Transfert instationnaire de chaleur en échangeur récupérateur de moteur de fusée : simulation expérimentale en échangeur bitube

Instationnary heat transfer in a recuperator heat exchanger of a rocket engine : experimental simulation in a bitubular heat exchanger

• Auteur / Autrice : Cédric Jacquot
• Direction : Michel Feidt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques - Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Échangeurs de chaleur

Résumé

Les objectifs de cette thèse concernent l'étude expérimentale des échangeurs bitubulaires de type gaz-gaz, en régimes instationnaires, pour des écoulements co et contre-courant. Ces régimes sont obtenus par perturbation de la température ou du débit de l'un des fluides en entrée du système. Après avoir dressé un état de l'art sur les échangeurs en régime transitoire, on étudie la réponse en température d’un échangeur sous deux approches distinctes. Dans un premier temps de façon globale en ne considérant que ses entrées et sorties; puis dans un second temps il est traité sous forme locale où l'on considère les différentes sections internes de l'échangeur. Dans ce second cas l’évolution des puissances échangées est prise en compte. La modélisation effectuée porte sur chacune des températures des fluides, et sur celles des deux parois, internes et externes. On montre que la réponse du système peut être obtenue en utilisant un modèle à une seule exponentielle pour les parois et le fluide non perturbé, tandis qu'un modèle à deux exponentielles est nécessaire pour rendre compte de l'évolution de la température du fluide perturbé. On constate qu'il existe dans l'échangeur une constante de temps propre à chaque sous système. L'utilisation d'une double exponentielle permet de rendre compte de la non idéalité de la perturbation, et implique la définition d'un paramètre de transition. Celui se substitue à la notion de temps de retard que l'on retrouve habituellement dans la modélisation des échangeurs de type liquide-liquide. Cette notion de temps de retard n'apparaît pas pour le fluide non perturbé et la paroi interne, par contre elle se retrouve pour la paroi externe.

The present thesis is concerned by experimental study of gas-gas bitubular heat exchangers, submitted to transient conditions, for counter current and cocurrent configurations. The transient imposes conditions are respective to entrance temperature or mass flux from one of the system fluids. After a synthesis of the state of the art, a study of a bitubular heat exchanger is developed, with two different modelling approachs. The first one considers the heat exchanger system as a whole (lumped system analysis) : only entrance and exit state are concerned. In the second approach, the heat exchanger is modelled on a local point of view : the various local 1D sections are taken into account ; the transient heat exchanger response to the solicitation is reported relative to temperatures evolution, and also heat fluxes exchanged. The various exposed models allow to consider fluid temperatures, but also internal and external walls temperatures. It is shown that the temperature response of the system is obtained with a first order exponential model for the walls and the non perturbed fluid ; a two exponent model is necessary for the temperature of the perturbed fluid. So we observe that a specific time constant exist for each subsystem inside the HEX ; the biexponential model allows us to take account of the non ideality of the perturbation, and implies to introduce a transition parameter in place of time lag. This last notion currently used for liquid-liquid HEX has not been caracterized until now. The time lag does not appear in the models concerning perturbed fluid, and internal wall ; however this time lag is necessary to describe adequately the internal wall.