Études expérimentale et numérique des mécanismes de condensation de vapeur d'eau au sein d'un mini-canal d'échangeur

Experimental and Numerical Studies of Water Vapor Condensation Mechanisms in a Mini-Channel

• Auteur / Autrice : Nam Le
• Direction : Frédéric Plourde, Matthieu Fénot, Dominique Couton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 30/08/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Marvillet, Arnaud Mura, Maroun Nemer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Sartre, Christian Ruyer-Quil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vapeur d'eau

Transfert de chaleur

Simulation par ordinateur

Écoulement diphasique

Échangeurs de chaleur

Condensation

Changement d'état (physique)

Mots clés libres

Coefficient d'échange local

Couplage de la méthode Level-set et VDF

Local heat transfer coefficient

Coupling of Level-set method and Volume of Fluid method

Résumé

L’échangeur de chaleur occupe une place essentielle et indispensable dans tous les systèmes énergétiques : plus de 90% de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels se fait moyennant, au moins une fois, un échangeur de chaleur. Cette thèse est dédiée à l’étude des phénomènes physiques mis en jeu dans un échangeur à condensation, siège de transferts par chaleur latente. Notre étude s’oriente particulièrement vers la condensation dans un mini-canal, pour répondre notamment à des problématiques de compacité. Si de nombreux travaux existent pour les fluides frigorigènes, il n’en est pas de même pour l’eau, fluide peu étudié, disponible et qui pourrait pourtant s’avérer prometteur en terme d’efficacité aux transferts. Ce travail a porté parallèlement sur une approche expérimentale et sur des simulations numériques.D’un point de vue expérimental, une boucle diphasique conçue et mise au point intégralement au laboratoire est composée de différents éléments dont les principaux sont deux condenseurs co-axiaux à contre-courant en série. Chacun d’eux est constitué d’un tube central de 3 mm de diamètre, de longueur 800 mm permettant de suivre la condensation de la vapeur. La visualisation, s’effectuant dans une section adiabatique transparente, a permis d’observer quatre régimes d’écoulements différents selon les paramètres opératoires tels que la pression de saturation (0,7≤p≤1,2 bar), le débit de vapeur (51,4≤G≤85,1 kg/m²s), le titre de vapeur (0≤x≤1). Des écoulements annulaires, à poches, à bouchons et à bulles ont pu être identifiés. La métrologie développée (mesures de températures locales et de pressions) a permis de quantifier le coefficient de transfert convectif local h et la perte de charge globale Δp. L’analyse des résultats permet de montrer, d’une part la croissance de h avec le titre de vapeur, et d’autre part la variation de h avec les changements de topologie d’écoulements : la transition entre le régime annulaire et ceux qui lui succèdent influence le comportement thermique de l’écoulement.D’un point de vue numérique, le code DFMVOF a été développé initialement pour la simulation numérique des écoulements diphasiques, en particulier des écoulements eau-vapeur sans changement de phase. Ce code utilise le couplage des méthodes Level-Set et Volume-of-Fluid (CLSVOF) afin de bénéficier des avantages des deux méthodes : précision, continuité de l’interface, ainsi que conservation de la masse à chaque itération. Dans un premier temps, la validation du code a été faite pour des configurations simples à partir du code DFMVOF : les résultats obtenus convergent vers des solutions analytiques et expérimentales issues de la littérature. Dans un deuxième temps, un choix de modèle de changement de phase a été effectué pour retenir le modèle d’interface raide (sharp interface model) : le terme source est évalué à partir de la loi de Fourier et les relations de Rankine-Hugoniot au niveau de l’interface. Celui-ci a été implémenté dans le code existant : prise en compte de l’équation de l’énergie, introduction d’un terme source aux équations directrices. Le modèle de condensation a été validé par comparaison avec les solutions analytiques (1D : problème de Stefan, 2D : évaporation d’une bulle de vapeur). Dès lors, des premiers calculs permettent de simuler la condensation de vapeur en mini-canal et d’identifier des évolutions spatiale et temporelle de la topologie d’un écoulement liquide-vapeur.

The heat exchanger plays an essential and indispensable role in all energy systems: more than 90% of the thermal energy used in industrial processes is done through, at least once, a heat exchanger. This thesis aims to the study of the physical phenomena involved in a condensation heat exchanger, in which latent heat transfer takes place. Our study is particularly oriented towards condensation in a mini-channel, which could allow us to respond to compactness issues. While refrigerant fluids have been extensively studied, water as working fluid has not drawn much attention up to now. This work has been carried out in parallel with an experimental approach and numerical simulations.From an experimental point of view, a two-phase loop designed and developed entirely in the laboratory is composed of different elements, the main ones being two co-axial counter-current condensers in series. Each of them is constituted of a central tube of 3 mm diameter, of 800 mm length allowing to follow the condensation of the vapor. The visualization, taking place in a transparent adiabatic section, allowed us to observe four different flow regimes depending on the operating parameters such as saturation pressure (0,7≤p≤1,2 bar), vapor mass flow rate (51,4≤G≤85,1 kg/m²s), vapor quality (0≤x≤1). Annular, slug, plug and bubble flows could be identified. The developed metrology (local temperature and pressure measurements) allowed to quantify the local heat transfer coefficient h and the global pressure drop Δp. The analysis of the results shows, on the one hand, the growth of h with the vapor quality, and on the other hand, the variation of h with the changes of flow topology: the transition between the annular regime and those that follow it influences the thermal behavior of the flow.From a numerical point of view, the DFMVOF code was initially developed for the numerical simulation of two-phase flows, in particular water-vapor flows without phase change. This code uses the coupling of the Level-Set and Volume-of-Fluid (CLSVOF) methods in order to benefit from the advantages of both methods: accuracy, continuity of the interface, as well as conservation of the mass at each iteration. In a first step, the validation of the code has been done for simple configurations using the DFMVOF code: the results obtained converge with analytical and experimental solutions from the literature. In a second step, a choice of phase change model was made to retain the sharp interface model: the source term is evaluated from the Fourier law and Rankine-Hugoniot relations at the interface. This model has been implemented in the existing code: taking into account the energy equation, introducing a source term to the governing equations. The condensation model has been validated by comparison with analytical solutions (1D: Stefan problem, 2D: evaporation of a vapor bubble). From then on, first calculations allow to simulate the condensation of vapour in a mini channel and to identify spatial and temporal evolutions of the topology of a liquid-vapour flow.