Optimization of falling film exchangers
Optimisation d'échangeurs à films ruisselants
Résumé
We consider the heat transfer across a thin liquid film flowing by gravity along an tilted plane. This
work aims at the identification of the mechanisms of heat transfer intensification and the optimization
of the geometry of a plate exchanger.
A simplified model based on weighted residual integral method applied to Navier Stokes and
Fourier equations has been developed. A tool for solving system of partial derivative equations using
the method of line has also been written. Spatial discretization is dealt with finite differences. A high
order implicit Runge Kutta scheme with an adaptative time stepping, allows a stable and efficient
resolution.
This simplified model allowed us to link the fluid’s dynamics (and especially the presence of recir-
culations under traveling wave crests, alos called roll waves) with transfer intensification. This link
has been confirmed solving the primitive equations . Indeed, a parametric study of the transfer inten-
sification on a signature/representative element of an exchanger plate by a monochromatic frequency
has been conducted showing that transfer intensification is related to the onset of roll waves.
The effect of a variable wall goemetry has been included to the model. Preliminary work points
out the need for a low inclination to yield a significant effect on transfer intensification.
On considère le transfert de chaleur au travers d’un film liquide de faible épaisseur s’écoulant par
gravité le long d’un plan incliné, l’objectif étant de comprendre les mécanismes d’intensification des
transferts par l’hydrodynamique du film et d’optimiser la géométrie d’un échangeur.
Un modèle simplifié fondé sur une méthode intégrale aux résidus pondérés appliquée aux équations
de Navier-Stokes et de Fourier a été développé. Un outil de résolution de système d’équations aux
dérivées partielles utilisant la méthode des lignes a été écrit. Celui-ci utilise les différences finies
pour discrétiser les dérivées spatiales et un schéma Runge Kutta implicite d’ordre élevé couplé à un
contrôleur de pas de temps afin de garantir une résolution stable et performante des modèles.
Ce modèle simplifié nous a permis de mettre en avant les liens entre l’hydrodynamique (et en
particulier la recirculation ayant lieu au sein de la crête des ondes propagatives) et l’intensification
des phénomènes de transferts, lien confirmé par résolution des équations primitives du problème. En
effet, une étude paramétrique de l’intensification des transferts sur un élément représentatif d’une
plaque d’échangeur par une excitation monochromatique en entrée d’écoulement a été menée. Elle
montre le lien entre la présence de recirculation au sein des ondes propagatives et accroissement des
transferts.
Le modèle a été étendu afin de prendre en compte un fond à géométrie variable. Des travaux
préliminaires sur l’effet d’un fond ondulé sur les transferts indiquent qu’une faible inclinaison soit
nécessaire pour qu’un effet notable soit observé.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)