Introduction aux futures orientations de recherche pour les échangeurs de chaleur

1. Recherche sur les échangeurs de chaleur légers

En raison de la concurrence sur le marché, les marges bénéficiaires des échangeurs de chaleur diminuent. Certains types conventionnels sont même tarifés en fonction de leur poids. Pour améliorer la rentabilité, les entreprises emploient diverses stratégies pour réduire le poids des produits afin de diminuer les coûts. Les approches courantes comprennent la réduction de l'épaisseur des matériaux et l'optimisation de la conception structurelle.

2. Recherche sur les nouveaux échangeurs de chaleur à plaques et ailettes avec une résistance accrue à la corrosion, une tolérance à haute pression et une résistance à haute température

Les échangeurs de chaleur traditionnels à plaques et ailettes sont principalement fabriqués à partir d'alliages d'aluminium. Cependant, la faible résistance à la corrosion, la faible résistance et la capacité limitée à haute température de l'aluminium limitent la pression et la température de fonctionnement de ces échangeurs. Par conséquent, dans l'industrie pétrochimique, ils sont principalement utilisés dans le refroidissement par trempe ou les applications à basse température. Une méthode prometteuse pour améliorer la pression de fonctionnement, la plage de température et la résistance à la corrosion des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes est l'utilisation d'acier inoxydable. Des expériences indiquent que les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes fabriqués à partir de matériaux composites aluminium-fibre de carbone peuvent supporter des pressions allant jusqu'à 35 MPa. Des rapports soulignent également le développement d'échangeurs de chaleur à plaques et ailettes renforcés de fibres de carbone modifiées au graphite et de polytétrafluoroéthylène (PTFE), qui présentent une excellente résistance à la corrosion et à l'encrassement, ce qui les rend adaptés aux conditions difficiles du secteur pétrochimique. De plus, les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes fabriqués à partir de matériaux céramiques spécialisés peuvent être utilisés dans des environnements dépassant 1000 °C. Poussé par les demandes d'industries telles que l'aérospatiale, l'électronique et la supraconductivité, le développement et l'amélioration de divers micro-échangeurs de chaleur à plaques et ailettes progressent vigoureusement.

3. Recherche sur les nouvelles ailettes à haute efficacité

Les ailettes sont les composants les plus fondamentaux des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes. La haute efficacité de transfert de chaleur caractéristique de ces échangeurs est obtenue grâce aux ailettes, car elles élargissent considérablement la surface de transfert de chaleur via les surfaces primaires et secondaires. La recherche nationale actuelle sur les ailettes se concentre principalement sur leurs caractéristiques de transfert de chaleur, leurs caractéristiques d'écoulement et leurs propriétés de surface. Les performances des ailettes sont généralement caractérisées par le facteur de friction et le facteur j de Colburn (facteur de transfert de chaleur). Généralement, la configuration géométrique d'une ailette dicte ses performances de transfert de chaleur. En ajustant les paramètres dimensionnels, les conceptions d'ailettes peuvent être optimisées pour mieux répondre aux conditions de fonctionnement spécifiques et aux capacités de fabrication.

4. Recherche sur les collecteurs et distributeurs (guides d'entrée/sortie)

La conception appropriée des collecteurs et distributeurs (ou guides d'entrée/sortie) est cruciale pour assurer une distribution uniforme du flux de fluide dans le noyau, une efficacité de transfert de chaleur élevée et les performances globales de l'échangeur de chaleur à plaques et ailettes. Des mesures telles que le soudage de revêtements à l'ensemble collecteur et noyau, le renforcement avec des plaques de raidissement et l'incorporation de rainures de soudage peuvent améliorer la qualité de fabrication et prolonger la durée de vie opérationnelle de ces échangeurs. Cependant, les défis liés à l'assurance d'une distribution uniforme du fluide par la conception structurelle, à l'optimisation de l'agencement des canaux d'écoulement et à la prise en compte des effets de la conduction thermique longitudinale n'ont pas été entièrement résolus. Ces aspects nécessitent des investigations supplémentaires.

5. Application de la dynamique des fluides numérique (CFD) et des technologies de simulation

Les progrès récents de l'ingénierie assistée par ordinateur (IAO) ont rendu possible la simulation des performances des échangeurs de chaleur à l'aide de modèles informatiques. La simulation numérique par techniques CFD pour les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes permet la visualisation des distributions de champs de vitesse et de température dans les canaux. Cela permet une analyse du champ d'écoulement et des recherches difficiles ou impossibles à réaliser par des études expérimentales seules, fournissant ainsi une base solide pour la conception optimale des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes.

6. Recherches supplémentaires sur la technologie et les processus de brasage sous vide

Le four de brasage sous vide est un équipement essentiel dans la fabrication des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes. Les facteurs clés influençant la qualité du brasage comprennent le niveau de vide, la vitesse de chauffage, la température de brasage et le contrôle du refroidissement pendant le cycle de brasage sous vide. Actuellement, la compréhension théorique de la technologie de brasage sous vide dans les applications industrielles est insuffisante, ce qui entrave le développement de procédures de brasage standardisées. Cela conduit souvent à une dépendance à l'égard de l'expérience de l'opérateur. Plus précisément, les processus de brasage sous vide pour les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes en titane et en acier inoxydable nécessitent des améliorations et des affinements supplémentaires.

7. Expansion supplémentaire des domaines d'application

Les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes sont actuellement largement utilisés dans des industries telles que la séparation de l'air, la pétrochimie, la réfrigération et la climatisation, l'automobile et l'aérospatiale, les machines de construction, les machines générales et les moteurs à combustion interne. Ils ont démontré des avantages économiques significatifs en termes de récupération de chaleur, d'économies de matériaux, de réduction des coûts et d'applications spécialisées. Ces dernières années, la recherche sur les théories de conception, les méthodes expérimentales, les techniques de fabrication et le développement d'applications pour les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes a été florissante. Avec le développement et le perfectionnement continus de nouvelles technologies, leur gamme d'applications devrait s'élargir considérablement, promettant une expansion continue dans de nouveaux domaines.