Etude de la condensation à basse préssion et mesure des vitesses limites d'engorgement

Study of condensation phenomenon at low pressure and measure of flooding velocities

• Auteur / Autrice : Jean-Damien Berrichon
• Direction : Hasna Louahlia-Gualous
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg (1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Brahim Sarh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hasna Louahlia-Gualous, Brahim Sarh, Mustapha Hellou, Christophe Marvillet, Philippe Bandelier, Nicolas Bariteau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mustapha Hellou, Christophe Marvillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures physiques

Transfert de chaleur

Basses pressions

Mélange

Écoulement diphasique

Condensation

Turbulence

Échangeurs de chaleur

Résumé

Ce mémoire traite de la condensation de la vapeur d’eau avec ou sans présence d’incondensables. Il se décompose en deux grandes parties : une partie d’analyse numérique et une partie expérimentale. Un banc d’essais expérimental a été monté afin de traiter de la condensation de la vapeur d’eau à basse pression. La caractérisation de l’échange thermique est présentée pour différentes configurations de la vapeur : en co-courant et contre-courant. En configuration co-courant, l’effet de la présence de l’air est caractérisé en position verticale et inclinée. Nous montrons que l’échange est amélioré à mesure que l’on incline notre tube dans l’intervalle compris entre 90 et 45° par rapport à l’horizontal. Des essais ont également été effectués afin de caractériser l’échange pour une circulation de la vapeur à contre-courant. Nous avons montré que la vitesse de la vapeur devait être limitée afin de ne pas perturber le film de condensat. Ce phénomène de perturbation vu comme un signal précurseur à l’engorgement a longuement été étudié grâce à un banc expérimental monté également pendant la thèse. Il permet l’étude des vitesses limites liées à l’engorgement pour un écoulement eau-air circulant à contre-courant. Trois limites distinctes ont été recensées et caractérisées grâce à des mesures de chute de pression, et ce, pour différents débits et inclinaisons. Enfin nous présentons un modèle physique permettant de modéliser le phénomène de la condensation à basse pression pour les deux configurations étudiées. La présence de l’air est prise en compte. La théorie de la couche de diffusion est utilisée en combinant les équations de conservation de mouvement, de chaleur et de masse.

In this work, numerical analyses accompanied with experimental validations are conducted in the aim of the investigation of the vapor condensation and steam-air mixture phenomena. An experimental apparatus is built for the facilitation of measurements and reproduction of real condensation occurrences under sub-atmospheric pressure. During experiments, the heat transfer characterization is presented in co and counter current vapor configurations. In the co-current configuration, the non-condensable gas is investigated for vertical and inclined tubes. The results show that the heat transfer is enhanced by inclining the tube 45 to 90° from the horizontal level. Plus, some experiments were done to characterize the heat exchange for vapor condensation in counter-current configuration. The experimental results show that the vapor velocity should be limited under certain values to prevent the disturbing of the liquid film flow. This phenomenon, which is considered like an indication for the creation of flooding phenomenon, was studied using an additional experimental apparatus built during the thesis work. It permits determining the limit velocity associated to the flooding phenomenon for a counter-current air-water flow. Three physical limits have been recognized thanks to pressure drop, and for different water flow rates, and tube inclinations. Furthermore, a physical model that takes into account the presence of air and permits modeling the condensation phenomenon in sub-atmospheric pressure for the two configurations studied experimentally is presented. This model comprises the diffusion boundary layer theory by combining of the momentum, heat and mass balance equations.