Etude des transferts de chaleur d'un fluide frigoporteur diphasique à changement de phase liquide-solide

Demasles, Hélène

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Extrait

Conclusion générale et perspectives

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Le présent travail avait pour objectif de contribuer à améliorer les connaissances des écoulements et des transferts de chaleur des mélanges diphasiques de particules à changement de phase liquide-solide.

L’analyse des données de la littérature concernant la thermo-hydraulique de ces fluides dans les échangeurs montre des lacunes importantes en terme de méthode prédictive pour le calcul des coefficients de transfert et de perte de pression ainsi qu’en terme de données expérimentales. Il est clair que la diversité des paramètres (taille et concentration des particules, masse volumique du fluide porteur et du MCP) peut induire une large variété de régimes d’écoulement. Par ailleurs, les mécanismes de transfert thermique restent complexes puisqu’ils intègrent des mécanismes convectifs entre particules et fluide porteur, entre fluide chargé et paroi mais également par conduction au sein même des particules qui sont le siège d’un changement de phase liquide-solide. L’absence de méthode générale est partiellement compensée par l’existence de corrélations qui restent d’une portée limitée. Les corrélations de la littérature pour évaluer les pertes de pression, élaborées à partir de résultats expérimentaux ou d’un modèle théorique (modèle triple couche), sont cohérentes entre elles. Leur prédiction est d’autant meilleure au fur et à mesure que l’écoulement devient homogène et que la concentration en particules augmente. Les corrélations proposées dans la littérature pour évaluer les coefficients de transfert sont issues de modèles théoriques et sont restreintes à des conditions d’utilisation particulières qui ne correspondent pas à nos conditions d’essais.

Les mécanismes de transferts de chaleur entre les particules et le fluide porteur et entre le fluide et la paroi ont été modélisés en régime permanent. Les résultats obtenus ont permis d’identifier les paramètres prépondérants dans les transferts thermiques entre les deux phases et d’expliquer le rôle joué par le changement de phase dans l’amélioration des échanges : les particules sont une source d’énergie qui bloque la descente en température du fluide porteur et maintient un gradient de température élevé en paroi. La validation complète du modèle n’a pas pu être menée par les résultats expérimentaux, étant donné le régime transitoire de l’installation expérimentale, et reste à établir. Néanmoins, le modèle est un bon outil pour le dimensionnement d’une nouvelle section d’essais mieux adaptée au fluide étudié.

Une boucle expérimentale, dont l’élaboration a connu diverses péripéties, a permis d’étudier le comportement thermique d’un fluide diphasique en circulation. Le fluide étudié est une suspension de particules dans de l’huile siliconée. Les particules sont constituées d’un gel organique très poreux rempli d’eau, fabriqué à partir d’un processus de polymérisation. La

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suspension est refroidie dans un échangeur vertical à section rectangulaire. La congélation complète des particules nécessite plusieurs passages dans l’échangeur. L’étude a donc été faite en régime transitoire. Les résultats expérimentaux obtenus mettent en évidence la superposition de deux effets sur l’amélioration du coefficient d’échange global entre la suspension et la paroi : l’un est lié aux effets micro-convectifs aux températures positives et l’autre au changement de phase liquide-solide des particules. -L’effet des particules liquides sur le coefficient d’échange avant le début du changement de phase entraîne une amélioration d’un facteur 2,3 en moyenne par rapport au cas de référence en simple phase. La comparaison avec les corrélations de la littérature confirme que les effets micro-convectifs sont à l’origine de cette amélioration. Cependant les résultats expérimentaux fluctuent beaucoup et ne nous permettent pas de proposer une corrélation propre à nos conditions opératoires. Le manque de reproductibilité de nos mesures est certainement dû à la formation d’un lit de particules dans les parties horizontales provoquée par les faibles vitesses d’écoulement. -Le changement de phase des particules provoque une amélioration supplémentaire du coefficient d’échange. Suivant les essais le facteur d’amélioration varie entre 2 et 16. Cette étude a montré que l’un des paramètres à l’origine de cet étalement est la variation de la vitesse de congélation: plus les particules congèlent rapidement, plus l’effet de source que génère le changement de phase est important et plus l’amélioration de l’échange thermique est importante. Cependant d’autres paramètres interviennent, mais les moyens de mesure mis en place n’ont pas permis de les identifier. Le déséquilibre thermique entre les particules et l’huile lors du changement de phase montre que les échanges globaux sont essentiellement limités par l’échange entre la particule et le fluide porteur et non pas par l’échange avec la paroi du canal.

