Design optimal pour l’intensification des échangeurs de chaleur et matière à tubes hélicoïdaux

Optimal Helical Tube Design for Intensified Heat / Mass Exchangers

• Auteur / Autrice : Omran Abushammala
• Direction : Éric Favre, Rainier Hreiz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 18/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Alexandre Serra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Favre, Rainier Hreiz, Catherine Xuereb, Glenn Lipscomb, Cécile Lemaitre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Xuereb, Glenn Lipscomb
• DOI : 10.70675/a69cbbbcz0774z4b27z9839z179eb6aa1c8e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique de la production

Échangeurs de chaleur

Tubes

Design

Spirales

Modélisation CFD

Mots clés libres

Simulation

Échangeurs

Transferts

Intensification

CFD

Tubes sipralés

Design

Optimisation

Simulation

Exchangers

Transfer

Intensification

CFD

Helical tubes

Design

Optimisation

Résumé

La recherche de solutions technologiques visant à minimiser la taille d’un dispositif, qualifiée d’intensification, est un objectif classique du génie des procédés. Dans ce mémoire, les possibilités d’intensification offertes par des tubes hélicoïdaux sont étudiées, à la fois pour des échangeurs de chaleur et de matière. L’utilisation de tubes hélicoïdaux en lieu et place de tubes droits présente en effet un intérêt à la fois en termes d’augmentation de la surface d’échange par unité de volume entre les deux fluides circulant dans l’échangeur et par la possibilité d’augmentation des transferts par génération de vortex de Dean dans les tubes. Un ensemble de simulations de mécanique des fluides numérique a été réalisé et confronté à des résultats expérimentaux. Au final, sur la base d’une démarche systématique faisant appel à des corrélations, une réduction volumique d’un facteur 8 est obtenue, tant pour les échangeurs de chaleur que pour les contacteurs à membranes.

The search for technological solutions aimed at minimizing the size of a device, known as intensification, is a classic objective of process engineering. In this thesis, the intensification possibilities offered by helical tubes are studied, both for heat and mass exchangers. The use of helical tubes instead of straight tubes is indeed of interest both in terms of increasing the exchange surface per unit volume between the two fluids circulating in the exchanger and by the possibility of increasing the transfers by generating Dean vortices in the tubes. A set of CFD (Computational Fluid Dynamics) type simulations was carried out and compared with experimental results. In the end, on the basis of a systematic approach using correlations, a volume reduction of a factor of 8 was obtained, both for heat exchangers and for membrane contactors.