Echangeurs à plaques corruguées en mode monophasique et en condensation : études expérimentale, numérique et analytique, et analyse des écoulements et des transferts thermiques

Corrugated plate heat exchangers in single phase mode and in condensation : experimental, numerical and analytical studies and analysis of fluid flow and heat transfers

• Auteur / Autrice : Kifah Sarraf
• Direction : Lounès Tadrist, Stephen Launay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Michel Gradeck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hassan Peerhossaini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Marvillet, Marc Miscevic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes de simulation

Plaques (ingénierie)

Transfert de chaleur

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Écoulement diphasique

Condensation

Échangeurs à plaques

Transferts thermiques

Pertes de pression

Structures d'écoulement

Simulation numérique

Thermographie infrarouge

Two-Phase flow

Condensation

Plate heat exchangers

Heat transfers

Pressure drop

Flow structures

Numerical simulations

Infrared thermography

Résumé

Ce travail de recherche examine aux échelles globale et locale les caractéristiques thermo-hydrauliques au sein des échangeurs à plaques ondulées pour les écoulements monophasiques et en mode condensation. Il comprend deux parties :La première partie concerne l'analyse des structures d'écoulement en mode monophasique à partir d'un outil de simulations numériques, et dont les résultats sont validés à partir d'une campagne expérimentale. L'exploitation des résultats de simulations, à partir d'observables judicieusement sélectionnées, a permis de quantifier les grandes classes d'écoulement en fonction des paramètres géométriques et fluidiques de l'échangeur. Ce nouvel éclairement sur les structures d'écoulement a conduit à la proposition d'un modèle général original sur les lois de friction au sein de ces échangeurs de géométrie d'écoulement complexe.La deuxième partie concerne l'étude de la condensation de la vapeur avec et sans surchauffe en entrée de l'échangeur. Ainsi, un dispositif expérimental permettant le contrôle précis des conditions aux limites a été développé, et une métrologie spécifique, basée sur la thermographie infrarouge a également été mis au point, afin de remonter à certaines grandeurs locales le long du condenseur (titre de vapeur, coefficient d'échange thermique...). On observe ainsi une très forte variabilité des coefficients d'échanges thermiques et de la densité de flux de chaleur le long du condenseur, et la surchauffe de la vapeur tend à intensifier les transferts thermiques. Ce complément de mesures remet en question certaines hypothèses de la littérature quant à l'élaboration de corrélations sur les transferts de chaleur dans les condenseurs.

This research work examines at the global and local scales the thermo-hydraulic characteristics of plate heat exchangers with corrugated chevron plates, for single-phase and condensation flows. The study is divided into two parts:The first part concerns the analysis of flow structures of single-phase flows using numerical simulations, which are validated using the results of the experimental campaign. The analysis of the simulations results, from a flow characteristic observable that has been carefully chosen, has allowed quantifying the main flow categories as a function of the heat exchanger geometric parameters and the flow characteristics. This new information on the flow structures has led to the proposal of an original generalized model of the friction law inside this type of heat exchanger with complex geometry.The second part concerns the study of condensation with and without vapor superheating at the inlet of the heat exchanger. Thus, a specific experimental setup allowing precise control of the boundary conditions has been developed. Otherwise a specific metrology, based on infrared thermography, has been set to the point in order to determine the variation of certain local quantities along the condenser (vapor mass fraction, heat transfer coefficient...). Thus, we observe a high and wide variability of the heat transfer coefficients and the heat flux density along the condenser, and the superheating of the vapor tends to increase the heat transfers. These additional measures question certain assumptions of the literature regarding the development of heat transfer correlations in plate heat condensers.