Conception d'ailettes de dissipateur de chaleur et d'échangeur de chaleur à ailettes à flux parallèle

Principes de conception des ailettes du dissipateur thermique pour les applications de condenseur

Les ailettes augmentent la surface externe effective des tubes ou des plaques pour stimuler le transfert de chaleur par convection. Dans les condenseurs (gaz-liquide ou vapeur-liquide), des ailettes sont normalement utilisées du côté vapeur/air pour réduire le coût et l'encombrement de l'échangeur tout en obtenant le rejet de chaleur requis. Les principales variables de conception sont le type d'ailettes (plaines, à persiennes, ondulées, percées), le pas des ailettes (ailettes par mètre ou ailettes par pouce), la hauteur des ailettes, l'épaisseur des ailettes et la conductivité thermique du matériau.

Bases de la performance thermique

Utiliser la relation globale de transfert de chaleur Q = U · A · ΔT . Les ailerons fonctionnent en augmentant la surface apparente A et en modifiant le coefficient de convection local h. Pour une surface à ailettes, la surface effective est A_finned = η_f · A_geometric, où η_f est l'efficacité des ailettes. La conception pratique nécessite la prise en compte simultanée de U, η_f et de la densité de compactage pour éviter une chute de pression excessive.

Contraintes mécaniques et de débit d'air

Un pas d'aileron plus serré augmente la surface mais augmente la chute de pression côté air et le risque d'encrassement. Dans les serpentins de condenseur à flux d'air parallèle (condenseur à flux parallèle), une répartition uniforme du débit sur la face du serpentin est essentielle ; un débit inégal réduit le transfert de chaleur local et peut provoquer des zones sèches localisées ou du gel. La conception doit équilibrer la surface, la puissance du ventilateur et la marge d’encrassement.

Condenseurs à flux parallèle avec échangeurs de chaleur à ailettes — fonctionnement et disposition

Les condenseurs à flux parallèle acheminent le réfrigérant (ou le fluide de travail) à travers plusieurs tubes parallèles tandis que l'air ou la vapeur s'écoulent transversalement à travers les faces à ailettes. Comparés aux conceptions à contre-courant, les condenseurs à flux parallèles sont plus simples à fabriquer et peuvent atteindre une compacité, mais nécessitent une distribution soigneuse des collecteurs et des tubes pour maintenir les vitesses du réfrigérant et le flux thermique uniformes.

Disposition typique des bobines et collecteurs

Une bonne conception du collecteur (diamètre approprié du collecteur, placement des buses d'entrée/sortie et déflecteurs internes) évite une mauvaise distribution. Pour un écoulement parallèle : assurez-vous que chaque rangée de tubes a une résistance hydraulique similaire ; n'utilisez des orifices ou des restricteurs qu'en cas de nécessité. Envisagez des circuits à tubes multipasses ou à couplage croisé lorsque des collecteurs parallèles à un seul passage donneraient des différences de vitesse excessives.

Considérations côté air pour un flux parallèle

Dans les appareils où l'air circule à travers des paquets de tubes à ailettes, maintenez la vitesse frontale dans les plages recommandées (souvent 1,5 à 3,5 m/s pour les condenseurs refroidis par air) pour équilibrer le transfert de chaleur et le bruit. Pour les climats humides, un espacement accru des ailettes réduit le colmatage dû à l'encrassement particulaire et biologique, mais réduit la surface.

Sélection de la géométrie des ailerons et compromis en matière de performances

Choisissez la géométrie des ailettes en fonction des objectifs de performances : maximisez le transfert de chaleur par unité de perte de charge, minimisez le coût et la masse et permettez la fabricabilité avec l'outillage requis. Géométries d'ailettes courantes pour les condenseurs :

• Ailerons simples (droits) – simples, peu coûteux, adaptés aux vitesses d'air faibles à modérées.
• Ailettes à persiennes — une turbulence locale élevée augmente h, utilisée là où le flux de chaleur est élevé et où une certaine chute de pression est acceptable.
• Ailerons fendus ou percés : ajoutent de la turbulence avec une pénalité de pression modérée ; souvent utilisé dans les condenseurs automobiles.
• Ailerons ondulés – amélioration intermédiaire et chute de pression ; peut être plus facile à nettoyer que les persiennes.

