Etude expérimentale des transferts de chaleur dans un outillage : refroidissement par un écoulement diphasique

Experimental study of heat transfers in an industrial tool : two-phase flow cooling

• Auteur / Autrice : Gwenc'hlan Tymen
• Direction : Pierre Mousseau, Alain Sarda, Nadine Allanic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l’ingénieur
• Date : Soutenance le 13/12/2017
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Caltagirone
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Ayel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Régnier, Michel Gradeck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Écoulement diphasique

Mots clés libres

Ebullition convective

Instrumentation thermique expérimentale

Résumé

Les presses hydrauliques à compression sont utilisées afin de mettre en oeuvre des thermoplastiques. La maîtrise des champs thermiques à la surface des plateaux de presse est essentielle pour garantir une transformation de qualité des matériaux. La mise en forme des composites dits « haute performance » met en jeu d’importants transferts thermiques au niveau du plateau : montée en température jusqu’à 450 °C par résistances électriques, puis refroidissement par écoulement d’eau au sein de canaux cylindriques. L’apparition de phénomènes d’ébullition convective liés aux niveaux de température mis en jeu rend délicate la maîtrise des vitesses de refroidissement lors du procédé. L’objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est d’étudier la phase de refroidissement à l’eau de plateaux de presse, dans des conditions représentatives du procédé industriel. Deux configurations expérimentales sont retenues. Dans un premier temps, l’étude se concentre sur l’analyse de l’écoulement diphasique eau-vapeur dans un canal horizontal. Une caméra rapide permet d’observer les régimes d’écoulements apparaissant dans un canal en quartz. Puis, l’évolution des champs thermiques le long d’un canal en acier inoxydable est menée, à l’aide d’une instrumentation thermique fine, dont notamment un capteur intrusif mobile spécialement conçu pour mesurer la température au coeur de l’écoulement. Dans un deuxième temps, l’étude est menée sur un élément de plateau de presse, système plus représentatif de la réalité industrielle. Plusieurs essais expérimentaux sont menés afin de quantifier l’influence du débit d’eau et de la température initiale sur la vitesse de refroidissement. Un modèle numérique vient en appui de l’analyse des résultats expérimentaux pour aider à la compréhension des phénomènes. Enfin, le montage expérimental est modifié, afin d’optimiser le refroidissement du plateau et respecter une vitesse de descente en surface de 25 °C.min-1 et ouvrir des perspectives en terme de régulation du procédé.

Hydraulic press are used to develop thermoplastic materials. The control of the thermal fields at the surface of the press platens are essential to ensure a good-quality transformation. The forming of “high performance” composites is realized within high temperature levels : heating to 450°C, with electrical cartridge ; cooling, with a water flow inside cylindrical channels. The incipience of flow boiling, due to high temperature, makes the control of cooling rate difficult during the process. The goal of the works presented here is to study the cooling process of the platen, in industrial conditions. Two experimental setups are tested. On the one hand, the study focuses on the analysis of the two-phase flow boiling. A high-speed camera enables the different flow regimes to be observed in a quartz channel. Then, the evolution of the thermal fields along a stainless steel channel is led, thanks to a fine thermal instrumentation, including an intrusive mobile sensor which has been especially made to measure the flow temperature. On the other hand, the study focuses on a single part of a platen, which is more representative of the industrial conditions. Several tests are led in order to quantify the influence of the water flowrate and the initial temperature level on the cooling rate. In parallel, a numerical model is developed to comprehensively understand the phenomenon. Finally, the experimental test bench is modified to improve the cooling of the platen and to control a 25°C.min-1 cooling rate, in the purpose of finding some perspectives concerning the process regulation.