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AVERTISSEMENT
Ce document est le fruit d'un long travail approuv par le jury
de soutenance et mis disposition de l'ensemble de la communaut
universitaire largie. Il est soumis la proprit intellectuelle de
l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de
rfrencement lors de lutilisation de ce document. D'autre part,
toute contrefaon, plagiat, reproduction illicite encourt une
poursuite pnale. Contact : [email protected]
LIENS Code de la Proprit Intellectuelle. articles L 122. 4 Code
de la Proprit Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
-
INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE cole doctorale
RP2E
Ressources, Procds, Produits, Environnement
Laboratoire Ractions et Gnie des Procds
THSE Prsente et soutenue publiquement le 24 Janvier 2012
par
Selma Ben SAAD
pour lobtention du grade de
Docteur de lINPL Spcialit : Gnie des procds
Etude exprimentale et numrique des
coulements diphasiques
et du diagnostic des changeurs
industriels plaques et ondes
Rapporteurs : Laurent PRAT Matre de confrences HDR, Toulouse
Louns TADRIST Professeur des Universits, Marseille
Examinateurs : Patrice CLEMENT Chercheur-Ingnieur CEA,
Grenoble
Caroline GENTRIC Professeur des Universits, Saint-Nazaire
Christian JALLUT Professeur des Universits, Lyon
Jean-Pierre LECLERC Directeur de recherche CNRS, Nancy
Membre invit : Sylvie RIOU Ingnieur expert ADEME
-
Aux meilleurs parents du monde Abdelwaheb et Sghaira,
A mes frres Beji et Bchir,
A mes surs Raja et Sana,
Et ma petite adorable Sarra
Things should be as simple as possible, but not simpler A
Einstein
-
REMERCIEMENTS
Ce travail a t ralis au Commissariat lEnergie Atomique et aux
Energies Alternatives
Grenoble (CEA Grenoble) dans le laboratoire des systmes
thermiques (LETH). Il a t financ et
suivi par lAgence De lEnvironnement et de la Maitrise de
lEnergie (ADEME).
Tout dabord, je remercie mes directeurs de thse et mes
encadrants CEA pour leurs qualits
personnelles et les apports professionnels varis et
complmentaires. Comme je le dis souvent, jai t,
durant ces trois annes de thse, extrmement bien entoure, puisque
jai eu la chance de bnficier du
soutien, de lexprience et des conseils de quatre encadrants.
Merci Jean Pierre Leclerc de mavoir
accord son soutien et ses larges connaissances dans le domaine
des traceurs, et qui marrte chaque
fois pour ne pas aller vite. Je remercie Caroline Gentric pour
ses bonnes connaissances en mcanique
des fluides et en CFD et Patrice Clment grce lui et la richesse
de ses connaissances exprimentales
jai appris la patience et le got pour les tudes exprimentales.
Je tiens remercier galement Jean
Franois Fourmigu pour tous ses apports en mcanique des fluides
et en CFD et le temps quil ma
accord pour rpondre mes nombreuses questions. Je crois que
lexprience de tout mes encadrants a
t contagieuse, puisque je suis moi mme devenue la fin
perfectionniste en domaine exprimentale
et numriques des changeurs de chaleur.
Je tiens remercier tous les membres du Jury, Christian Jallut
professeur luniversit de
Lyon, Lounes Tadrist professeur luniversit de Marseille et
Laurent Prat matre de confrences
HDR luniversit de Toulouse, pour lintrt quils ont apport ma
thse, pour leurs prcieuses
remarques et toutes les discussions intressantes quils ont
amenes.
Je remercie galement tous les ingnieurs ADEME qui ont suivi le
droulement des travaux de
ma thse, Cdric Garnier, Hlne Rivire-Kaluc, et Sylvie Riou pour
le grand intrt quils ont apport
ce projet,
Je remercie galement lindustriel Fives Cryognie qui a mis
disposition les sections dessais
sur linstallation exprimentale FIVE, ainsi que son ingnieur
charg de R&D Gatan Bergin qui ma
aid par sa connaissance de la problmatique industrielle de la
thse ainsi que par son exigence dans la
reprsentativit de nos essais.
-
Merci toute lquipe du LETH et celle du laboratoire LRGP
(Laboratoire Ractions et de
Gnie des Procds) Nancy, pour la bonne ambiance et tous les
moments partags. Plus
particulirement, merci Jrme Bentivoglio de mavoir aid tout le
long de la thse dans la mise au
point de la section dessais et surtout pour les nombreux
montages et dmontages.
Pour cette thse, je dois beaucoup mes parents, mes frres et surs
avec qui jai vcu dans un
climat toujours serein et labri de tout souci affectif.
-
Table des matires
7
TABLE DES MATIERES
Nomenclature
..........................................................................................................................
12
Chapitre 1: Introduction: contexte industriel et
scientifique
I. Contexte industriel de ltude
.........................................................................................
17
1 Prsentation : changeurs plaques et ondes
......................................................................
17
2 Problmatique de la distribution des phases dans les changeurs
de chaleur .................. 20
3 Outils danalyse
......................................................................................................................
22 3.1 Approche exprimentale
....................................................................................................................
22 3.2 Traage dcoulements
......................................................................................................................
22 3.3 Approche numrique
..........................................................................................................................
23 3.4 Conclusion
.........................................................................................................................................
23
II. Objectifs des travaux et plan de la thse
.........................................................................
24
Rfrences
................................................................................................................................
27
Chapitre 2: Dispositif exprimental et mthodes de calcul
I. Introduction
.....................................................................................................................
31
II. Dispositif exprimental
....................................................................................................
32
1 Ralisation de la boucle FIVE (Flow In Visualisation Exchanger)
.................................... 32
2 Les installations dentre des deux fluides
...........................................................................
34
3 Alimentation des fluides
.........................................................................................................
34
4 Distributeur de la phase liquide
............................................................................................
36
5 Profil de distribution diphasique
.........................................................................................
37
6 Ailettes plates et dcales
.......................................................................................................
38
7 Calandre
..................................................................................................................................
39
8 Le collecteur des deux phases
................................................................................................
40
III. Instrumentations
.............................................................................................................
40
1 Dbitmtres
.............................................................................................................................
40
2 Capteurs de pression
..............................................................................................................
41
IV. Techniques de mesures
...............................................................................................
43
1 Unit dacquisition
.................................................................................................................
43
2 Dispositif exprimental pour ltude hydrodynamique
...................................................... 43
3 Systme de visualisation
.........................................................................................................
44 3.1 Dispositif de la camra rapide
............................................................................................................
44 3.2 Mthode dutilisation du dispositif
....................................................................................................
45 3.3 Positionnement sur le canal dchangeur
...........................................................................................
45
4 Systme de Traage de la phase liquide
...............................................................................
46
-
Table des matires
8
4.1 Choix de la mthode : Mesure de la DTS du liquide par
conductimtrie........................................... 46 4.2
Mise au point de la mthodologie du traage
.....................................................................................
47
5 Grille dessais
..........................................................................................................................
48
V. Calcul sur les grandeurs mesures
.................................................................................
49
1 Incertitudes de mesures
.........................................................................................................
49
2 Incertitude dtalonnage
........................................................................................................
49
3 Mesure dincertitudes globales
..............................................................................................
49
VI. Simulation numrique
.................................................................................................
50
1 Introduction
............................................................................................................................
50
2 Logiciel Fluent
........................................................................................................................
50
3 Modles de turbulence
...........................................................................................................
51 3.1 Modle k standard
.........................................................................................................................
51
3.1.1 Modlisation de la viscosit turbulente
....................................................................................
51 3.1.2 Equations de transport
..............................................................................................................
52 3.1.3 Les constantes du modle
.........................................................................................................
53
3.2 Modle k- SST (Shear Stress transport)
.........................................................................................
53 3.2.1 Equations de transport
..............................................................................................................
53 3.2.2 Modlisation de la diffusivit effective
....................................................................................
53 3.2.3 Modlisation de la dissipation de turbulence
............................................................................
54
3.3 Traitement de la rgion proche de la paroi
.........................................................................................
55
4 Critre de convergence
..........................................................................................................
56
Conclusion
...............................................................................................................................
56
Rfrences
................................................................................................................................
58
Chapitre 3: Rgimes et instabilits dcoulements
Introduction
.............................................................................................................................
61
I. Rgimes et carte dcoulement
........................................................................................
61
1 Bibliographie sur les coulements diphasiques
....................................................................
