Download - Étude expérimentale et numérique des écoulements diphasiques et

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)

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.

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


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/


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


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


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


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.


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


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


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


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.


27

Rfrences

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28

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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

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


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


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


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


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


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


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


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.


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


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


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


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.


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


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


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


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.


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


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


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)


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).


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

Download - Étude expérimentale et numérique des écoulements diphasiques et

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