Essais & Simulations - N° 118

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ESSAIS ET MODÉLISATION dans lequel s’écoule les fluide, une épaisseur de 1 mm devra être retenue. Ces deux ordres de grandeur caractéristiques impliquent directement que l’utilisation de la fabrication additive ne sera pas concurrentielle pour produire à l’identique une pièce chaudronnée. Elle sera plus lourde. C’est donc l’ensemble de l’architecture de l’échangeur et son intégration qui sont à reconcevoir. Le troisième point ayant un impact négatif sur le fonctionnement à long terme de l’échangeur est le post-traitement des surfaces internes afin, notamment, d’éviter tout encrassement anticipé. Pour cela, deux techniques consistant en un traitement chimique ou mécanique des surfaces sont en cours de développement. Il existe également peu d’études publiées sur le comportement en fatigue mécanique et thermomécanique des échangeurs réalisés en additif. Le volume utile des machines de production est pour le moment limité. Une des plus grande machine de type SLM présente un volume de production de 800 * 400 * 500 mm3. Enfin, le prix actuel des pièces produites est un point bloquant à leur industrialisation. Elles restent cependant très abordables en vue de réaliser une preuve de concept. Retour d’expérience de la société Temisth sur l’utilisation de la fabrication additive pour les échangeurs de chaleur En 2015, Temisth a réalisé un échangeur tubes-ailettes par fabrication additive (étude co-financée par BPI France). L’avantage du tube-ailettes pour la fabrication additive est qu’il est autosupporté. Il n’est pas nécessaire d’ajouter des supports pour que la pièce soit imprimable, ce qui retire l’étape d’usinage du processus. Cet échangeur avait pour but de montrer les possibilités de la fabrication additive, d’un point de vue production, mais aussi conception. Plusieurs concepts ont donc été avancés : tubes de formes ovoïdes pour favoriser l’écoulement et les transferts de chaleur, grands axes des ovoïdes orientés selon le sens de l’écoulement, fabrication d’un seul bloc de l’échangeur (faisceau + corps + connectiques) et ajout de déflecteur pour la distribution du fluide dans l’échangeur. Cet échangeur présenté sur la figure 2 est relativement lourd du fait des épaisseurs de parois minimales nécessaires à la fabrication. Cependant, le fait que l’échangeur soit imprimé d’un seul bloc ouvre des perspectives intéressantes en vue d’intégrer directement l’échangeur dans le système à refroidir (ou à chauffer). Dans un futur proche, nous pouvons imaginer, par exemple un bloc moteur imprimé en 3D intégrant directement le radiateur. La fabrication additive polymère offre également un intérêt pour étudier la faisabilité d’un échangeur avant une impression en métal plus coûteuse. La figure 3 montre l’impression en polymère transparent d’un échangeur à plaque Temisth. Après validation de la conception, la pièce a été produite en métal (ici en aluminium). Conception d’un échangeur réalisé par fabrication additive : HX-Plate HX-Plate est un appareil dont le but est d’intégrer la fonction échangeur sur une plaque de support mécanique de quelques millimètres d’épaisseur. L’intégration au système impose de positionner les connectiques de chaque fluide cote à cote (c’est-à-dire que le fluide chaud rentre et sort par le même port de la plaque). Cette configuration amène à ce que les fluides effectuent un retournement complet à l’intérieur de l’échangeur. Nous avons choisi de produire cet échangeur par fabrication additive afin de s’adapter au mieux à son environnement et de pouvoir le modifier à souhait pour l’adapter à d’autres applications. Nous avons travaillé sur les trois aspects suivant afin d’optimiser les performances. En premier lieu, les structures d’intensification. L’augmentation de la densité des structures (ailettes) dans chaque canal va augmenter la surface d’échange, donc la puissance en contrepartie d’une perte de charge additionnelle. Nous avons également étudié l’orientation local des ailettes afin qu’elles suivent localement les lignes de courant, notamment dans la zone de retournement des fluides. Ensuite vient l’aspect lié à la hauteur des canaux ; la hauteur totale de l’échangeur limitée à 9mm et l’épaisseur minimale de paroi étanche due au procédé de fabrication, nous ont amené au choix de deux configurations : a-1 canal chaud et un canal froid de 3mm de hauteur ;b- 1 canal chaud central et 2 canaux froid enveloppant le premier canal de 2mm de hauteur chacun. Nous avons choisi la deuxième configuration. Celle-ci permettait de positionner le fluide chaud au centre et donc de limiter les déperditions vers l’environnement. L’ajout de canaux supplémentaire aurait entraîné des canaux de hauteur trop faible géné- 16 IESSAIS & SIMULATIONS • <strong>N°</strong>128 • Mars-Avril 2017
ESSAIS ET MODÉLISATION rant des pertes de charges trop importantes et risquant de créer des bouchons lors du nettoyage de la pièce après sa production. Enfin, dernier à avoir été pris en compte, celui de la longueur du séparateur imposant le retournement du fluide. Nous constatons que la longueur du séparateur joue un rôle important pour la puissance d’échange et la perte de charge. L’augmentation de la longueur du séparateur va augmenter la longueur du cheminement du fluide pour échanger de la chaleur. Son efficacité sera donc augmentée. En revanche, cela impliquera une augmentation de la perte de charge de l’échangeur. Nous avons choisi un positionnement intermédiaire permettant de concilier échange et perte de pression. Analyse des performances expérimentales et numériques d’un nouveau concept d’échangeur Le dispositif expérimental nous permet de déterminer, en régime permanent, les performances thermiques et hydrauliques de l’échangeur pour différents débits ainsi que les rapports de débit entre canaux. Il permet également de mesurer différentes températures de fonctionnement, et d’enregistrer la cartographie 2D des températures sur une des faces externes de l’échangeur. Le schéma de ce dispositif est présenté en figure 4. Le banc expérimental consiste en deux boucles d’eau distillée fermées et connectées à deux bains thermostatés. Il est équipé d’une chaine d’acquisition mesurant les températures d'entrée et de sortie des fluides dans le canal central et les canaux externes, et les débits massiques associés. On supposera pour le post-traitement que chaque canal périphérique est alimenté par le même débit massique. Les pertes de charge sont également mesurées dans le canal central. Les mesures infrarouges sont réalisées en face arrière de l’échangeur qui a été nettoyée et sur laquelle une couche de peinture acrylique noire a été appliquée pour obtenir une surface ayant une émissivité proche de l’unité. La visualisation et l’enregistrement des champs de ESSAIS & SIMULATIONS • <strong>N°</strong>128 • Mars-Avril 2017 I17
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