61 1.1 Rgimes dcoulements dans un canal vertical
.................................................................................
61 1.2 Effet des proprits physiques des fluides sur les transitions
entre rgimes ...................................... 63 1.3
Caractristiques de lcoulement diphasique avec change de
chaleur.............................................. 64
2 Rsultats et discussions
..........................................................................................................
66 2.1 Rgimes dcoulement
.......................................................................................................................
66 2.2 Carte et rgimes dcoulement
...........................................................................................................
67
II. Instabilits dcoulements
...............................................................................................
69
1 Introduction
............................................................................................................................
69
2 Bibliographie sur les instabilits dcoulement
...................................................................
70
3 Rsultats et discussions
..........................................................................................................
74 3.1 Oscillation des bulles
.........................................................................................................................
74 3.2 Fluctuations de pression
.....................................................................................................................
75 3.3 Transforme de Fourier du signal de pression
...................................................................................
75
Conclusions
.............................................................................................................................
76
Rfrences
................................................................................................................................
78
-
Table des matires
9
Chapitre 4: Etude des pertes de charges et de la distribution
des phases
I. Caractrisation des pertes de charges en simple phase des
ondes serrated ............ 81
1 Pertes de charges dans les gomtries de type onde serrated
............................................. 81
2 Calcul des pertes de charge par une approche mcanique des
fluides numrique .......... 83 2.1 Domaine de calcul
..............................................................................................................................
84 2.2 Conditions aux limites
.......................................................................................................................
85 2.3 Etude de linfluence du maillage
........................................................................................................
86
3 Rsultats et discussion
............................................................................................................
88 3.1 Ecoulement dans les ondes serrated
.............................................................................................
88
3.1.1 Circulation des fluides entre les ondes
.....................................................................................
88 3.1.2 Etablissement de lcoulement
.................................................................................................
90
3.2 Calcul du facteur de friction
...............................................................................................................
91 3.3 Corrlation propose pour le coefficient de frottement
exprimental ................................................ 94 3.4
Comparaison des rsultats avec des corrlations de la littrature
...................................................... 95
4 Commentaires et conclusions
................................................................................................
96
II. Etude de la distribution des phases dans lchangeur compact
plaques parallles .. 97
1 Distribution des phases dans les changeurs : tat de lart
................................................ 97
2 Rsultats et discussions
..........................................................................................................
99 2.1 Distribution en simple phase
..............................................................................................................
99
2.1.1 Distribution des dbits
..............................................................................................................
99 2.1.2 Effet des pertes de charge sur la distribution en simple
phase ................................................ 100
2.2 Distribution diphasique avec deux profils de distribution
.............................................................. 101
2.2.1 Calcul du degr duniformit de la distribution diphasique
.................................................... 101 2.2.2
Calcul des vitesses superficielles des deux phases
.................................................................
102 2.2.3 Alimentation des deux fluides en cts opposs
....................................................................
103 2.2.4 Alimentation des deux fluides du mme ct
.........................................................................
106 2.2.5 Effet des pertes de charge sur la distribution diphasique
(cas dalimentation en co-courant) 109 2.2.6 Alimentation du mme ct
en inversant les entres des deux fluides
................................... 112 2.2.7 Effet de la pression
constante la sortie sur la distribution des phases Psortie=0
.................... 116 2.2.8 Essais diphasiques avec mme V2 que
des mlanges dhydrocarbures ............................... 117
2.2.9 Effet de la pression lentre P entre=0
................................................................................
118
Commentaires et conclusions
...............................................................................................
118
Rfrences
..............................................................................................................................
120
Chapitre 5: Simulations numriques de lcoulement dans le
distributeur
Introduction
...........................................................................................................................
125
I. Etat de lart
....................................................................................................................
126
II. Conditions des simulations numriques
.......................................................................
130
1 Modle de calcul
...................................................................................................................
130 1.1 Equations du modle
........................................................................................................................
131
2 Interpolation prs de linterface
.........................................................................................
133
3 Maillage et conditions aux limites
.......................................................................................
134 3.1 Maillage
...........................................................................................................................................
134 3.2 Conditions au limites
.......................................................................................................................
136
III. Rsultats et discussions
.................................................................................................
137
-
Table des matires
10
1 Simulation du distributeur complet
....................................................................................
137 1.1 Distribution simple phase gaz
..........................................................................................................
137 1.2 Distribution diphasique
....................................................................................................................
137
2 Simulation dun seul canal
...................................................................................................
141 2.1 Maillage dun seul canal
..................................................................................................................
141 2.2 Conditions aux limites
.....................................................................................................................
143 2.3 Effets de langle de contact simul
..................................................................................................
144 2.4 Effet des proprits physiques
.........................................................................................................
147 2.5 Comparaison des rgimes dcoulement avec les expriences
........................................................ 149 2.6
Carte de rgimes dcoulement
........................................................................................................
152 2.7 Longueur et vitesse des bulles
..........................................................................................................
153
Conclusions et perspectives
...................................................................................................
154
Rfrences
..............................................................................................................................
156
Chapitre 6: Diagnostic de lchangeur de chaleur
Introduction
...........................................................................................................................
161
I. Le traage
......................................................................................................................
161
1 Caractrisation hydrodynamique et dtermination de la
Distribution des temps de sjour
dans la phase liquide
.....................................................................................................................
162
2 Les dfauts de fonctionnement dun changeur
................................................................
163
3 tat de lart
...........................................................................................................................
164 3.1 Les mthodes de traage
..................................................................................................................
164 3.2 Application la dtection des dfauts dans un changeur
...............................................................
167
II. Etude exprimentale avec et sans dfauts
....................................................................
168
1 Mise en uvre de la mthode de traage
............................................................................
169
2 Gomtrie et position des dfauts
.......................................................................................
170
3 Originalit du travail et en particulier des mthodes de
dtection envisages ............... 173
4 Conditions opratoires et limitation du nombre dexpriences
....................................... 175
5 Essais prliminaires et limites de la
mthode.....................................................................
177 5.1 Reproductibilit des essais
...............................................................................................................
177 5.2 Dpt ventuel de sel sur les lectrodes
...........................................................................................
177 5.3 Frquence denregistrement du
signal..............................................................................................
178 5.4 Dtection du type dinjection lentre
...........................................................................................
178
III. Mthode de traitement et filtrage des signaux
.............................................................
179
1 Type de signal et approche standard
..................................................................................
180
2 Algorithme du filtre du signal
.............................................................................................
181
IV. Rsultats et discussions
.............................................................................................
187
1 Signaux caractristiques des structures dcoulement diphasique
.................................. 187 1.1 Signaux caractrisant un
rgime bulles
.........................................................................................
188 1.2 Signaux caractrisant un rgime poches
........................................................................................
188 1.3 Signaux caractrisant un rgime agit
..............................................................................................
189
2 Dtection des dfauts
............................................................................................................
190 2.1 Dtection du dfaut pour un coulement simple phase
....................................................................
191
2.1.1 Cas dbit deau 2.4 m3/h, dfaut droite
................................................................................
191 2.1.2 Cas dbit deau 2.4 m3/h, dfaut au milieu
.............................................................................
193
-
Table des matires
11
2.1.3 Cas dbit deau 2.4 m3/h, dfaut gauche
..............................................................................
196 2.1.4 Effet de la position du dfaut sur les rponses
........................................................................
197 2.1.5 Conclusion
..............................................................................................................................
199
2.2 Dtection des dfauts en double phase
.............................................................................................
199 2.2.1 Cas de rfrence : faible dbit deau et dbit dair
moyen...................................................... 199
2.3 Effet de lalimentation des fluides sur la dtection des
dfauts .......................................................
202
3 Distribution du taux de vide
................................................................................................
206
Conclusion
..........................................................................................................................
208
Rfrences
..........................................................................................................................
210
Annexes
Annexe 1: Schma de principe de lchangeur
....................................................................
223
Annexe 2: Schma de principe du collecteur
.......................................................................
224
Annexe 3: Diffrentes corrlations de f et j dans la littrature
.......................................... 225
Annexe 4: Rpartition des pertes de charges le long de lchangeur
(alimentation en cots
opposs)
..................................................................................................................................
227
Annexe 5: Rponses Qeau=3.5 m3/h, Qair=13.4m3/h (alimentation
contre-courant)
(dfaut droite)
.....................................................................................................................
229
Annexe 6: Rponses Qeau=3.5 m3/h, Qair=13.4m3/h (alimentation
co-courant) (dfaut
droite)
.....................................................................................................................................
