Figure

Objet

L'amélioration de performances des procédés thermiques à adsorption passe par l'intensification des échanges thermiques dans les adsorbeurs afin de raccourcir les temps de cycles et augmenter ainsi les puissances spécifiques. Le recours aux transferts de chaleur par changement de phase du fluide caloporteur est une voie à explorer qui implique de bien caractériser ces échanges en mode transitoire, mode dans lequel ils sont mal connus. L'étude expérimentale présentée ici a pour but de caractériser et modéliser des phases de chauffage rapide d'un solide, en mode transitoire, par condensation de vapeur d'eau à 150C. La suite de l'étude concernera le refroidissement de 150C à 25C, par évaporation d'eau liquide injectée à 25C.

Description

Le montage expérimental schématisé en figure 1 comporte essentiellement :

- la source de vapeur d'eau saturée à 150C-5 bars (une chaudière électrique),

- la cellule à chauffer.

Cette cellule est un tube de cuivre très épais (14 mm de diamètre intérieur, d'épaisseur 42 mm), d'environ 30 kg, disposée verticalement. Elle est subdivisée en 10 blocs de 45 mm de longueur. La vapeur est injectée par le haut et vient se condenser en film sur les parois du tube. Les condensats s'écoulent dans un collecteur placé sous la cellule. Celui-ci est muni d'un détecteur de niveau permettant de mesurer le débit de condensation. On mesure également l'évolution des températures des 10 blocs, ainsi que les pressions et températures de la vapeur.

Résultats et perspectives

La figure 2 présente l'évolution de la température de la vapeur et de la température de saturation au cours de l'expérience. On remarque qu'on se trouve très vite à l'équilibre liquide-vapeur. La figure 3 montre l'évolution des températures des deux blocs extrêmes et du bloc du milieu. On observe que le chauffage se fait très rapidement, mais non uniformément. L'échange de chaleur varie donc à la fois axialement et au cours du temps. En résolvant le problème inverse de conduction de la chaleur, on a pu reconstituer les températures à la surface intérieure de chaque bloc et en déduire les coefficients d'échange fluide-paroi (figure 4). Ceux-ci sont en moyenne dix à quinze fois supérieurs à ce que l'on on obtient avec un liquide, cependant ils évoluent de façons très différentes selon les blocs. Le transfert de chaleur dépend en effet du régime d'écoulement du film de condensat. On a pu mettre en évidence trois régimes : écoulement turbulent avec fortes vitesses vapeur, écoulement laminaire avec fortes vitesses vapeur et écoulement laminaire avec faibles vitesses vapeur. D'après des études faites pour le régime permanent, on a pu établir des corrélations entre le nombre de Nusselt, le nombre de Reynolds du film et la vitesse vapeur, permettant de représenter ces différents régimes (figure 5). On se servira de ces résultats pour simuler des cycles à adsorption utilisant un fluide diphasique comme fluide caloporteur.

* GRETH-CENG Grenoble (groupe de thermodynamique des fluides diphasiques)

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