Qu’est-ce que contre-courant ? Pourquoi est-ce plus efficace pour les échangeurs de chaleur ?

Un échangeur de chaleur à coque et à tubes peut être installé dans un agencement en « contre-courant » et en « courant parallèle ». Nous discutons ici des raisons pour lesquelles le contre-courant offre des performances de refroidissement supérieures.

Dans un échangeur de chaleur à coque et à tubes, le liquide de refroidissement passe généralement par le ‘noyau du tube’ central pour refroidir l’huile, l’eau ou l’air chaud qui passe au-dessus et autour des tubes. Le sens dans lequel les deux fluides s’écoulent dans l’échangeur de chaleur peut être soit un « courant parallèle », soit un « contre-courant ». Dans cet article, nous examinons les raisons pour lesquelles le contre-courant est plus efficace et pourquoi Bowman recommande cette méthode lors de l’installation de leurs échangeurs de chaleur.

Courant parallèle ou contre-courant – quelle est la difference?

L’indice est dans le nom; dans le cas du courant parallèle, le fluide à refroidir traverse l’échangeur de chaleur dans le même sens que le fluide de refroidissement.

Bien que cet agencement fournisse un refroidissement, il a des limites.

Par exemple, si le fluide chaud entrant a une température de 100 °C et que le fluide de refroidissement entrant est de 30 °C, la différence de température moyenne entre les deux fluides diminue. Ceci est dû au fait que le fluide de refroidissement entrant, voyageant en parallèle avec le fluide chaud, est chauffé progressivement sur toute la longueur de l’échangeur de chaleur et avec de l’eau froide introduite uniquement à proximité de la zone la plus chaude de l’unité, l’échangeur de chaleur ne peut pas refroidir le fluide à une température inférieure à celle du liquide de refroidissement lui-même, comme le montre l’illustration ci-dessous.

Cet agencement peut également créer une contrainte thermique au sein de l’échangeur de chaleur, car une moitié de l’unité sera sensiblement plus chaude que l’autre.

En quoi le contre-courant est-il different ?

Dans un refroidissement à contre-courant, le fluide de refroidissement entrant absorbe la chaleur lorsque le fluide « chaud » se déplace dans la direction opposée. Le fluide de refroidissement chauffe lorsqu’il passe dans l’échangeur de chaleur, mais lorsque l’eau plus froide entre dans l’échangeur de chaleur, il absorbe plus de chaleur, réduisant ainsi beaucoup plus la température que ce qui pourrait être obtenu avec un écoulement parallèle.

Comme le montre l’illustration ci-dessous, la différence de température moyenne entre le fluide de refroidissement et le fluide en cours de refroidissement est beaucoup plus uniforme sur toute la longueur de l’échangeur de chaleur, ce qui réduit considérablement les contraintes thermiques exercées sur l’unité.

 

Alors, qu’est-ce que cela signifie ?

Alors qu’un échangeur de chaleur installé avec un courant parallèle réduira la température, il est loin d’être aussi efficace qu’un système à contre-courant et, pour atteindre la température de sortie requise, un échangeur de chaleur plus grand peut éventuellement être nécessaire.

En revanche, le contre-courant est nettement plus efficace et, en fonction du débit et de la température, les performances de transfert de chaleur pourraient être jusqu’à 15% plus efficaces, ce qui permettrait éventuellement d’utiliser un échangeur thermique plus petit, économisant de l’espace et de l’argent !

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