230
-
12
NOMENCLATURE
Caractres latins
C Concentration mol.m-3
Cp Chaleur spcifique kJ.kg-1
.K-1
dh Diamtre hydraulique mm
Dh Diamtre hydraulique mm
d Distance m
FFT Transformation de Fourier -
F Force de surface kgm-2
s-2
f Coefficient de frottement -
k Energie cintique turbulente -
g Acclration de la pesanteur m.s-2
h Hauteur de londe mm
l Largeur de londe mm
L Longeur de Londe mm
m Dbit massique kg.h-1
m Dbit massique surfacique kg.m-2.s-1 NSTD Paramtre de dviation
standard normalis -
N Nombre de zones -
P Pression Pa
Q Dbit volumique m3.h
-1
Q Dbit volumique m3.h
-1
r Rayon m
S Section de passage entre ondes m2
s Espacement entre ondes mm
s Dispersion -
STD Paramtre de dviation standard -
t Temps s
t Temps de sjour moyen s U Vecteur vitesse m.s
-1
U Tension V
u Vitesse m.s-1
V Vitesse m.s-1
Vs Vitesse superficielle m.s-1
w paroi -
y+ distance adimensionnelle la paroi -
x longueur m
Caractres Grecs
k Fraction volumique de la phase k -
h
s -
Tension de surface N.m-1
Viscosit cinmatique m2.s
-1
Masse volumique kg.m-3
-
Table des matires
13
Temps de sjour s
Dissipation de lnergie cintique turbulente m2.s
-3
Variation -
Dissipation spcifique s-1
Viscosit dynamique kg.m-1
.s-1
Angle de contact
l
e -
s
e -
cond Conductivit s.m-1
w Cisaillement la paroi kg.m-1
.s-1
Indices et exposant
a avance
A acclration
e entre
f frottement
F friction
g gaz
G gravit
k gaz ou liquide
i zones (1 to 7)
l liquide
L Longitudinale
r recule
t total
T transpos
t turbulent
10% pourcentage bouchage
Eau
Air
Nombres adimensionnels
D
luPe
.
Nombre de Peclet (rapport du transfert de masse par convection
et du
transfert de masse par dispersion)
du..Re Nombre de Reynolds (rapport des forces d'inertie et des
forces de viscosit)
-
14
-
15
CHAPITRE 1: INTRODUCTION:
CONTEXTE INDUSTRIEL ET
SCIENTIFIQUE
Ce chapitre dcrit le contexte de cette tude, les objectifs
scientifiques, et
le contenu des chapitres suivants. Les changeurs plaques et
ailettes ainsi
que les diffrents types dailettes sont dcrits. Les problmes
de
distributions des fluides et de dfauts rencontrs dans les
changeurs sont
prsents sur la base dun bilan bibliographique. Trois thmes
sont
abords : les mesures exprimentales de caractrisation de
lcoulement, la
modlisation par la mcanique des fluides numrique et le traage.
Ils
serviront de base pour la conduite de cette thse.
-
16
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
17
I. Contexte industriel de ltude
Les changeurs thermiques sont indispensables dans de trs
nombreux domaines
industriels : chauffage et froid, ptrochimie, chimie,
distillerie, agroalimentaire, papeterie,
automobile, ...
Pour ces divers types d'changeurs, l'change thermique se fait
gnralement entre
deux fluides distincts (Figure 1- 1).
Figure 1- 1 : Principe de lchangeur thermique
les changeurs thermiques doivent prsenter une grande surface
d'change de
chaleur sous un volume externe le plus rduit possible. Il existe
diffrents types
dchangeurs de chaleur :
- les changeurs tubes et calandre (tubes lisses ou ailettes)
;
- les changeurs plaques corrugues (brass, ou avec des joints
pour permettre
leur dmontage) ;
- les changeurs plaques et ondes qui font lobjet de cette
thse.
1 Prsentation : changeurs plaques et ondes
Industriellement, lassemblage de lchangeur est ralis par brasage
sous vide. Un
exemple dchangeur plaques et ondes (ou ailettes) bras est montr
Figure 1- 2. Ces
changeurs thermiques sont frquemment utiliss dans les industries
de procds
cryogniques, dans l'automobile, l'arospatiale et les industries
chimiques depuis plus de
quarante ans (Averous et al, 1999).
Fluide (2)
Fluide (1)
Paroi
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
18
Ils sont utiliss pour diffrentes applications :
- sparation des gaz de lair, sparation de H2 et CO2
- sparation dhydrocarbures,
- liqufaction de gaz naturel,
- liqufaction de gaz industriels (oxygne, azote, argon, hlium,
etc...).
(Des exemples dapplication sont dcrits dans le site web de la
socit Fives Cryo
www.fivesgroup.com)
Leur avantage est de fournir une surface dchange importante dans
un faible volume
(jusqu 2000 m2/m
3). Ils offrent une possibilit dintgration de procds (jusqu' 20
fluides
circulant simultanment dans un seul changeur) (cf. Figure 1- 2),
dans une large gamme de
dimensions et sont particulirement bien adapts aux procds qui
exigent un transfert
thermique important sous un faible cart de temprature (1 2C ou
mme moins) entre les
fluides chauds et froids.
Figure 1- 2 : Schma de principe dun changeur plaques et ondes
industriel
(www.chartvip.com)
Le coefficient de transfert global dans ce type dchangeur est
fonction des facteurs de
convection et de conduction associs aux deux fluides et au
solide intermdiaire, de
http://www.fivesgroup.com/
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
19
lutilisation potentielle des ailettes sur les deux cts et des
effets de lencrassement de la
surface en fonction du temps (Figure 1- 3).
Figure 1- 3 : Structuration intrieure dun changeur plaques et
ondes
Fives Cryo, filiale de Fives, et Chart Energy & Chemicals
compte parmi les leaders
mondiaux dans la conception, le brasage et la fabrication
d'changeurs de chaleur en
aluminium. Ces changeurs sont principalement utiliss basse
temprature dans les
applications cryogniques. Ils sont construits en aluminium pour
rsister de trs basses
tempratures jusqu -268 et de trs hautes pressions (1750 psi/120
bar et plus).
Les changeurs de chaleur en aluminium sont compacts et lgers et
prsentent jusqu
2000 m2/m
3 de surface dchange par unit de volume, ce qui est six dix fois
plus important
que celle dun changeur de chaleur tubes et calandre. Cette
caractristique, associe aux
performances de transfert thermique amliores par les ailettes
entraine des performances
vingt fois plus grandes compares celles de lchangeur tubes et
calandre. En plus, ces
changeurs coutent environ 25-50% de moins et psent 95% de moins
que lacier inoxydable
de lchangeur tubes et calandre.
Diffrents types d'ailettes sont utiliss suivant les applications
(Figure 1- 4). Les ailettes
dcales (ou ondes serrated ) et les ailettes herringbone
fournissent la plus grande surface
dchange et de meilleures performances. Elles sont
particulirement adaptes pour des
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
20
applications impliquant de faibles diffrences de temprature.
Lorsque les pertes de pression
sont plus critiques, les ailettes droites et perfores peuvent
tre utilises.
Droite
Une plaque de mtal
avec des ailettes
ondules angle droit
avec les plaques.
Perfore
une onde droite
construite avec des
perforations du mtal.
Herringbone
Fabriqu en dplaant
les ailettes sur le ct
intervalles rguliers
pour produire un effet
de zig-zag
Serrated
Fabriqu par pliage et
dcoupage
simultanment des
sections alternes
d'ailettes.
Figure 1- 4 : Diffrents types dailettes
Ces changeurs plaques et ondes prsentent de grandes
performances, mais les
problmes majeurs dans ces changeurs sont la manire de distribuer
les phases lintrieur et
lapparition de diffrents dfauts comme lencrassement et la
dformation de ces ailettes, qui
peuvent rduire leurs performances thermohydrauliques. Il est
donc ncessaire de maitriser
cette distribution et de savoir dtecter ces dfauts pour ne pas
perdre en performances. Ces
problmes de distribution seront dtaills dans le prochain
paragraphe.
2 Problmatique de la distribution des phases dans les changeurs
de
chaleur
Dans tous les cas, un coulement non uniforme dans les canaux
conduit la rduction des
performances du procd (Sheik Ismail, 2010). Plus particulirement
en coulement
diphasique, une mauvaise rpartition de phases conduit
d'importantes diminutions de
l'efficacit des changeurs de chaleur NUT (Nombre dUnit de
Transfert) lev Mueller et
Chiou (1988), soit environ 7% pour les condenseurs, et jusqu'
25% pour les changeurs
coulement crois Lalot et al. (1999).
