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ProSec

Simulation d'échangeurs de chaleur à plaques brasées

ProSec est un logiciel dédié à la simulation des échangeurs de chaleur multi-fluides à plaques et ailettes et en particulier les échangeurs en aluminium brasé. Il est capable de modéliser toute la complexité de ce type d'équipement.

Caractéristiques

 Des résultats complets et fiables.

 Description fidèle de l'équipement.

 Des algorithmes spécifiquement adaptés.

ProSec est un logiciel dédié à la simulation des échangeurs de chaleur multi-fluides à plaques et ailettes et en particulier les échangeurs en aluminium brasé. Il est capable de modéliser toute la complexité de ce type d'équipement.

Cette technologie d'échangeurs, dérivée de l'aéronautique, présente l'avantage d'offrir une grande surface d'échange par unité de volume et permet d'atteindre de très faibles écarts de température tout en assurant un échange thermique simultané entre plusieurs fluides. Initialement cette compacité a été mise à profit dans l'industrie pour la séparation d'air et la production d'oxygène. Aujourd'hui ces équipements sont utilisés dans une grande variété de procédés de purification ou de liquéfaction de gaz, qu'il s'agisse des constituants de l'air, du gaz naturel ou d'autres hydrocarbures. Ils sont utilisés en simple phase (liquide ou vapeur) mais aussi en double phase (condensation et/ou évaporation).
Ces échangeurs sont constitués par un empilement de tôles planes fermés latéralement, enserrant des ondes (feuillard d'aluminium ondulé) de géométries très diverses. Les fluides circulent dans les passages adjacents ainsi crées. Selon la largeur des plaques, leur longueur, le type d'ondes (droites, perforées, serrated, etc..), le nombre de plaques empilées, l'agencement des fluides entre les différents passages, etc... une multitude de conceptions sont possibles. Le rôle de l'ingénieur thermicien est de profiter de cette souplesse pour concevoir l'échangeur capable de satisfaire les échanges thermiques souhaités en respectant les contraintes de pertes de charges.

ProSec a été conçu pour l'aider dans cette tâche et lui permettre de vérifier aisément l'impact d'une modification de sa conception sur la température ou la pression des fluides sortant de la "boîte froide".
ProSec est le fruit de nombreuses années de recherche menées en collaboration avec le Laboratoire de Génie Chimique (LGC - http://lgc.inp-toulouse.fr/) et la société Fives Cryogénie (http://www.fivesgroup.com) qui compte parmi les leaders mondiaux de la fabrication de ce type d'échangeurs. Ce développement conjoint a permis notamment de largement valider les corrélations mises en oeuvre pour le calcul des coefficients d'échange ou des pertes de charge, mais surtout de prendre en compte toute la complexité de ce type d'équipement.

En effet, les autres produits disponibles sur le marché pour la simulation de ce type d'échangeurs trouvent leurs limites à trois niveaux :
-  soit ils font l'hypothèse de température de paroi commune (hypothèse retenue par exemple dans le module d'échangeur à plaques et ailettes brasées de ProSimPlus),
-  soit ils ne sont pas capables de prendre en compte la complexité de l'agencement des passages et des fluides,
-  soit les méthodes numériques mises en oeuvre ne permettent pas de converger vers la solution dès qu'il s'agit de simuler un échangeur industriel "un peu" complexe.


Des résultats complets et fiables
ProSec permet le calcul des performances thermiques et des pertes de charge d'un appareil, ou d'une batterie d'appareils en parallèle. A partir d'une description de l'échangeur (topologie des fluides, définition des ondes, longueurs d'échange des différents circuits,...) et des propriétés thermodynamiques et de transport des fluides, le programme de simulation calcule :

  •   les caractéristiques globales de sortie des courants (température, état physique, pression,...)
  •   les profils de températures des fluides dans chaque passage en fonction de la longueur
  •   les profils de températures des tôles de séparation des passages en fonction de la longueur
  •   la convection de chaleur, réalisée pour des fluides monophasiques ou diphasiques (ébullition et condensation)
  •   les effets de maldistribution des courants dans les séquences d'agencement.


Une description précise et fidèle de l'équipement
ProSec permet à l'utilisateur de décrire l'échangeur en détail, tout en limitant le nombre d'hypothèses. En particulier, ProSec prend en compte les éléments suivants:

  •   la séquence d'agencement des fluides dans les passages et le comportement de chaque passage individuellement
  •   jusqu'à 20 fluides (corps purs ou mélanges) en écoulement co-courant ou contre-courant
  •   les ondes d'échange disponibles en base de données, provenant du constructeur ou fournies par l'utilisateur
  •   les entrées/sorties latérales de courants
  •   les redistributions avec ou sans soutirage et/ou alimentation dans le distributeur intermédiaire
  •   le taux de partage du débit total du courant dans chaque passage

Des algorithmes spécifiquement adaptés
Compte tenu de la complexité de l'équipement, le modèle mathématique de représentation renferme un très grand nombre d'équations de formes très variées. Aussi des stratégies de résolution spécifiques et des méthodes numériques adaptées ont dû être mise en oeuvre afin d'assurer une convergence de la simulation sans essais laborieux.
Ces développements uniques sur les méthodes numériques ont été menés notamment par le LGC dans le cadre de plusieurs thèses consacrées au sujet parmi lesquelles on peut citer :

  •   Hervé PINGAUD : Simulation statique et simulation dynamique des échangeurs à plaques brasées.
  • Thèse de Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Toulouse -1988.
  •   David AVEROUS : Modélisation et simulation des échangeurs de chaleur multifluides à plaques brassées en configuration complexes.
  • Thèse de Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Toulouse - 2000.
  •   Khaled HAMMADI : Analyse expérimentale modélisation et simulation des échangeurs de chaleur à plaques brasées utilisés comme condenseurs à reflux.
  • Thèse de Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Toulouse - 2001

 

 

 

 

Exemples d'application
Calcul des performances thermiques et des pertes de charge d'un appareil sur une unité de distillation d'air
Analyse thermique d'une batterie d'échangeurs en parallèle pour un procédé de liquéfaction de gaz naturel
Simulation dynamique d'un échangeur de chaleur à plaques brasées pour prévoir les contraintes mécaniques

 


Echangeur de chaleur à plaques brasées

Perte de charge frictionnelle

Analyse d'une séquence d'agencement
(Ecart maximum de temp. de paroi)