Modélisation de l'encrassement en régime turbulent dans un échangeur de chaleur à plaques avec un revêtement fibreux sur les parois, Numerical modeling of fouling induced by turbulent flow in a plate heat exchanger with fibrous coating on the walls

Hamza Chérif Sadouk

Description

Sous la direction de Guy Lauriat, Salah Chikh
Thèse soutenue le 15 juin 2009: Paris Est
Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L’étude concerne l’analyse de l’encrassement dans un canal plan représentatif d’un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L’objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l’utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l’encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d’encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L’étude de la cinétique de l’encrassement permet de déterminer la loi de variation de l’épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L’apport du milieu poreux sur les performances de l’échangeur est analysé
-Transfert de chaleur
-Écoulement turbulent
-Modèle ?-e
-Canal plan
-Méthode des volumes finis
-Encrassement
-Échangeur de chaleur à plaque
-Matériaux poreux
-Thermocinétique
-Turbulence
-Volumes finis Méthodes de
-Échangeurs de chaleur Encrassement
A numerical study is carried out to investigate the forced convection heat transfer induced by a turbulent flow in a parallel plate channel partly filled with a porous or fibrous material. The study involves the analysis of fouling in a plate heat exchanger, represented by a parallel plate channel with a high fouling potential liquid flow in turbulent regime. The objective is to come out with a technical solution that relies on the use of fibrous materials capability to capture deposited particles, and therefore to reduce the fouling impacts within heat exchangers. This solution focuses on reducing the fouling resistance on wall surfaces by modifying the thermal properties of the deposit. The deposit thickness evolution is obtained through a kinetics model of fouling, which is coupled to the conservation equations. An effective thermal conduction model (liquid, deposit, porous material) is selected in order to account for fouling within the porous matrix. The benefits of porous material on heat exchanger performance are analyzed
-Heat transfert
-Turbulent flow
-K-e model
-Channel plane
-Finite volume method
-Fouling
-Plate heat exchanger
-Porous medium
Source: http://www.theses.fr/2009PEST1001/document

Sujets

• Transfert thermique
• Turbulence
• Méthode des volumes finis

Informations

• Publié par: Thesee
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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Université de Paris-Est
THÈSE

pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNVERSITE DE PARIS - EST
Spécialité : Génie des Procédés
Ecole doctorale : Information, Communication, Modélisation, Simulations (ED n° 431)
Présentée et soutenue publiquement par
Hamza Chérif SADOUK
le 15 Juin 2009

Modélisation de l'encrassement en régime turbulent
dans un échangeur de chaleur à plaques avec un
revêtement fibreux sur les parois


Membres de Jury :
M.C. Charrier-Mojtabi Professeur Univ. Paul Sabatier Rapporteur
S. Chikh Professeur USTHB Co-directeur de thèse
D. Gobin Dir. de Rech. CNRS Univ. Paris-Sud 11 Examinateur
B. Goyeau Ecole Centrale Paris Rapporteur
G. Lauriat Univ. Paris Est MLV Directeur de thèse
M. Ould-Rouiss MCF, HDR Univ. Paris Est MLV Examinateur
J.A. Ochoa Tapia Professeur UNAM Mexique
tel-00499251, version 1 - 9 Jul 2010WX
WX
Remerciements
Remerciements