De nombreux auteurs ont tudi linfluence de la distribution sur
les performances des
changeurs plaques et ailettes. Kitto et Robertson (1989)
fournissent un bon rsum de
linfluence de la mauvaise rpartition de dbit dans les changeurs
de chaleur et indiquent que
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
21
le problme est plus grave dans les coulements diphasiques, par
exemple des vaporateurs,
condenseurs, absorbeurs, bouilleurs, etc.
Li et al. (2006) ont utilis la technique de l'imagerie par
vlocimtrie par image de
particules (PIV) pour tudier les caractristiques de l'coulement
dans la rgion d'entre d'un
changeur de chaleur plaques ailettes.
Bobbill et al. (2006) ont dvelopp un modle mathmatique gnralis
pour tudier
l'effet de la mauvaise rpartition des phases sur la condensation
dans un changeur de chaleur
plaques.
Zhang et al. (2004) et Jiao et al. (2003) ont tudi
exprimentalement la mauvaise
rpartition des phases provoque par les dfauts dans la
configuration d'entre et ont soulign
la ncessit d'une conception correcte du distributeur.
Zhang et Yanzhong (2003) ont tudi la non uniformit de dbit dans
un changeur de
chaleur plaques ailettes par des simulations de mcanique des
fluides numriques. Bas
sur les rsultats de ces simulations, deux ttes modifies avec un
distributeur deux-tages
ont t proposes pour rduire la non-uniformit du dbit. Ils ont
prouv que la distribution du
dbit de fluide dans un changeur de chaleur plaques ailettes
(PFHE) est plus homogne si
les diamtres de sortie et dentre des deux ttes sont gaux. Anjun
et al. (2003) ont introduit
le concept d'installation dun deuxime distributeur. Il y a
plusieurs phnomnes physiques
couramment rencontrs dans lindustrie et qui perturbent la
distribution des phases dans les
changeurs en diphasique :
une sparation gravitaire entre les passes d'changeurs
multipasses perturbant la
redistribution des phases ;
des poches de gaz incondensable piges dans les condenseurs ;
le bouchage partiel des canaux, suite par exemple un dpt solide
;
un court-circuit entre l'entre et la sortie des appareils de
grand volume ;
une circulation contre sens ou un blocage du dbit dans une
partie des canaux du
faisceau lorsque lappareil comporte un grand nombre de canaux en
parallle.
Un objectif important de ce travail est de caractriser la
distribution des phases et les
pertes de charges dues la gomtrie du distributeur, puis
linfluence des dfauts sur
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
22
lcoulement. Les tudes sur la distribution de phases dans les
changeurs plaques et ondes
ont t principalement limites l'coulement sans considrer l'effet
des dfauts qui peuvent
apparaitre au cours de la vie de lappareil.
3 Outils danalyse
3.1 Approche exprimentale
Une premire approche pour ltude des problmes de distribution
consiste reproduire
sur une installation exprimentale les phnomnes qui se produisent
sur les appareils
industriels pour les observer et tester des solutions
technologiques. Lavantage est de pouvoir
utiliser une maquette transparente et donc de bnficier de lappui
de techniques
exprimentales optiques (camra rapide, PIV, LDA, traage color)
couples des
mesures externes (rpartition des dbits, pertes de charges.)
Ainsi une partie du travail exprimental de la thse a consist
raliser une section
dessais reprsentative dun changeur plaques avec sa zone de
distribution. Linfluence de
plusieurs paramtres gomtriques (le distributeur, lalimentation
des fluides) ou fonctionnels
(vitesses superficielles, pression) a t teste. En plus des
mesures externes lutilisation dune
camra rapide a permis une visualisation dtaille de
lcoulement.
3.2 Traage dcoulements
Ces diffrents phnomnes peuvent tre mis en vidence et quantifis
en utilisant une
technique de traage des diffrentes phases. Le traceur est inject
l'entre de l'appareil sous
forme d'une impulsion de concentration. Une mesure en continu de
la concentration en sortie
donne la Distribution des Temps de Sjour (DTS) du traceur dans
l'appareil, image de
"l'histoire" du fluide dans l'appareil.
Cette utilisation de traceurs, bien connue dans le domaine du
Gnie de Procds pour
caractriser les racteurs, a t utilise et qualifie pour le cas
dun changeur tubes et
calandre sans changement de phase par Albaric (2002). Il a
utilis deux approches
exprimentale et numrique laide du code de mcanique des fluides
Fluent pour
dtecter et diagnostiquer lapparition dun mauvais fonctionnement
hydrodynamique de
lchangeur.
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
23
Une tude exprimentale sur un tube parcouru par un coulement
gaz-liquide avec ou sans
changement de phase, ralise dans le cadre de la thse de Oriol
(2006), a rcemment
confirm que les cellules optiques utilises pour valuer la
concentration en colorant de
lcoulement diphasique taient galement sensibles la topologie de
cet coulement. Ces
travaux ont galement fait lobjet de publications (Oriol et al.
(2007), Oriol et al. (2008)) et
un brevet a t dpos (Clment et al. (2006)).
Ces travaux exploratoires, mettant en uvre des techniques
innovantes de traage en
coulement diphasique par colorant et de cellules optiques ou par
des traceurs radioactifs, ont
montr tout le potentiel du traage y compris dans lapplication
aux appareils avec
changement de phase, que ce soit du liquide vers sa vapeur
(vaporateurs) ou inversement
(condenseurs).
3.3 Approche numrique
Un autre travail de thse, ralis au CEA / GRETh-LETh par Ahmad
(2007), traite du
phnomne de mal-distribution des coulements, en rgime diphasique,
lentre des
vaporateurs de cycles thermodynamiques : les solutions
technologiques apportes par les
industriels sont bases sur lajout dlments gomtriques dans la
tubulure dentre, mais
elles sont trs empiriques. La dmarche propose consistait
apporter des connaissances sur
le comportement des coulements diphasiques dans les collecteurs
dentre des vaporateurs
de cycles compression de vapeur. Le travail de modlisation sest
appuy sur les logiciels
Fluent et Neptune, et deux types dcoulement ont t traits, les
coulements stratifis et les
coulements jets fragments. Les potentialits et la prcision des
logiciels pour dcrire les
phnomnes physiques ont t values. Pour le cas des coulements
phase spares, la
simulation a montr un bon accord avec les observations. Pour le
cas des coulements
fragments, des modlisations ont t proposes pour la dtermination
de l'aire interfaciale, et
pour le taux de fragmentation du jet l'impact sur la paroi. Ce
travail fait galement lobjet
dune publication (Ahmad et al. 2007).
3.4 Conclusion
Le travail prsent dans ce document est une application de ces
diffrentes mthodes
une gomtrie plus complexe dchangeur compact pour ltude de la
distribution dun
mlange gaz-liquide. Ce travail sappuie sur les mthodes dveloppes
dans le cadre par trois
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
24
autres thses, cites prcdemment, et ralises en partenariat avec
lADEME. Laspect multi
chelle et multi moyens dessais et des outils numriques sera donc
utilis pour cette tude.
II. Objectifs des travaux et plan de la thse
Notre objectif est donc permettre la comprhension des coulements
diphasiques
complexes dans un changeur plaques et ailettes. Trois approches
sont utilises dans cette
tude : mesures exprimentales de lcoulement, simulations
numriques et traage.
Cette thse a t finance principalement par lAgence De
lEnvironnement et de Maitrise
de lEnergie (ADEME) et a t ralise, en partie, dans le cadre dun
partenariat avec
lindustriel Fives Cryo (anciennement Nordon Cryognie) dans un
projet de diagnostic
dchangeurs de chaleur.
Premirement, une tude exprimentale est ralise pour qualifier la
distribution
monophasique et diphasique, ainsi que pour identifier les
paramtres influant sur cette
distribution.
Deuximement, des simulations laide de Fluent sont utilises pour
dterminer la
rpartition des phases la sortie du distributeur situ en amont
dun changeur de dimensions
quasi-industrielle. Les simulations avec la mthode de suivi
dinterface dun seul point
dentre du distributeur constitue une premire tape ncessaire vers
la simulation de tout le
systme complexe du distributeur, reprsentatif dune gomtrie
industrielle. Dans ce cadre,
les effets des vitesses superficielles des phases lentre sur les
types de rgimes
dcoulements sont examins. Par ailleurs, une comparaison entre
les rgimes tablis
numriquement et les rgimes exprimentaux vus laide dun systme de
camra rapide est
effectue.
