PERFORMANCE DES AILETTES

Last updated on septembre 22nd, 2023 at 05:07 pm

Les ailettes sont utilisées pour améliorer le transfert de chaleur sur une surface en augmentant la surface de transfert de chaleur.  Pour le transfert de chaleur par convection à partir d’une surface, l’équation directrice est la suivante :

Q=h*A*(Ts-Tinf)

Où Q est le taux de transfert de chaleur d’une surface vers un fluide, h est le coefficient de transfert de chaleur par convection, A est la section de contact entre la surface et le fluide, Ts est la température de la surface, et Tinf est la température du fluide.  

Si l’ajout d’une ailette à une surface plane augmente la surface exposée au fluide (A), tout matériau d’ailette ne présentant pas une conductivité thermique infinie entraîne une chute de température sur la longueur de l’ailette. Cela diminue Ts sur une partie de A. En outre, la présence de l’ailette peut modifier ou perturber l’écoulement du fluide. Ce qui peut diminuer le coefficient de transfert de chaleur par convection (h).  Dans un cas extrême, il est même possible que la présence d’ailettes diminue le transfert de chaleur d’une surface.  Il est donc important de pouvoir évaluer quantitativement les performances de toute ailette proposée.

Mesures des performances de l’ailette

Il existe deux mesures communes pour évaluer la performance des ailettes.  L’efficacité d’une ailette est définie comme le rapport entre la quantité de chaleur qui passe à travers l’ailette et la quantité qui aurait été transférée sans l’ailette :

εf = Qf /(h*Ab*(Ts-Tinf))

Où Qf est le transfert de chaleur réel à travers l’ailette, et Ab est la section occupée par la base de l’ailette.  Bien entendu, il est souhaitable de faire en sorte que l’efficacité de l’ailette soit la plus grande possible.  L’efficacité d’une ailette supérieure à 2 est une règle d’or courante pour ajouter des ailettes à une surface.

Il est utile d’examiner un exemple concret d’efficacité d’une ailette.  Pour le cas particulier d’une ailette de section constante, et en supposant que le coefficient de transfert de chaleur par convection est le même pour les cas avec et sans ailette, et en utilisant le résultat de Qf pour une longueur d’ailette infinie, l’efficacité d’une ailette peut être exprimée par :

εf = (k*P/(h*Ab))^0.5

Où k est la conductivité thermique du matériau de l’ailette, et P est le périmètre de l’ailette entourant la section de l’ailette (qui est Ab, puisque nous parlons d’une ailette de section constante).

Évidemment, dans ce cas, l’efficacité de l’ailette augmente en proportion directe de la conductivité thermique du matériau de l’ailette.  Le coût, la fabricabilité, la durabilité et d’autres considérations sont des éléments importants de la conception. Mais du strict point de vue des performances thermiques, plus la conductivité thermique de l’ailette est élevée, mieux c’est.  

Épaisseur de l’ailette

Il ressort également de cette équation qu’une valeur élevée du rapport P/Ab augmente l’efficacité de l’ailette.  Les ailettes fines sont généralement plus souhaitables que les ailettes épaisses.  Enfin, notez que le coefficient de transfert de chaleur par convection est au dénominateur, ce qui montre pourquoi l’ajout d’ailettes est plus souhaitable lorsque le coefficient de transfert de chaleur est faible, et pour le côté gaz des échangeurs de chaleur gaz-liquide.

La seconde mesure pour évaluer la performance de l’ailette est le rendement de l’ailette.  Elle est définie comme le rapport entre le flux de chaleur réel et le flux thermique maximal possible à travers l’ailette.  

ηf=Qf/Qmax

Où Qmax, le flux thermique maximal possible, se produirait si toute la surface de l’ailette était à la température de la base.  Pour une ailette droite de section uniforme, l’efficacité de l’ailette sera de 1 pour une ailette de longueur nulle (c’est-à-dire sans ailette du tout, donc sans amélioration du transfert de chaleur) et sera de 0 pour une ailette de longueur infinie (c’est-à-dire une ailette avec le potentiel théorique, Qmax, de transfert de chaleur infini).  Les ailettes vraiment utiles se situent entre ces deux extrêmes d’efficacité.

De manière pragmatique, l’efficacité des ailettes peut être calculée à partir d’une analyse du transfert de chaleur d’une configuration particulière des ailettes. Et ensuite tracé en fonction des paramètres de conception de l’ailette.  Le tracé qui en résulte est utilisable dans le processus de conception des ailettes.

Efficacité de l’ailette et rendement de l’ailette

L’efficacité de l’ailette et le rendement de l’ailette sont deux façons très différentes, mais complémentaires, de considérer les performances de l’ailette.  Pour un concepteur d’ailettes, il est important de prendre en compte ces deux indicateurs pour évaluer les attributs thermiques de l’ailette.  Comme mentionné précédemment, de nombreuses considérations non thermiques peuvent influencer fortement la conception finale.  Il s’agit notamment du coût, de la durabilité, de la facilité de fabrication, du poids, de la résistance à l’encrassement, de la compatibilité avec les fluides, et bien d’autres encore.

De plus, l’équilibre entre efficacité et performance devient essentiel lors de la conception d’ailerons, car l’obtention d’une efficacité de transfert de chaleur maximale doit être mise en balance avec diverses contraintes pratiques.

Biographie

 James Stevens est professeur au département d’ingénierie mécanique et aérospatiale de l’université du Colorado à Colorado Springs.  Il est spécialisé dans l’analyse numérique et analytique du transfert de chaleur. Couvrant à la fois les régimes permanents et transitoires avec des applications à l’histoire thermique, à la réponse thermique, au refroidissement électronique, aux profils de température, à la conception thermique, à la détermination du débit thermique, etc. Il travaille également dans le domaine de la thermodynamique appliquée, avec des applications pour les énergies renouvelables, le CVC, les moteurs à air, les nouveaux moteurs thermiques, etc. Il a plus de 30 ans d’expérience dans l’enseignement supérieur, où il a enseigné à des étudiants de premier et de second cycle. Il effectue des recherches, élabore des cours et des programmes d’études et conseille des étudiants.