Rendement thermique d’un échangeur thermique de chaudière à gaz

Contexte

De nombreux procédés nécessitent l’apport de chaleur externe : production d’électricité, fours industriels, séchage, pétrochimie… Cette chaleur peut être, par exemple, produite au moyen d’une chaudière industrielle, comme dans ce cas d’application.

Les échangeurs thermiques sont également omniprésents. Ils permettent de transférer la chaleur (ou « flux thermique ») entre un fluide chaud et un fluide froid, par l’intermédiaire d’une séparation physique (paroi) évitant leur mélange. L’échangeur thermique permet ici de récupérer la chaleur produite par la combustion du gaz et de la transférer au fluide caloporteur, l’eau.

Objectif

Pour des raisons environnementales, mais aussi pour limiter les coûts énergétiques, l’optimisation du rendement des systèmes thermiques est aujourd’hui une priorité. Le rendement est ici défini par le rapport entre l’énergie effectivement récupérée par le fluide caloporteur et l’énergie totale produite par la combustion du gaz. C’est l’échangeur thermique qui va permettre au fluide caloporteur de capter cette énergie produite : il est donc nécessaire d’y apporter une attention toute particulière.

Le choix porte ici sur l’utilisation de tubes ailetés. Les ailettes permettent d’augmenter la surface d’échange et donc la capacité de l’échangeur à capter le flux thermique. Les caractéristiques thermiques du matériau ont aussi une importance, tout comme celles du fluide mais aussi de l’écoulement, à travers le nombre de Nusselt.

L’objectif ici est de quantifier le rendement de la chaudière industrielle comportant un nouveau design d’échangeur thermique.