Troisimement, l'utilisation du traage et la dtermination de la
Distribution des Temps de
Sjours afin de caractriser les coulements diphasiques dans cet
changeur doivent permettre
de dterminer les diffrents dfauts, leurs amplitudes et leurs
localisations. Cette utilisation
dans des changeurs, afin d'en tirer des grandeurs
caractristiques locales, est plutt nouvelle,
et son application des coulements diphasiques pourrait fournir
des rponses exprimentales
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
25
sur loptimisation de la distribution dcoulements dans des
gomtries complexes comme les
changeurs compacts o les coulements sont bi ou
tridimensionnels.
Le manuscrit est organis comme suit :
Le chapitre 1 dcrit le contexte de ltude et les objectifs du
prsent travail.
Le chapitre 2 dcrit le dispositif exprimental ainsi que les
instruments de mesures utiliss
pour raliser les expriences sur un changeur plaques et ailettes.
Ensuite, les bases de la
simulation numrique sont prsentes : les quations de
Navier-Stokes, les modles de
turbulence et les conditions aux parois.
Dans le chapitre 3, une carte dcoulement pour un changeur
plaques et ondes est
propose partir de lobservation des rgimes dcoulement laide dun
systme de camra
rapide. Par la suite cette carte est compare avec une carte en
changement de phase dans un
changeur similaire et avec une autre carte de la littrature
tablie en condition adiabatique.
Des phnomnes dinstabilits dcoulements sur notre installation
exprimentale en
adiabatique ont t observs et analyss.
Dans le chapitre 4, les essais de distribution en monophasique
et diphasique dans
lchangeur sont dcrits ainsi que les mesures des pertes de
charges. Dans un premier temps,
une corrlation du facteur de friction des ailettes dcales est
dtermine et compare avec
dautres corrlations de la littrature. Ensuite, la relation entre
la distribution des dbits des
phases liquide et gaz et les pertes de charges sera traite. Les
diffrentes possibilits de
configuration dentre des fluides (alimentation du mme ct,
alimentation en cts opposs)
dans lchangeur sont abordes avec une insistance particulire sur
lhomognit de la
distribution dans ces cas. Pour conclure, les effets de
diffrents paramtres (vitesses
superficielles, configuration dentre des deux fluides, pertes de
charges lentre et la
sortie) sont prsents.
Dans le chapitre 5, les mthodes numriques du code de simulation
des coulements
diphasiques bases sur le modle de suivi dinterface VOF et
utilises dans cette tude, sont
brivement passes en revue. Dans un premier temps, lcoulement
purement gazeux dans le
distributeur est valid par comparaison avec lexprience. Une tude
paramtrique permet de
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
26
caractriser les vitesses et le diamtre des bulles au sein du
distributeur. Leffet de langle de
contact entre la paroi solide et linterface liquide/gaz est
examin plus en dtail. De plus, des
comparaisons qualitatives avec des rsultats exprimentaux sont
donnes qui permettent de
valider la simulation tridimensionnelle du distributeur
Le chapitre 6 est ddi au traage de la phase liquide en coulement
monophasique et
diphasique. Il dbute avec une prsentation des bases sur le
traage dcoulement diphasique
par traceur salin et les mthodes de traitement et de filtrage
des signaux sont dcrites avec un
algorithme par tape. Les essais de traage du liquide en simple
et double phase pour un
changeur avec ou sans dfauts sont prsents. Finalement, lanalyse
de ces essais avec
diffrents pourcentages des dfauts et diffrentes localisations
mettra en vidence les
possibilits de diagnostic de lchangeur.
Les conclusions et les perspectives seront dtailles au chapitre
7.
-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
27
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-
Chapitre 1: Introduction et contexte industriel
28
Oriol, J, 2006. Caractrisation d'coulements gaz-liquide avec et
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-
29
CHAPITRE 2 : DISPOSITIF
EXPERIMENTAL ET METHODES DE
CALCUL
Ce chapitre prsente les dispositifs exprimentaux, les
conditions
opratoires, les mthodes ou techniques de mesure et de calcul
utiliss
pour mener les tudes exprimentales et numriques. Dans une
premire
partie, une attention particulire sera porte aux choix des
mthodes et des
techniques de mesures afin de comprendre la mise en uvre des
diffrents
dispositifs exprimentaux tant au niveau de leur fonctionnement
quau
niveau du traitement des informations obtenues. Dans une
deuxime
partie, les mthodes de calcul et les modles utiliss pour
calculer les
pertes de charges des ondes serrated et dterminer le
fonctionnement
du distributeur sont dcrits. Pour cela, nous avons dtaill les
quations
des modles utiliss pour les simulations numriques avec le code
de
mcanique des fluides FLUENT .
Mots cls : dispositifs exprimentaux, mthodes exprimentales,
modles numriques
-
30
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
31
I. Introduction
La distribution diphasique est un paramtre crucial pour le
fonctionnement des changeurs
de type condenseur ou bouilleur. La socit Fives Cryo
(anciennement NORDON Cryognie),
fabricant dchangeurs plaques ailetes brases, a dvelopp une
technologie de profils
dinjection pour fluide diphasique, permettant dintroduire les
phases liquide et vapeur dun
mme fluide de manire homogne dans lchangeur.
Ce chapitre dcrit la ralisation et lutilisation dun banc dessais
permettant de travailler
dune manire adiabatique et en fluides simulants (eau et air) en
visualisant des coulements.
Une deuxime partie du projet de thse consiste en ltude numrique
du fonctionnement dun
tel systme. Ce chapitre dtaille tous les outils exprimentaux et
numriques utiliss pour
mener bien ce travail.
Conditions opratoires
Nous proposons de travailler en couple fluide eau-air en
choisissant les dbits du liquide
et du gaz et les vitesses superficielles des phases pour chacun
des 4 cas (Tableau 2- 1).
Tableau 2- 1 : Dbit deau et dair et configurations dcoulement
pour les 4
conditions dessais
Cas Dbit eau
m3/h
Dbit air
m3/h
Vitesse
superficielle
liquide Vsl (m/s)
Vitesse
superficielle
gaz Vsg (m/s)
Configuration coulement
C.Desrats
(2007)
Taitel et
Duckler
(1980)
103 7.2 2.1 0.39 0.12 Bulles Bulles
107 6.4 8.0 0.35 0.44 poches-
bouchons
poches-
bouchons
110
206
2.4
6.4
13.4
34.6
0.13
0.35
0.73
1.90
Annulaire
Annulaire
poches-
bouchons
agit
Toutes les expriences sont ralises pression et temprature
ambiantes. Les conditions
de fonctionnement pour lesquelles lchangeur est conu, sont des
pressions de 1 3 bars
pour leau et de 3 6 bars pour lair et une temprature ambiante de
20 25C. La boucle
permet de balayer une gamme de dbits volumiques dans la maquette
entre 2.1 et 34.6 m3/h
(cf. Tableau 2- 1) et de titres massiques de gaz de 0.1 0.85. Le
dbit deau varie de 2.4 7.2
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
32
m3/h. Les vitesses superficielles maximales mises en uvre sont
de 0.39 m/s pour le liquide et
de 1.9 m/s pour le gaz.
Une maquette transparente a t utilise avec un mlange eau/air
pression et temprature
ambiantes pour pouvoir faire de la visualisation des
coulements.
II. Dispositif exprimental
1 Ralisation de la boucle FIVE (Flow In Visualisation
Exchanger)
La maquette en plexiglas a t conue en utilisant les
distributeurs diphasiques conus par
la socit Fives Cryo. Elle reprsente un canal dchangeur
rectangulaire de 1055 mm de
largeur, 1000 mm de hauteur et 7.13 mm dpaisseur (Figure 2- 1).
Lannexe 1 prsente une
coupe de face et une vue de dessus du canal dchangeur.