Ce travail de recherche a été réalisé conjointement au sein du Laboratoire de
Modélisation et Simulation Multi Echelle (MSME), à l’Université Paris-Est Marne-la-
Vallée, et au Laboratoire Transports Polyphasiques et Milieu Poreux (LTPMP), de
l’Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediène (USTHB) à Alger.
Je tiens à remercier tout d’abord Monsieur Guy Lauriat, professeur à l’université de
Paris-Est Marne-la-vallée, pour m’avoir accueilli au sein de son laboratoire et d’avoir
accepter de diriger ce travail de thèse. En plus de m’offrir des conditions d’accueil
agréables, j’ai pu tout le long de mon travail bénéficier de son expertise et de ses points de
vues très constructifs.
Je remercie vivement Monsieur Salah Chikh, professeur à la faculté de génie
mécanique et génie des procédés de l’USTHB et membre du LTPMP, qui est d’ailleurs à
l’origine de ce sujet de recherche, d’avoir accepté de co-encadrer ce travail. Il a aussi le
mérite d’être à l’origine de mon gout à la recherche et de m’avoir inspiré lors de mon
parcours universitaire. Sa disponibilité depuis le début de ce travail est très remarquable.
J’ai eu l’honneur de le connaître d’avantage et de bénéficier de ses judicieux conseils mais
aussi de ses encouragements auxquels j’avais vraiment besoin.
J’exprime toute ma gratitude à mes rapporteurs et examinateurs, Madame Marie-
Catherine Charrier-Mojtabi, professeur à l’Université Paul Sabatier de Toulouse ; à
Monsieur Benoît Goyeau, Professeur à l’Ecole Centrale Paris ; à Monsieur Dominique
Gobin, directeur de recherche au CNRS et professeur à l’Université de Paris-Sud ; et à
Madame Meryem Ould-Rouis, Maître de conférence à l’Université Paris-Est, pour le temps
qu’ils ont consacré à l’évaluation de ce travail et pour l’intérêt qu’ils ont manifesté pour
celui-ci. J’avoue qu’ils ont contribué à la qualité de ce manuscrit et à enrichir mes
connaissances par leurs nombreuses suggestions..
Mes remerciements vont aussi à Monsieur J. Alberto Ochoa Tapia, professeur à
l’UNAM au Mexique qui nous a honoré par sa présence, en tant que membre du jury, à la
présentation orale de ce travail de thèse.
Je remercie chaleureusement Monsieur Xavier Nicolas, maître de conférence à
l’université de Paris-Est et membre du laboratoire MSME, pour le temps qu’il m’a souvent
consacré lors des discussions très riches qu’on à pu avoir au cours de cette thèse.
Je remercie aussi tous les doctorants et membres des laboratoires MSME et LTPMP
pour les nombreux échanges d’informations.
Un grand merci à mon frère Saïd pour son soutient du début jusqu'à la fin de mon
travail, de son aide et de sa présence avec moi dans les moments les plus difficiles.
Je ne peux manquer de souligner le support important et continu que j’ai toujours eu de
la part de mes sœurs Fadila, Djamila, Soumya et Mounia. J’en suis très reconnaissant.
Si je garde à la fin mes très chers parents, Mohamed et Chérifa, c’est par manque de
vocabulaire pour exprimer en cette occasion, au nom de leurs enfants, notre profonde
gratitude et notre reconnaissance envers eux. Ils ont réussi à nous inculquer les meilleures
des valeurs et surtout l’amour du savoir qui représente le plus noble et le plus durable des
héritages. Mon doctorat n’est qu’un résultat parmi tant d’autres. Merci chers parents !
Enfin, je dédie ce travail à tous les membres de ma grande famille ainsi qu’à mes amis.


tel-00499251, version 1 - 9 Jul 2010Résumé

Titre :
Modélisation de l’encrassement en régime turbulent dans un échangeur de chaleur à plaques
avec un revêtement fibreux sur les parois.

Résumé :
Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane
partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement.
L’étude concerne l’analyse de l’encrassement dans un canal plan représentatif d’un
échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en
régime turbulent. L’objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur
l’utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits
de l’encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d’encrassement en
agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L’étude de la cinétique de l’encrassement
permet de déterminer la loi de variation de l’épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette
équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique
effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la
matrice poreuse est considéré. L’apport du milieu poreux sur les performances de
l’échangeur est analysé.

Mots clés :
Transfert de chaleur, écoulement turbulent, modèle κ- ε, canal plan, méthode des volumes
finis, encrassement, échangeur de chaleur à plaque, milieu poreux.










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tel-00499251, version 1 - 9 Jul 2010Résumé

Title :
Numerical modeling of fouling induced by a turbulent flow in a plate heat exchanger with
fibrous coating on the walls.

Abstract :
A numerical study is carried out to investigate the forced convection heat transfer induced
by a turbulent flow in a parallel plate channel partly filled with a porous or fibrous material.
The study involves the analysis of fouling in a plate heat exchanger, represented by a
parallel plate channel with a high fouling potential liquid flow in turbulent regime. The
objective is to come out with a technical solution that relies on the use of fibrous materials
capability to capture deposited particles, and therefore to reduce the fouling impacts within
heat exchangers. This solution focuses on reducing the fouling resistance on wall surfaces
by modifying the thermal properties of the deposit. The deposit thickness evolution is
obtained through a kinetics model of fouling, which is coupled to the conservation
equations. An effective thermal conduction model (liquid, deposit, porous material) is
selected in order to account for fouling within the porous matrix. The benefits of porous
material on heat exchanger performance are analyzed.

Key words :
Heat transfert, turbulent flow, κ- ε model, channel plane, finite volume method, fouling,
plate heat exchanger, porous medium.


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tel-00499251, version 1 - 9 Jul 2010Table des matières
Table des matières

Introduction générale.................................................................................................................... 1


CHAPITRE I : Introduction au phénomène d’encrassement dans les échangeurs de chaleur
I. 1 Introduction ......................................................................................................................... 4
I. 2 Le problème industriel......................................................................................................... 4
I. 2. 1 Notions sur l’encrassement des échangeurs ................................................................ 4
I. 2. 1. 1 Aspect physique de l’encrassement..................................................................... 4
I. 2. 1. 2 Aspect économique et environnemental de l’encrassement................................ 5
I. 2. 2 Catégories et types d’encrassement............................................................................. 6
I. 2. 2