Étude expérimentale de la dynamique des phénomènes au sein d’un condenseur
Les échangeurs de chaleur sont largement utilisés dans l’industrie. Il en existe différents types en fonction, par exemple, de l’état des fluides utilisés (monophasique ou diphasique) ou de leur géométrie (tubes et calandre, à plaques, à ailettes). Parmi ces échangeurs, les condenseurs sont des composants majeurs dans des domaines industriels variés. De nombreuses études ont été réalisées sur la condensation à l’état stationnaire (qu’elle soit interne ou externe) mais l’on trouve peu de travaux en régime transitoire. Cependant une variation du régime de refroidissement du condenseur peut avoir un impact non négligeable sur la condensation et la réponse en pression du système (pouvant, dans des cas extrêmes, amener à la détérioration de l’échangeur).
La présente étude se focalise sur les condenseurs de type tubes et calandre se caractérisant par la circulation d’un fluide froid à l’intérieur d’un faisceau de tubes et d’un fluide se condensant à l’extérieur de ce faisceau. L’objectif est d’obtenir une meilleure appréhension des phénomènes apparaissant lors de transitoires de débit de refroidissement et en particulier lors d’une diminution ou d’un arrêt du débit de refroidissement. Compte tenu de la grande complexité des phénomènes, cette compréhension passe par la mise en place d’un dispositif expérimental visant à réaliser des essais en régime stationnaire et transitoire. Ce dispositif est divisé en deux circuits. Le circuit dit « chaud » est composé d’un bouilleur permettant la génération de la vapeur, d’un surchauffeur afin de compenser les pertes thermiques des conduites et des différents composants, du condenseur représentatif d’une petite portion d’un échangeur à tubes et calandre et qui représente le composant d’intérêt de l’étude, et d’une pompe permettant le retour des condensats au bouilleur. Le circuit de refroidissement permet quant à lui l’alimentation, et le contrôle précis du débit et des températures du fluide froid du condenseur par l’intermédiaire d’une pompe et de cryostats. De nombreuses mesures (température, pression, débit) sont mises en place afin d’observer des variations de grandeurs globales (pression au sein du condenseur, température de sortie du fluide de refroidissement, débit de vapeur de la boucle, débit de condensation, etc) ainsi que des grandeurs plus locales (température de sortie de chaque tube, température de paroi externe des tubes en différents points, etc). Ces différentes mesures ont pour objectif une meilleure compréhension de la dynamique de condensation en régime transitoire. Par ailleurs, un dispositif de visualisation est également mis en place au niveau des parois du condenseur dans le but de caractériser l’écoulement du film de condensat.
En parallèle, deux modèles de calcul sont développés. Le premier est un modèle dit « nodal » dans lequel sont représentés les composants principaux de la boucle d’essais sous forme de composants 0D. Il permet de prédire la réponse globale de la boucle face aux différents transitoires étudiés. Le second modèle s’appuie sur une modélisation 0D de l’écoulement extérieur-tube et 2D de l’intérieur-tube. Il permet une prédiction plus précise de la réponse du condenseur pour des conditions aux limites données.