Figure 2- 1: Schmas de principe de linstallation Five
Ce canal est form par une seule plaque dondes serrated intercale
entre deux plaques
planes en plexiglas permettant ainsi la visualisation des
coulements. Les plaques externes
sont serres par des joints mtalliques et des vis de serrage pour
assurer ltanchit de
lchangeur. La section dessais est en position verticale et
lcoulement est ascendant. Leau
et lair sont injects en pied de maquette et traversent la zone
de distribution pour tre
mlangs. Les points dinjection de lair peuvent tre situs soit du
ct oppos leau
P
P0
P1
P2
P3
Source de lumire
Systme de visualisation
Camra rapide
Entre liquide Entre gaz
Sortie gaz Sortie liquide
1 2 3 4 5 6 7
Section dessais
1m1m7.13mm
Sparateur gaz-liquide
Distributeur
.
gm
lm.
P P
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
33
(alimentation contre-courant), soit du mme ct (alimentation
co-courant). Les circuits
dinjection deau et dair pourront galement tre permuts. Leau
issue du rseau de ville
circule en circuit ouvert. Le gaz provient du rseau dair
comprim, et circule en circuit
ouvert puis il est rejet latmosphre aprs son passage par
lchangeur.
La perte de pression aux dbits maximaux, la fois pour leau et
pour lair, a t estime
1 bar et la pression lentre de la maquette est de 3 bars
absolus. En sortie du canal
dchangeur, une zone de tranquillisation permet la visualisation
de la bonne ou mauvaise
rpartition des phases liquide et gaz. Un systme de collecte et
de sparation en sortie de
lchangeur est constitu de 7 enceintes pour sparer par gravit
leau et lair. Chaque
enceinte est branche deux dbitmtres deau et dair pour la mesure
spare des dbits des
deux fluides.
Lchangeur est subdivis en sept tronons suivant lhorizontale
(Figure 2- 2. Il est conu
de manire pouvoir dterminer la distribution des phases, les
rgimes dcoulement, la
Distribution Locale des Temps de Sjours (DLTS)(DAI) le long de
ces sept tronons (ou
zones) et le taux de vide dans lchangeur.
.
Figure 2- 2: Photo de lchangeur
Plaque dondes
serrated
7 enceintes de
sparation
gaz/liquide
Entre air
Entre eau
Plaque en
plexiglas pour
visualisation
PVC de sortie
deau
Sorties dair
Prise de
pression
Entre air
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
34
La difficult de cette section dessais rside dans la ralisation
dune parfaite tanchit
entre la plaque arrire, les ondes et la plaque avant. Avant
dobtenir une bonne tanchit, des
essais prliminaires et plusieurs dmontages et remontages ont t
raliss.
2 Les installations dentre des deux fluides
Les installations darrive de leau et lair du rseau sont
reprsentes sur la Figure 2- 3.
Le filtre install dans le sens darrive deau permet dliminer les
particules et les mtaux de
taille
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
35
alimentation contre-courant : les deux fluides entrent par des
extrmits opposes (eau en bas
du profil et lair dans le profil diphasique) ;
alimentation co-courant en inversant les entres des fluides :
lair est inject en bas du profil
et leau est injecte dans le distributeur.
Figure 2- 4: Diffrents types dalimentations
Dans lindustrie, les changeurs de chaleur peuvent fonctionner
avec lune des trois
configurations, selon les contraintes dencombrement, de
disponibilit des conduites
dalimentation (des fluides de fonctionnement) et leurs positions
relatives par rapport
lchangeur.
Alimentation co-courant
Alimentation contre courant
Alimentation co-courant
(fluides inverss)
Air
7 tronons
Eau Air
1 2 3 4 5 6 7
Distributeur
Air
Eau Air
1 2 3 4 5 6 7
Distributeur
Eau
Eau Air
1 2 3 4 5 6 7
Distributeur
Air
Eau
Eau
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
36
4 Distributeur de la phase liquide
Un distributeur du fluide inject en bas du profil est montr sur
la Figure 2- 5. Il
comprend trois plaques dailettes droites perfores disposes de
manire uniformiser la
distribution du fluide avant mme dentrer dans le profil.
Figure 2- 5: Ailettes de distribution de la phase liquide
A lentre, le fluide est dirig paralllement son sens horizontal
dentre ( ), puis il
est dvi travers des ailettes orientes dun angle de 15 ( ). Aprs
par passage par des
ailettes droites verticales, perpendiculaires la direction
dentre ( ), le liquide est rparti de
la manire la plus uniforme possible avant dentrer dans le profil
de distribution diphasique.
Le Tableau 2- 2 rsume les caractristiques des deux gomtries
dailettes droites perfores
installes en bas du distributeur.
Sens de
lcoulement
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
37
Tableau 2- 2 : Caractristiques gomtriques des ailettes droites
de distribution
Type dailette Caractristiques: Ailettes droites
perfores
Ailettes droites
perfores
ea (mm)
ha (mm)
sa (mm)
0.45
7.13
6 ondes/inch
0.45
7.13
10 ondes/inch
5 Profil de distribution diphasique
La Figure 2- 6 montre lemplacement des diffrentes plaques dondes
dans la section
dessais. Le profil de distribution diphasique est plac au dessus
des ondes droites perfores,
il permet le mlange des deux phases et linjection des deux
fluides dans la zone active des
ondes serrated .
Figure 2- 6: Circulation du fluide dans un passage quip dun
profil dinjection diphasique
Le profil de distribution diphasique est une barre daluminium de
50 mm de hauteur, de
1055 mm de largeur qui correspond la largeur du canal dchangeur
et dpaisseur gale la
hauteur de londe utilise (7.13 mm). Cette barre est file dun ct
pour obtenir trois rainures
dans le sens de la largeur de la barre. Elle est ensuite usine
sur lautre face pour obtenir 18
rainures dans le sens de la circulation du fluide dans le
passage. Les rainures des deux faces
Ondes droites
perfores
G
L
G
L
L+G Profil
Ondes serrated
Ondes droites
perfores
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
38
communiquent entre elles laide de trous inclins de 45. Les
Figure 2- 7 et Figure 2- 8
montrent le schma dun profil.
Le nombre de rainures files, usines et le nombre de trous
dpendent des conditions
opratoires (dbits liquide, gaz ou vapeur, pertes de
charges).
Figure 2- 7: Profil vu en coupe transversale
Figure 2- 8: Croquis 3D du profil
6 Ailettes plates et dcales
Les ondes serrated sont des minicanaux carts ou dcals (Figure 2-
9). L'cartement
trs faible des ailettes conduit un diamtre hydraulique trs petit
(2 mm environ). En
consquence, leurs performances sont trs leves, condition
toutefois que tous les
problmes lis la distribution des fluides, notamment en mlange
diphasique soient rsolus.
La zone active de lchangeur est forme par une plaque dondes
serrated , appeles aussi
ailettes dcales et se trouve au dessus du profil diphasique.
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
39
Figure 2- 9: Schma dune ailette dcale
La gomtrie est dcrite par une longueur l, une hauteur h une
paisseur e et lespacement
ou pas de serration s (Figure 2- 9) ou par les trois paramtres
dimensionnels h
s,
l
eet
s
e dfinis par Manglik et Bergles (1995). Les paramtres des ondes
serrated de la
zone active utiliss dans notre maquette sont indiqus dans le
Tableau 2- 3.
Tableau 2- 3 : Caractristiques gomtrique des ailettes
Caractristiques: Ailette dcales
e (mm)
h (mm)
s (mm)
l (mm)
Surface spcifique (m2.m
-1)
0.2
7.13
0.77
3.175
0.055
7 Calandre
La calandre externe du canal dchangeur est forme par deux
plaques en plexiglas.
Lpaisseur des plaques est de 25 mm (Figure 2- 10) pour crer de
la rigidit afin de
maintenir en pression et pouvoir serrer les boulons pour assurer
ltanchit entre le plexiglas
et la plaque daluminium intercale. Le produit longueur largueur
est de 1055 1347 mm2
ce qui correspond aux dimensions de la zone contenant les
ailettes et le distributeur.
e
L s
h
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
40
Figure 2- 10: Schma de principe dun couvercle
8 Le collecteur des deux phases
Lannexe 2 montre le schma de principe du collecteur. Le systme
de collecte et de
sparation mont la sortie du canal dchangeur, est constitu de 7
enceintes pour sparer
par gravit leau et lair. Chaque enceinte est branche deux
dbitmtres deau et dair pour
la mesure spare des dbits des deux fluides.
