Modélisation et expérimentation des injecteur-condenseurs

= Experimental modelling of condensing-injectors

• Auteur / Autrice : Nicolas Deberne
• Direction : André Lallemand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Condensation

Écoulement diphasique

Résumé

Un injecteur-condenseur est un appareil à thermo-compression dans lequel de la vapeur entraîne un liquide sous-refroidi et refoule le mélange sous forme liquide à une pression supérieure aux deux pressions d'injection amont. Le principe de fonctionnement des injecteurs fait appel à des phénomènes thermo-hydrauliques complexes si bien que les connaissances actuelles restent essentiellement empiriques ; cette étude présente une approche à la fois théorique et expérimentale. Une description générale des injecteurs et un modèle thermodynamique idéal expliquant le principe de fonctionnement sont tout d'abord proposés. Dans une seconde partie, des résultats d'essais globaux réalisés sur plusieurs injecteurs sont présentés. Ils permettent de dégager les principales lois de similitude ainsi que les limites de fonctionnement. Ces essais sont complétés par une modélisation globale (OD) comportant une loi de fermeture déduite de nos essais. Des mesures locales 2D sont ensuite effectuées sur une veine à section rectangulaire où 1 'on a visualisé préalablement 1' écoulement. Ces mesures concernent le taux de vide, les pressions et les températures statiques. Elles permettent de déduire l'ensemble des grandeurs et des phénomènes physiques intervenants dans l 'écoulement et mettent en évidence des déséquilibres cinétiques, thermiques et thermodynamiques importants. Enfin, une modélisation locale lD est proposée pour l'ensemble de l'injecteur rectangulaire. Le modèle pour la tuyère primaire est de type homogène équilibré. Le modèle de la chambre de mélange s'appuie sur un système diphasique 6 équations et sur des lois de fermetures déduites en partie des mesures locales. Cette modélisation donne des résultats satisfaisant pour la partie amont de la chambre de mélange, mais n'a pas permis de prédire correctement l'onde de condensation. L'origine des difficultés est discutée et d'autres méthodes de résolution sont proposées.

A condensing-injector is a thermo-compression device where a steam drags directly a subcoleed liquid and delivers a liquid mixing with an outlet pressure higher than the both upstream injections pressures. The functioning principle of injectors involves sophisticated thermo-hydraulic process, and actual knowledge is essentially empirical. This work presents a theorical and experimental approach of condensing-injector. A general description of injectors is firstly presented, followed by an ideal thermo-dynamic modelling which explains clearly the principle of functioning. In a second part, we present global experimental results realized on several injectors and the main scaling and driving laws. These results are completed by a global modelling which required a closure law deduced from our experimental values. Then, local measurements (2D) are carried out on a special device with a rectangular section, where the flow was firstly visualized. This measurement are respectively, the void fraction, the static pressure and the static temperature and so, permits the calculation of all the variable and a well understanding of the physical phenomena involved in the flow. Especially, we show, in some well-defined zones, the existence of important non-equilibrium kinetic, thermal and thermodynamic phenomena. Thus, a local modelling (1D) is presented for the all part of the rectangular injector. The model for the primary nozzle is a homogeneous equilibrium model. The two-phase flow model for the mixing chamber is based on a system of six coupled governing equations and closure laws calculated from our local measurements. This model predicts good results for the upstream part of the mixing chamber, but it was impossible to solve it for the condensation wave. The causes of these difficulties are discussed and some other computing methods are investigated