Simulation and improvement of mechanical expansion of tubes in finned-tube coils - Article présenté au Congrès International du Froid, Pékin, Août 2007

Résumé et principaux résultats

Abstract: In finned-tube heat exchangers, the mechanical bond which results from tube expansion constitutes an additional resistance to heat transfer. So far, all investigations on this thermal contact resistance have only focused on its amplitude and the effects of different geometric parameters or materials. Contact thermal resistance is often reported to account for 5-15% of the overall coil heat transfer resistance. Improving contact quality should therefore yield substantial improvement in heat transfer rates - and a reduction in manufacturing costs. Despite these potential gains, there has been no reported work on improving the mechanical expansion process. This paper reports on the progress of a simulation study that aims at better understanding the mechanical expansion process and examine the effects of the most important parameters. The simulations covered all the phases of the coil fabrication process, i.e. the aluminum fin shaping and cutting steps on the press and the expansion of the copper tube. The simulation of the tube and the fin collar plastic deformation enabled the visualisation of the expansion process. The results of the study also show the influence of the different parameters such as the tube dimensions, the shape and dimensions of the expansion tool, etc. The case of grooved tubes was also examined. The simulations on different geometries enabled the identification of the phenomena occurring during the expansion and in particular the deformation of the collar around the tube at the contact interface, which greatly influences thermal contact resistance. These results should be used to improve the manufacture of more efficient and cheaper coils.
Titre : Simulation et amélioration de l'expansion mécanique des tubes dans des batteries de tubes à ailettes
Résumé : Dans les échangeurs de chaleur à tubes à ailettes, la liaison mécanique qui résulte de l'expansion du tube constitue une résistance supplémentaire au transfert de chaleur. Jusqu'à présent, toutes les recherches sur cette résistance thermique de contact ont seulement porté sur son amplitude et les effets de différents paramètres géométriques ou de matériaux. La résistance thermique de contact est souvent présentée comme intervenant pour 5 à 15 % dans la résistance thermique globale d'une batterie à ailettes. L'amélioration de la qualité du contact devrait donc conduire à une amélioration substantielle des taux de transfert de chaleur - ainsi qu'à une réduction des coûts de fabrication. En dépit de ces gains potentiels, on ne connaît pas de travaux publiés sur l'amélioration du processus d'expansion mécanique. Cet article rend compte d'une étude par simulation pour mieux comprendre le processus d'expansion mécanique et examiner les effets des paramètres les plus importants. Les simulations ont porté sur toutes les phases du processus de fabrication de la batterie, à savoir les phases de mise en forme et de découpage des ailettes d'aluminium et la phase d'expansion du tube de cuivre. La simulation de la déformation plastique du tube et du collier de l'ailette déformation a permis de visualiser le processus d' expansion. Les résultats de l'étude montrent également l'influence de différents paramètres tels que les dimensions du tube, la forme et les dimensions de l'outil d'extension, etc ... Le cas des tubes rainurés a également été examiné. Les simulations sur des géométries différentes ont permis l'identification des phénomènes qui se produisent lors de l'expansion, et en particulier la déformation de la bague autour du tube au niveau de l'interface de contact, ce qui influence fortement la résistance thermique de contact. Ces résultats devraient être utiles pour améliorer la fabrication de batteries plus efficaces et moins coûteuses.

Commissions

Machines thermodynamiques

Thème

Echangeurs de chaleur

Mots-clés

Echangeurs, Echangeurs à ailettes

Auteurs

BENSAFI Ahmed