La photo de gauche de lannexe 2 prsente une vue de face du
collecteur. Les trous que
lon voit sont les places des boulons de serrage. Les 7 cylindres
circulaires de diamtre 50
mm souds au collecteur sont les sorties de la phase liquide. Les
7 piquages de diamtre 20
mm sont les conduites de sortie de lair et sont raccords avec
sept enceintes pour une
deuxime sparation des phases et la mesure des dbits dair chacune
des sorties. Limage
de droite reprsente une coupe transversale, on voit les sept
zones spares, la sortie de
lchangeur, les 36 boulons de serrages autour et les sorties
deau.
III. Instrumentations
1 Dbitmtres
La boucle Five est conue de manire pouvoir mesurer les dbits
deau et dair issus de
chaque tronon afin de caractriser la distribution en simple et
double phase le long du canal.
Pour cela, des dbitmtres pour chacune des deux phases sont placs
en amont de lchangeur
et la sortie de la zone de sparation gaz-liquide.
Ces dbitmtres sont rpartis de la manire suivante (cf. Tableau 2-
4):
57 trous 13
mm
11231418 mm
10551347 mm
25 mm
Plaque
dondes
serrated
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
41
un dbitmtre volumique de type lectromagntique pour mesurer le
dbit total
deau entrant dans la section dessai ;
7 dbitmtres massiques effet Coriolis pour mesurer les dbits deau
la sortie
issus des tronons ;
un dbitmtre massique effet thermique et son rgulateur pour
mesurer et ajuster
le dbit total dair entrant dans la section dessai ;
7 dbitmtres massiques effet thermique pour mesurer les dbits
dair issus des
tronons.
et leau est injecte dans le distributeur.
Le Tableau 2- 4 suivant dtaille les caractristiques des
dbitmtres prsents sur les
dispositifs exprimentaux.
Tableau 2- 4 : Dbitmtres prsents sur la maquette avec leurs
emplacements et
leurs caractristiques
Dbitmtre Emplacement Marque Etendue de
mesure
Gamme
dtalonnage
Incertitude
Dbitmtre
lectromagntique
Dbit deau
entrant
ENDRESS ET
HAUSER Type
Promag 33F
0 11m3/h
0 11m3/h
0.033% du
dbit
7 dbitmtres
massiques effet
Coriolis
Dbits deau
sortants
- - - -
Dbitmtre massique
effet thermique
dbit dair
entrant
- 0-36 N.m3/h
- -
7 dbitmtres
massiques effet
thermiques
dbits dair
sortants
BROOKS
Type 5853S
0 60 m3/h 0 60 m3/h 0.67 % du
dbit
2 Capteurs de pression
Plusieurs capteurs de pression sont installs sur la maquette
Five lentre des fluides et
dans la zone active des ondes serrated . La pression absolue du
rseau dair et deau est
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
42
mesure laide dun capteur de pression absolue install dans les
conduites dentres des
deux fluides. Des capteurs de pression diffrentielle, de
pression absolue et des capteurs
rapides sont installs sur des prises de pression places dans la
zone des ondes serrated
pour mesurer les pressions et les diffrences de pression entre
diffrents niveaux de la
maquette. Les capteurs de pression rapide permettent de mesurer
les variations ou fluctuations
de pression dans les coulements diphasiques. Ces capteurs sont
de petites tailles et il est
facile de les mettre directement sur les prises de pression
(Figure 2- 11).
Le fonctionnement dun capteur de pression diffrentielle est le
suivant : le fluide (gaz ou
liquide) transmet les pressions une membrane de mesure centrale
par lintermdiaire du
liquide de remplissage et de membranes disolation extrieures. La
membrane de mesure se
dformant en rponse aux changements de la pression diffrentielle,
il en rsulte une variation
instantane de lcart entre les deux circuits magntiques fixes. Il
sensuit une variation
diffrentielle dinductance transmise au module lectrique qui
dlivre un signal de sortie de 4-
20 mA courant continu proportionnel la pression diffrentielle
applique au transmetteur.
Il existe un certain nombre de cellules de mesure diffrentes en
fonction de ltendue
dchelle ou de la gamme de mesure utilise.
Figure 2- 11: Capteur de pression rapide
Le Tableau 2- 5 dtaille les caractristiques des capteurs de
pressions prsents sur le
dispositif exprimental.
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
43
Tableau 2- 5 : Capteur de pressions, leurs emplacements et leurs
caractristiques
Capteur Emplacement Marque Gamme de
mesure
Gamme
dtalonnage
Incertitude
Capteur de
pression
diffrentielle
Capteur de
pression absolue
rapide
A lintrieur de
lchangeur
A lintrieur de
lchangeur
ROSEMOUNT
Type 3051
COLUMBIA
100-P
0 300 mbar
0 5000psi (340
bars)
Frquence 2
12000Hz
0 300 mbar
0 340 bars
0.25%
2%
IV. Techniques de mesures
1 Unit dacquisition
Une unit dacquisition des donnes (AGILENT) est utilise pour
lenregistrement des
mesures des dbits et de pression et leur transfert sous forme
numrique pour lexploitation
des donnes. Un voltmtre multiplexeur mesure et transfre ces
signaux partir des capteurs
de pressions et des dbitmtres un ordinateur via une interface
USB pour un suivi en temps
rel et un enregistrement des mesures sur fichier Excel. La
cadence dacquisition est de 3
secondes, les mesures sont acquises sur un palier denviron 2
minutes puis moyennes sur ce
palier.
Ce systme dacquisition consiste en un seul boitier contenant
diffrentes voies dont le
balayage est assur par un multiplexeur polyvalent 34901A. Les
voies sont divises en deux
ranges de dix voies chacune. Chaque voie peut tre configure
indpendamment des autres
sans avoir besoin dun conditionnement spcifique du signal.
2 Dispositif exprimental pour ltude hydrodynamique
Des mesures de pression diffrentielle sont ralises sur les
diffrents tronons et les
prises de pression sont installes sur 4 niveaux horizontaux
(reprs P0, P1, P2 et P3). Leurs
positions sont indiques sur la Figure 2- 12. Le premier niveau
est situ sous le profil
dinjection, le deuxime juste au dessus de ce profil, le quatrime
en haut de la maquette
juste avant la zone de sparation liquide-gaz et le troisime mi
hauteur entre les niveaux 1 et
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
44
3. Cinq prises de pression par niveau sont installes,
correspondant aux sections transversales
1, 3, 4, 5 et 7 de la maquette.
Les distances entres les diffrentes niveaux sont : P0-P1=213 mm
P1-P2= 433 mm et P2-
P3=425 mm.
Figure 2- 12: Schma de principe de lchangeur plaques et ondes de
la section
dessais pour le calcul des pertes de pression
3 Systme de visualisation
3.1 Dispositif de la camra rapide
Les coulements diphasiques sont des phnomnes complexes et
rapides. Nous nous
sommes intresss la visualisation de lcoulement, notamment au
niveau des ondes
serrated et du profil de distribution des phases, auquel on na
pas accs dans les
changeurs rels industriels. Pour cela, un systme, constitu dune
camra rapide de type
Photron pointant sur la zone observer dun logiciel dacquisition
sur un PC et des
projecteurs pour clairer, est install. La camra rapide a permis
de visualiser des phnomnes
trs rapides que lon ne peut voir l'il nu. Le choix de lobjectif
de la camra permet de
sadapter la distance de celle-ci par rapport lendroit vis.
P1
P2
P3
P0
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
45
3.2 Mthode dutilisation du dispositif
Pour la prise des images ou des films, et lobtention dune bonne
qualit, nous devons
assurer un bon clairage et une bonne estimation de la vitesse du
phnomne physique analyser
pour dfinir la vitesse de la camra. Ensuite pour bien analyser
les films, il faut garder la mme
rsolution surtout en passant dune zone une autre.
3.3 Positionnement sur le canal dchangeur
La Figure 2- 13 montre la disposition de la camra rapide et des
projecteurs sur le canal
dchangeur.
Figure 2- 13: Schma de principe du systme de la visualisation
par camra rapide
Nous ralisons des films sur la totalit de la calandre externe de
lchangeur et sur les
deux faces, de faon voir tous les coulements possibles lintrieur
des ondes serrated
ainsi quau niveau du distributeur, avec une frquence
denregistrement de 2000 images/s et
une rsolution de 1024 1024. Le logiciel dacquisition permet de
capter, de stocker et de
lire des squences vido. Nous analysons par la suite les images
afin de comprendre les
phnomnes observs.
