Optimiser les motifs de plaques pour le transfert thermique marin

Soutenu par un atelier de fabrication de 5 000 m² à Nantong et comptant plus de 100 ingénieurs électriciens et mécaniciens, le groupe SME fournit des services à l’industrie offshore et maritime depuis plus de 20 ans, offrant toujours des prestations de haut niveau et parfaitement actualisées dans ce secteur. Nous réalisons plus de 500 interventions annuelles et équipons plus de 1 000 navires chaque année. Ce billet abordera le motif optimal de plaque pour les échangeurs thermiques à plaques, cœur des systèmes marins, et expliquera comment ces motifs optimaux permettent d’atteindre des rendements thermiques et économiques supérieurs, grâce à une meilleure compréhension du contrôle des frottements fluides et du flux thermique dans nos systèmes de refroidissement, de chauffage et de récupération de chaleur résiduelle.

Angle en chevron et compromis entre transfert thermique et chute de pression

Le paramètre géométrique le plus important dans la conception des échangeurs de chaleur à plaques à disposition en chevron (PHE) est l’angle en chevron (ou angle en arête de poisson). Comme toujours, plus cet angle est élevé (par exemple, de 60° à 75°), plus la turbulence générée est importante, ce qui augmente le coefficient de transfert thermique, mais entraîne également une augmentation substantielle de la perte de charge et de la puissance de pompage. À l’inverse, des angles plus faibles (30° à 45°) offrent une résistance hydraulique moindre, mais présentent des performances thermiques réduites. Lorsque des fluides visqueux tels que l’huile lubrifiante sont utilisés dans les applications marines, les échangeurs à plaques simples (SME) ne sont pas couramment employés. À ce jour, les domaines d’application des SME comprennent notamment l’utilisation de conceptions hybrides de plaques — par exemple, des plaques combinées avec un angle élevé pour le circuit eau et un angle plus faible pour le circuit huile, ou des configurations similaires — afin d’obtenir des performances thermiques acceptables sans perte de charge excessive. Cette conception hybride constitue une solution globale optimale sur les plans thermique et hydraulique, ce qui revêt une importance particulière dans les projets de rétrofit et de construction neuve auxquels les SME participent.

Profondeur, pas et rapport d’aspect des ondulations

Outre l’angle, la profondeur des ondulations (h), le pas (P) et le rapport d’aspect (2b/λ) influencent directement les performances. Plus les ondulations sont profondes, plus la surface de transfert thermique augmente et plus elles provoquent la séparation des écoulements, ce qui permet d’améliorer localement le transfert thermique grâce au mélange secondaire. Toutefois, elles augmentent également le facteur de friction, entraînant une chute de pression plus importante. Des études fondées sur la méthode Taguchi appliquée aux réchauffeurs de gaz marins ont permis d’établir une relation optimale : par exemple, pour un diamètre d’ondulation de 6 mm, une profondeur d’ondulation de 1 mm et une inclinaison d’ondulation de 45°, l’indice de performance global (TP) s’est amélioré de 37,41 % par rapport à la conception classique. Ces techniques d’optimisation fondées sur les données sont utilisées par SME afin de définir la géométrie des plaques en fonction des conditions de fonctionnement spécifiques à chaque navire, évitant ainsi de sacrifier les gains de performance thermique à cause de coûts excessifs de pompage.

Motifs asymétriques et modifiés pour des besoins de débit variables

Écoulement côté chaud Dans le procédé d’écoulement côté chaud d’un système marin, on peut tirer parti du fait que son débit massique peut différer sensiblement de celui d’autres systèmes ; par exemple, le débit d’eau chaude peut atteindre plusieurs fois celui d’un robinet d’habitation. Lorsqu’on applique cette approche de façon symétrique à tous les canaux d’écoulement, la chute de pression globale augmente dans le circuit à haut débit, sans toutefois modifier la résistance mécanique ni l’efficacité thermique. Des plaques de canal d’écoulement non uniformes — par exemple une plaque dont la section d’un canal est augmentée, ce qui réduit la profondeur d’emboutissage ou modifie la hauteur des nervures dans ce canal — permettent de réduire les pertes de charge dans ce canal élargi, dans la limite permise par les contraintes mécaniques, tout en conservant une bonne capacité de transfert thermique. En outre, des études récentes ont permis d’atteindre des performances thermo-hydrauliques supérieures avec des plaques en chevrons (rapport > 1 pour les plaques en arête de poisson séparées), où l’effet de renforcement de la turbulence sur la résistance à l’écoulement prédomine. Cette optimisation très avancée est évaluée par les ingénieurs des PME pour des navires confrontés à des scénarios opérationnels très variés, et les solutions à valeur ajoutée proposées permettront aux armateurs de réduire leur consommation énergétique.

Géométries de surface texturée et innovante

Des études menées ces dernières années ont examiné la possibilité de remplacer les motifs traditionnels en arête de poisson par des plaques texturées (à points d’onde) dotées de plaques convexes circulaires. À l’aide d’une optimisation numérique fondée sur la méthode des surfaces de réponse, les paramètres optimaux (diamètre des points d’onde d’environ 5,2 mm, profondeur de 0,9 mm et inclinaison de 42°) permettant d’obtenir un gain maximal de performance (facteur JF) de 11,92 % par rapport aux conceptions conventionnelles en arête de poisson ont été déterminés. Dans cette conception innovante, les géométries sont conçues pour favoriser la turbulence et le développement de la couche limite thermique, tout en maintenant une chute de pression acceptable. SME suit attentivement ces nouvelles avancées et applique, là où cela s’avère pertinent, les innovations éprouvées aux solutions de rétrofit et de construction neuve afin d’aider ses clients à rester conformes aux normes les plus récentes en matière d’efficacité énergétique et d’émissions.

Conclusion : Conception précise des plaques pour l’efficacité maritime

L’optimisation des motifs de plaques n’est pas une procédure opérationnelle standard et exige une étude détaillée des propriétés des fluides, des débits, des chutes de pression admissibles et de la puissance thermique requise. SME Group est certifié ISO 9001/14001/45001 et met à disposition plus de vingt ans d’expérience dans le domaine du transfert thermique maritime pour chaque projet. Notre réseau local garantit une réactivité rapide dans les chantiers navals du monde entier, notamment en Chine continentale, afin que vos échangeurs de chaleur fonctionnent à leur rendement optimal. SME vous offre une garantie de douze mois ainsi qu’une volonté allant au-delà de la simple prise en compte ou dépassement de vos attentes : celle de vous faire réaliser encore davantage d’économies d’énergie, grâce à son expertise en optimisation des motifs de plaques pour des économies d’énergie mesurables. Contactez dès aujourd’hui nos experts techniques pour discuter des besoins spécifiques en chauffage de votre navire.