Étude expérimentale et numérique des écoulements diphasiques et

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AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : [email protected] LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété 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

Author: doanminh

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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

    Rfrences

    Ahmad M, 2007. Etude exprimentale et numrique dcoulements diphasiques lentre des

    vaporateurs de cycles thermodynamiques, Thse de lINPG, Grenoble.

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    Albaric M, 2002. Diagnostic sur la distribution des coulements dans les quipements thermiques par

    l'utilisation des traceurs, Thse de l'universit Claude Bernard, LYON I.

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    Averous, D. Hammadi, K. Pingaud , H. Joulia , X., Guittard, P. Dynamique Simulation of Brazed

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  • Chapitre 1: Introduction et contexte industriel

    28

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    Cryogenics 2003; 43(673):678.

  • 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