Dans la conception d'un échangeur de chaleur à tubes à ailettes, le coefficient de transfert de chaleur entre le fluide à l'extérieur du tube et le fluide à l'intérieur du tube diffère souvent de manière significative. Le coefficient de transfert thermique fait référence à la capacité d'échange thermique par unité de surface et par unité de différence de température (entre le fluide et la paroi). Il s’agit de la mesure de base représentant l’efficacité avec laquelle un fluide échange de la chaleur avec une surface solide.

Pour comprendre cela, examinons les coefficients de transfert de chaleur typiques pour différentes conditions de fluide :

• Condensation d'eau sur un mur : 10 000 - 20 000 W/(m²·℃)
• Eau bouillante sur un mur : 5 000 - 10 000 W/(m²·℃)
• Eau circulant dans un tube : 2 000 - 10 000 W/(m²·℃)
• Air ou gaz de combustion circulant à travers un mur : 20 - 80 W/(m²·℃)
• Air sous convection naturelle : 5 - 10 W/(m²·℃)

Comme le montrent les données, la capacité d’échange thermique varie considérablement en fonction du fluide.

Imaginez maintenant un scénario pratique de transfert de chaleur industriel : à l'intérieur d'un tube nu, de l'eau circule avec un coefficient de transfert de chaleur élevé de 5 000 W/(m²·℃). À l'extérieur du tube, les gaz de combustion s'écoulent avec un coefficient de seulement 50 W/(m²·℃). C'est une différence 100 fois supérieure ! Que la chaleur se déplace de l’intérieur vers l’extérieur ou vice versa, où se trouve le « goulot d’étranglement » ou la résistance thermique dans ce processus ?

La réponse est du côté du gaz. Étant donné que les gaz de combustion ont une très faible capacité de transfert de chaleur, ils limitent considérablement le taux d’échange thermique global.

Nous pouvons comparer cela à la résistance électrique dans un circuit en série : si une résistance est beaucoup plus grande que les autres, elle devient le goulot d'étranglement du courant. La seule façon d’augmenter le courant total est de réduire cette résistance dominante spécifique. Le processus de transfert de chaleur fonctionne exactement de la même manière.

Comment pouvons-nous surmonter ce goulot d’étranglement et obtenir un transfert de chaleur amélioré ? La méthode la plus efficace consiste à utiliser des surfaces étendues côté gaz, c’est-à-dire à utiliser des tubes à ailettes. En ajoutant des ailettes à l'extérieur du tube de base, la surface réelle de transfert de chaleur est multipliée plusieurs fois par rapport à un tube nu. Même si le coefficient de transfert thermique inhérent aux gaz de combustion reste faible, la surface considérablement augmentée le compense. Cela augmente considérablement l'efficacité globale du transfert de chaleur, réduit la consommation de métal de l'équipement et améliore la viabilité économique de l'ensemble du système thermique.