Etude expérimentale de l'amélioration de la distribution diphasique dans un échangeur thermique à l'aide d'ultrasons

Experimental study of the enhancement of the two-phase distribution in a heat exchanger using ultrasound

• Auteur / Autrice : Florian Tingaud
• Direction : André Bontemps, Sébastien Ferrouillat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 18/12/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Marvillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Bontemps, Sébastien Ferrouillat, José Miguel Corberan Salvador, Nicolas Gondrexon, Stéphane Colasson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Fournaison, Viviane Renaudin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrasons

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Distribution diphasique

Échangeur à minicanaux

Ultrasons

Fluid Mechanics

Two-phase flow

Distribution mini-channel Exchanger

Ultrasounds

Résumé

Les préoccupations relatives à la consommation de l’énergie et notamment des pertes provoquent une demande d’optimisation toujours plus forte des procédés. La recherche de l’efficacité maximale dans les échangeurs de chaleur est d’autant plus forte lorsque ceux-ci ne fonctionnent pas au régime nominal. L’étude présentée dans ce mémoire se concentre sur une problématique de l’efficacité des échangeurs thermiques : la distribution diphasique. Le but de ce travail a été de montrer la faisabilité d’un dispositif améliorant la répartition des deux phases dans un échangeur à mini canaux. La méthode choisie a été l’introduction d’ultrasons par le biais de générateurs placés dans le distributeur produisant une fontaine. Cette technologie présente l’avantage d’être facilement modulable en ne changeant que la tension d’entrée des appareils. Ceci permet donc de pouvoir adapter le dispositif aux différentes conditions opératoires. Des essais expérimentaux ont été réalisés dans différentes conditions, en changeant notamment le débit de chaque phase. La densité de flux massique a été variée de 60 kg.m-2.s-1 à 450 kg.m-2.s-1 et le titre massique de moins de 1% à plus de 23% en entrée de section d’essais. Les comparaisons entre les différents essais se sont faite par la mesure des débits de chaque phase sortant des canaux. L’introduction des ultrasons a également été étudiée en jouant sur le placement et le nombre des générateurs d’ultrasons. Cette technologie s’est alors montré viable car la distribution diphasique est améliorée dans une grande majorité des cas testés. Des phénomènes intéressant ont même été observés, permettant lors d’une prochaine étude, des approches différentes mais complémentaires.

Concerns about energy consumption including thermal losses cause a need in greater optimization of the processes. The goal of the maximum efficiency in heat exchangers is even stronger when they do not work at nominal conditions. The study presented in this paper focuses on the two-phase flow distribution problematic. The aim of this work was to demonstrate the feasibility of a device that can improve the distribution of the two phases in a mini-channel heat exchanger. The method chosen was the introduction of ultrasound through generators placed in the distributor where they can produce an ultrasonic fountain. This technology has the advantage of being easily adjustable by changing the input voltage of the devices. This therefore allows the device to adapt to different operating conditions. Experimental tests have been done under different conditions, in particular by changing the flow rate of each phase. The mass flow density was varied from 60 kg.m-2.s-1 to 450 kg.m-2.s-1 and the mass quality of less than 1% to over 23% at the tests section inlet. Comparisons between different tests were made by measuring flow rates of each phase at the outlet of the channels. The introduction of ultrasound was also studied by varying the placement and number of the generators of ultrasound. This technology has been shown as viable two-phase distribution enhancement in a majority of cases tested. Interesting phenomena were even observed, which allows, for a future study, different but complementary approaches.