Optimisation d'échangeurs à films ruisselants

Optimization of falling film exchangers

• Auteur / Autrice : Nicolas Cellier
• Direction : Christian Ruyer-Quil, Philippe Bandelier, Nadia Caney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 12/04/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire procédés énergie bâtiment (Le-Bourget-du-Lac, Savoie, France ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Colin, François Gallaire, Michel Gradeck, Georg Dietze, Benoît Stutz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Gallaire, Michel Gradeck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Films liquides (physique)

Échangeurs de chaleur

Mots clés libres

Efficacité énergétique

Solaire thermique

Stockage

Absorption

Film ruisselant

Energy efficiency

Thermal solar

Storage

Absorption

Falling film

Résumé

On considère le transfert de chaleur au travers d'un film liquide de faible épaisseur s'écoulant par gravité le long d'un plan incliné, l'objectif étant de comprendre les mécanismes d'intensification des transferts par l'hydrodynamique du film et d'optimiser la géométrie d'un échangeur.Un modèle simplifié fondé sur une méthode intégrale aux résidus pondérés appliquée aux équations de Navier-Stokes et de Fourier a été développé. Un outil de résolution de système d'équations aux dérivées partielles utilisant la méthode des lignes a été écrit. Celui-ci utilise les différences finies pour discrétiser les dérivées spatiales et un schéma Runge Kutta implicite d'ordre élevé couplé à un contrôleur de pas de temps afin de garantir une résolution stable et performante des modèles.Ce modèle simplifié nous a permis de mettre en avant les liens entre l'hydrodynamique (et en particulier la recirculation ayant lieu au sein de la crête des ondes propagatives) et l'intensification des phénomènes de transferts, lien confirmé par résolution des équations primitives du problème.En effet, une étude paramétrique de l'intensification des transferts sur un élément représentatif d'une plaque d'échangeur par une excitation monochromatique en entrée d'écoulement a été menée. Elle montre le lien entre la présence de recirculation au sein des ondes propagatives et accroissement des transferts.Le modèle a été étendu afin de prendre en compte un fond à géométrie variable. Des travaux préliminaires sur l'effet d'un fond ondulé sur les transferts indiquent qu'une faible inclinaison soit nécessaire pour qu'un effet notable soit observé

We consider the heat transfer across a thin liquid film flowing by gravity along an tilted plane. This work aims at the identification of the mechanisms of heat transfer intensification and the optimization of the geometry of a plate exchanger.A simplified model based on weighted residual integral method applied to Navier Stokes and Fourier equations has been developed. A tool for solving system of partial derivative equations using the method of line has also been written. Spatial discretization is dealt with finite differences. A high order implicit Runge Kutta scheme with an adaptative time stepping, allows a stable and efficient resolution.This simplified model allowed us to link the fluid's dynamics (and especially the presence of recirculations under traveling wave crests, alos called roll waves) with transfer intensification. This link has been confirmed solving the primitive equations . Indeed, a parametric study of the transfer intensification on a signature/representative element of an exchanger plate by a monochromatic frequency has been conducted showing that transfer intensification is related to the onset of roll waves.The effect of a variable wall goemetry has been included to the model. Preliminary work points out the need for a low inclination to yield a significant effect on transfer intensification