Enfin et pour conclure, notons que cette suspension présente , en tant que fluide frigoporteur diphasique, de nombreux avantages : de forts coefficients d’échange, une faible variation de température de paroi et surtout, par rapport aux coulis de glace, l’absence de générateur à surface raclée. Cependant, ces travaux ont montré qu’il est indispensable de caractériser en premier lieu le comportement rhéologique de ce fluide complexe en fonction de la température pour permettre, à terme, de développer des outils de dimensionnement des équipements constituant un circuit hydraulique diphasique reliant le groupe de production frigorifique et le dispositif d’utilisation du froid.

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Les perspectives sur les travaux à mener pour approfondir les connaissances sur ce produit concernent plusieurs points :

%la rhéologie du fluide: les résultats ont montré que la viscosité du fluide était fortement perturbée par la solidification des particules et que cette variation pouvait être à la source des nombreux phénomènes non-expliqués. Une étude des pertes de charge de la suspension par une rhéomètrie en ligne à différentes températures est donc indispensable. Une visualisation de l’écoulement au cours du refroidissement peut également apporter des informations complémentaires sur la structure de l’écoulement et sur le profil des vitesses. Des mesures de pertes de pression dans des conduites verticales et horizontales et dans des singularités comme des coudes apporteraient des informations utiles sur la faisabilité d’utilisation de ces fluides dans des installations industrielles ; %la vitesse d’écoulement : cette étude a porté sur un régime laminaire. Un écoulement à des vitesses plus importantes permettrait probablement de réduire la formation de bouchons, d’agrégats et de dépôts de particules aux parois et de travailler dans des régimes d’écoulement plus favorables aux échanges thermiques. Les pompes péristaltiques étant limitées en débit, des tests avec des pompes plus puissantes sont nécessaires au préalable pour vérifier la tenue mécanique des particules lorsqu’elles sont soumises à de fortes contraintes de cisaillement.

%des tests d’endurance pour qualifier la résistance du produit à changement de phase liquide-solide dans des conditions de cyclages industriels. Pour cela une réflexion sérieuse doit être faite sur la géométrie la mieux adaptée. Les paramètres à optimiser sont sa longueur (pour permettre de congeler les particules en un seul passage et travailler en régime permanent) et sa section de passage (elle doit être suffisante pour éviter les problèmes de bouchons) tout en évitant une géométrie d’échangeur où l’écoulement est asymétrique (type échangeur co-axial hélicoïdal). Les phénomènes parasites générés, compliqueraient l’interprétation des mesures alors que le comportement thermique de la suspension est déjà suffisamment complexe dans une géométrie simple. Pour l’instrumentation, les fluxmètres se sont avérés être un moyen de mesure performant qu’il semble judicieux de conserver. Ils peuvent être doublés par des bilans complets sur le fluide secondaire. Pour cela, les mesures de température doivent être complétées par une mesure des échanges thermiques avec l’extérieur (par des fluxmètres éventuellement) ;

%la concentration de la suspension: ce paramètre peut apporter des informations très intéressantes sur de nombreux points. Il doit exister une concentration seuil comprise

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entre 20 et 25 % au delà de laquelle lorsque les particules deviennent solides, la rhéologie du fluide est fortement perturbée. Au delà de ces concentrations, le volume occupé par les particules est tel qu’il diminue fortement leur mobilité et génère des pertes de charge importantes. Il doit également exister une concentration optimale, inférieure à 20 % où la chute du coefficient d’échange à la fin de la congélation est moins prononcée. Des essais avec des concentrations plus faibles en complément aux mesures de viscosité aideraient à identifier les mécanismes responsables de cette chute.

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