PC
Camra
rapide
Deux
projecteurs Maquette
filmer
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
46
4 Systme de Traage de la phase liquide
Les mthodes de traage sont utilises pour le diagnostic des
dispositifs industriels, elles
sont principalement limites la dtermination qualitative des
dfauts standards
(encrassement, volume mort) et la dtermination de la
distribution de temps de sjour
(DTS) dune phase donne afin de caractriser lhydrodynamique dans
un changeur
plaques et ailettes.
Les objectifs sont de dterminer les rgimes d'coulement et leurs
signaux caractristiques
(par exemple : taux de vide moyen et quantit des bulles) et les
diffrents types de dfauts
(ailettes encrasses), leurs localisations et degrs.
Les difficults principales se produisant dans lchangeur plaques
et ondes sont
lencrassement des mincanaux (ailettes) et lendommagement des
ailettes, induisant des
madistribution des phases.
4.1 Choix de la mthode : Mesure de la DTS du liquide par
conductimtrie.
La mesure de la DTS par conductimtrie est base sur lutilisation
dun traceur dont la
concentration peut tre dduite dune mesure de conductivit du
milieu. Ces variations de
conductivit peuvent tre provoques par la prsence dun lectrolyte
minral (NaCl, KCl,
LiClO4) ou plus rarement organique polaire (par exemple
(C4H9)4N(Br)).
Aprs avoir choisi le traceur, il faut rgler les quantits et les
concentrations des produits
injects pour que la rponse du conductimtre soit une fonction
monotone ou de prfrence
linaire, de la concentration mesure. La concentration en traceur
est le plus souvent faible.
Avantages:
cette mthode est simple, rapide et facile appliquer ; la rponse
peut tre prsente
sous forme de courbes aprs numrisation des signaux analogiques
;
il est facile de raliser simultanment plusieurs mesures en des
points diffrents du
systme, en plaant des cellules de mesure dans le milieu,
puisquelles sont de
dimensions assez rduites.
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
47
Inconvnients :
cette mthode est applique essentiellement en milieu aqueux ;
pour avoir une rponse prcise, la concentration en traceur doit
tre faible ce qui
conduit renouveler entre chaque exprience le milieu ;
les rponses ne peuvent reprsenter que le dbit qui passe dans le
volume dfini dans
lchangeur.
Cette mthode est dautant plus dlicate appliquer en diphasique,
surtout lorsque la
phase liquide est disperse.
4.2 Mise au point de la mthodologie du traage
Le systme de mesure de la distribution des temps de sjours est
plac entre la sortie de
lchangeur et le collecteur des phases, il est muni de 7
lectrodes pour la mesure du signal de
la DAI chacune des 7 sorties de lchangeur. Nous observons sur la
Figure 2- 14 le
collecteur-sparateur des phases en plexiglas, et ct on voit le
systme de dtection la
sortie traage qui est une plaque en plexiglas identique au pied
du collecteur des phases et la
sortie de lchangeur, de manire superposer les sept fentes de
sortie des fluides. Linjection
se fait dans la conduite dentre du liquide, par une vanne et une
seringue mtallique. Le
fonctionnement est toujours la temprature ambiante avec une
solution de NaCl comme
traceur.
Figure 2- 14: Image de dispositif du systme de traage
Collecteur des
phases
Systme de
traage
Sorties identiques
superposer
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
48
La longueur dune lectrode est identique la celle dune sortie de
lchangeur (Figure 2-
15). Le systme lectronique est mis dans un boitier, muni de 7
entres et 7 sorties et chaque
couple dentre-sortie est branch une lectrode donc une seule
sortie de lchangeur
(Figure 2- 16).
Figure 2- 15: lectrodes et systme lectronique
Linjection du traceur se fait dune seringue mtallique (figure
2-15).
Figure 2- 16: Seringue mtallique pour injection
5 Grille dessais
Pour chaque configuration dcoulement, les essais suivants sont
effectus :
mesure des pertes de charges ;
mesure de la distribution des phases ;
mesure des distributions des temps de sjour (DTS).
1 sonde dans
une seule sortie Systme
lectronique
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
49
V. Calcul sur les grandeurs mesures
1 Incertitudes de mesures
Pour rduire les erreurs alatoires, les mesures sont rptes et la
dispersion des mesures
est prise en compte dans le calcul de lincertitude. Pour chaque
point de mesure, les grandeurs
sont moyennes arithmtiquement comme suit :
N
j
jii XN
X1
,
1 (2-1)
Et la dispersion des valeurs autour de cette moyenne est
caractrise par lcart-type
exprimental :
mesi
N
1j
2
ij,ii )X(u)XX(1N
1S (2-2)
2 Incertitude dtalonnage
Lincertitude dtalonnage est note par : U
Ou la composante correspond lincertitude daccrditation du banc
dtalonnage
La composante U(X lu) doit tenir compte de :
la stabilit des indicateurs de lappareil ;
la fidlit de lappareil (rptabilit) ;
la rsolution de lappareil ;
lincertitude de lappareil de lecture sil est fourni.
3 Mesure dincertitudes globales
Lincertitude finale calcule dune manire simple correspond la
norme euclidienne de
lincertitude de mesure-type de la mesure et de lincertitude-type
dtalonnage de lappareil
de mesure (Tableau 2- 6) :
2
stabilit
2
drive
2
rsolution
2
justesse
2
mesiC )u()u()u()u()u()x(u (2-3)
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
50
Tableau 2- 6 : Les incertitudes correspondantes chaque type de
capteur
Capteur Incertitude dtalonnage Incertitude
de mesure
Dbitmtre lectromagntique
7 Dbitmtres massiques
Capteur de pression rapide
Capteur de pression diffrentielle 300mbar
Capteur de pression diffrentiel 30mbar
Dbitmtres massiques Coriolis
Incertitude Incertitude
absolue relative
0.007 m3h
-1 0.36%
0.49 m3h
-1 0.82%
0.012 bar 1.05%
0.25 mbar 0.21%
0.01 mbar 0.12%
0.23 kg.h-1
0.057%
Maximale
0.044 m3h
0.04 m3h
-1
0.0081 bar
0.24 mbar
0.1 mbar
0.28 kgh-1
VI. Simulation numrique
1 Introduction
Lapplication dun code de mcanique des fluides pour simuler les
performances
hydrauliques des ondes serrated est explique en dtail dans cette
partie. Le choix des
mthodes de calcul telles que les modles de turbulence et les
lois de parois, est explicit. Une
tude de sensibilit des calculs aux maillages a t ralise.
2 Logiciel Fluent
Nous avons utilis le code de calcul Fluent qui est un logiciel
de CFD (Computational
Fluid Dynamics) commercial. Il simule tous les coulements de
fluides, compressibles ou
incompressibles et prend en compte des phnomnes physiques
complexes tels que la
turbulence, le transfert thermique, les ractions chimiques, les
coulements multiphasiques
rencontrs dans les procds industriels. Il se prsente comme tous
les logiciels de CFD
(exemples : CFX, PHOENICS, TRIO, STARD-CD,), par lenchainement
dune tape de
construction dun domaine de calcul et de son maillage (un
pr-processeur Gambit), dune
tape de rsolution des quations de Navier Stokes (le solveur
FLUENT) et enfin dune tape
dexploitation des rsultats sous formes graphiques ou de valeurs
(post-processeur).
-
Chapitre 2 : Dispositif exprimental et mthodes de mesures
51
Les quations de Navier-Stokes se prsentent sous la forme dune
quation de
conservation de la masse (continuit) et dune quation de
conservation de la quantit de
mouvement (Equations 2-4, 2-5):
0Udiv (2-4)
FuudivUdivPUUdivUt
'' (2-5)
Avec F force de volume.
3 Modles de turbulence
Le code de calcul Fluent propose diffrents modles de fermeture
pour prendre en compte
la turbulence (Fluent 6.2 Users Guide) c'est--dire pour calculer
les contraintes de Reynolds:
Ces modles peuvent tre classs par le nombre dquations
supplmentaires aux
quations de Navier- Stokes ncessaires :
Le modle de Spalart-Allmaras (une quation supplmentaire)
Le modle k (deux quations de transport supplmentaires de k et
)
Le modle k- (deux quations supplmentaires de transport de k et
)
Le modle des contraintes de Reynolds (RSM) avec six quations
supplmentaires pour chacune
des composantes de tenseur de Reynolds.
Le modle LES
Le modle LES ncessite un maillage trs raffin et des temps de
calcul assez importants,
donc on a fait le choix dutiliser les modles k- et k-,
couramment utiliss en gnie des
procds.
3.1 Modle k standard
3.1.1 Modlisation de la viscosit tu