Compromis quantitatifs

Lorsque vous comparez des conceptions, évaluez : la surface spécifique (m²/m³), l’efficacité des ailettes η_f et la chute de pression ΔP. Une conception avec une surface externe 20 à 50 % plus élevée (via des ailettes) mais un ΔP 2 à 3 fois plus élevé peut toujours être indésirable si les contraintes de puissance du ventilateur et de bruit sont strictes. Utilisez des cartes de performances (h par rapport à Re et chute de pression par rapport à Re) à partir des données du fournisseur pour choisir la géométrie des ailettes.

Exemple de conception pratique et exemple de calcul

Exemple d'exigence : rejeter Q = 10 kW de chaleur dans un condenseur avec un U global attendu ≈ 150 W·m⁻²·K⁻¹ et une différence de température moyenne ΔT ≈ 10 K. Surface efficace externe requise A = Q / (U · ΔT). L’utilisation de ces nombres représentatifs donne :

A_required = 10 000 W ÷ (150 W·m⁻²·K⁻¹ × 10 K) = 6,67 m² (surface effective à ailettes). Si une géométrie d'ailettes choisie donne un facteur d'amélioration des ailettes d'environ 4 (c'est-à-dire que la surface géométrique des ailettes est 4 × la surface du tube nu et l'efficacité moyenne des ailettes est incluse dans ce facteur), le tube nu/surface requis ≈ 1,67 m².

Comment utiliser ces numéros

À partir de la zone nue cible, dérivez les dimensions de la bobine et la longueur du tube : surface nue par mètre de tube = π · D_o · 1 m (contributions à la surface du collier à ailettes si vous utilisez des ailettes en bande). Divisez la surface nue requise par la surface par tube-mètre pour obtenir la longueur totale du tube, puis disposez les tubes en rangées et en colonnes pour s'adapter aux contraintes de face de la bobine. Ajoutez toujours 10 à 25 % de surface supplémentaire pour l'encrassement et la marge de performance saisonnière.

Considérations relatives à la fabrication, aux matériaux et à la corrosion

Les matériaux d'ailettes courants sont l'aluminium (léger, haute conductivité, économique) et le cuivre (conductivité plus élevée, coût plus élevé). Pour les condenseurs extérieurs exposés à des atmosphères corrosives, envisagez des ailettes revêtues (revêtements polymères, époxy ou hydrophiles) ou des ailettes en acier inoxydable pour les environnements hautement corrosifs. Techniques de fabrication : profilage continu d'ailettes lisses et ondulées, emboutissage de persiennes, brasage ou collage mécanique sur tubes. Conception pour faciliter le nettoyage (moins de persiennes serrées là où une charge de particules est attendue).

Meilleures pratiques, tests et maintenance

Suivez ces étapes pour garantir des performances fiables du condenseur sur site :

• Test de prototype : construisez un segment de bobine représentatif et mesurez h et ΔP dans une soufflerie ou un banc d'essai avant de vous engager dans la production complète.
• Tenez compte de l'encrassement : spécifiez des géométries d'ailettes facilement nettoyables et donnez accès au service pour le nettoyage périodique des serpentins.
• Inclure des ports d'instrumentation : sondes de température et prises de pression pour valider l'uniformité de la distribution du réfrigérant et du débit d'air.
• Optimiser le pas des ailerons pour le climat local : des pas plus serrés pour des climats propres et secs ; plus large pour les conditions poussiéreuses et humides.

Tableau comparatif : types d'ailerons courants et quand les utiliser

Liste de contrôle récapitulative et exploitable

• Commencez par le rejet de chaleur requis et calculez la surface effective requise en utilisant Q = U·A·ΔT.
• Sélectionnez la géométrie des ailettes pour atteindre un facteur d'amélioration cible tout en maintenant une chute de pression acceptable pour le budget ventilateur/puissance du ventilateur.
• Concevez des collecteurs et des circuits pour assurer une distribution uniforme du réfrigérant dans les condenseurs à flux parallèle.
• Prototypez et testez une section de bobine représentative pour en vérifier les performances et la sensibilité à l'encrassement avant la production complète.
• Inclure la marge d'encrassement (10 à 25 %) et la facilité d'entretien dans la spécification finale.