacun des composants
      Attribuez les sous-modèles comme indiqué dans le tableau ci-dessous:

      Numéro Sous-modèle Description
      0 TFFD1 Propriétés du liquide de refroidissement
      1 CONS0 Signal spécifiant la température d'entrée du liquide de refroidissement
      2 CONS0 Signal spécifiant le débit d'entrée du liquide de refroidissement
      3 TFQT0 Composant traduisant les signaux d'entrée en condition d'écoulement fluide
      4 TFPC5 Conduite hydraulique avec transferts de chaleur convectifs entre le fluide et la paroi interne du tube
      Remarque: ce modèle est très simple, il calcule les évolutions en considérant une température moyenne constante fluide dans tout le composant, on est donc assez loin d'un modèle réaliste d'échangeur.
      5 TF223 Restriction dans l'écoulement
      6 TFTK0 Réservoir d'évacuation du fluide
      7 TFTK0 Réservoir d'évacuation du fluide
      8 TF223 Restriction dans l'écoulement
      9 TFPC5 Conduite hydraulique avec transferts de chaleur convectifs entre le fluide et la paroi interne du tube
      10 TFQT0 Composant traduisant les signaux d'entrée en condition d'écoulement fluide
      11 CONS0 Signal spécifiant la température d'entrée du diesel
      12 CONS0 Signal spécifiant le débit d'entrée du diesel
      13 TFFD1 Propriétés du diesel
      14 THC00 Masse de matière traduisant l'inertie thermique de l'aluminium
      15 THS0 Propriétés de l'aluminium pur
    3. Définitions des paramètres numériques associés aux composants
      Vous définirez les paramètres de manière à traduire ces caractéristiques physiques:
      1. Il rentre un débit de 20 l/mn de Diesel à la température de 100°C.

      2. Les caractéristiques du Diesel sont spécifiées dans le fichier diesel.data, on attribuera au diesel l'indice de fluide 1 (index of thermal hydraulic fluid) .

      3. Il rentre un débit de 20 l/mn de liquide de refroidissement à la température de 20°C.

      4. Les caractéristiques du liquide de refroidissement sont spécifiées dans le fichier coolant.data, on attribuera l'indice de fluide 2 au liquide de refroidissement.

      5. l'échangeur est long de 1 mètre

      6. C'est un échangeur coaxial en aluminium, l'épaisseur de chacun des tubes est de 1 mm

      7. Le diamètre intérieur du tube intérieur est de 25 mm

      8. Le diamètre intérieur du tube extérieur est de 38,5 mm

      9. On considèrera que dans l'échangeur, au début de la simulation, le Diesel est à la température de 100°C et le liquide de refroidissement de 20°C.
      10. Pour simplifier l'étude, nous considèrerons que les coefficients de transferts convectifs au sein d'un fluide sont tous égaux à 10000 W/(m².°C)

      Remarque:Vous aurez quelques calculs simples à effectuer pour déterminer les valeurs de certains des paramètres.
    4. Calculs et exploitation des résultats
      Lancez le calcul.

      Tracez sur un même diagramme l'évolution, en fonction du temps, des températures des deux fluides lorsqu'ils sortent de l'échangeur.

      Si votre modélisation est exacte, vous devriez, lorsque le système est à l'équilibre:
      • Une température de liquide de refroidissement en sortie de l'échangeur de 31,06°C
      • Une température de diesel en sortie de l'échangeur de 72,35°C
      Si ce n'est pas le cas, corrigez votre erreur.

  2. Modélisation en tenant compte de la résistance conductive

    3. Pour compléter notre modèle, nous allons tenir compte de la résistance conductive aux transferts thermiques de la paroi de l'échangeur entre les deux fluides.

     Travail à réaliser:

    1. Création du système à simuler par insertion et connexion de composants
      Copiez et collez votre premier circuit dans le même espace de travail, il faut pas copier les propriétés des fluides car nous utiliserons celle déjà définies.

      Entre les deux tubes d'échangeur, rajoutez une fonction permettant de tenir compte de la conduction.

      Vous ferez attention aux variables échangées entre composants aux cours des calculs numériques, celles-ci doivent être compatibles sinon AMESim refusera de connecter les composants.

    2. Choix du sous-modèles physiques à associer au composant de transferts conductifs.
      Voici les sous-modèles à attribuer aux nouveaux composants:

      Sous-modèle Description
      THCD1 Transferts conductifs radial dans une géométrie cylindrique
    3. Définitions des paramètres numériques associés aux composants
      Toutes les conditions de fonctionnement ont été définies dans la première partie du sujet.

    4. Calculs et exploitation des résultats
      Comparez les températures des fluides en sortie d'échangeur lorsque le régime est stabilisé pour les deux cas.