Falling film evaporation on a single tube and on a tube bundle

Résumé :
Cette étude est une contribution à l'amélioration des échangeurs de chaleur à film tombant. Ce type d'évaporateur peut potentiellement être largement employé dans l'industrie pétrochimique, pour la désalinisation de l'eau de mer ou dans les grands systèmes de climatisation.

Un stand d'essai expérimental a été réalisé afin d'étudier l'évaporation de R-134a liquide s'écoulant verticalement sur un alignement de 10 tubes horizontaux en cuivre d'une longueur de 0.55m et de diamètre 19.1mm. Un soin particulier a été apporté à la maîtrise de l'uniformité de la distribution de liquide au niveau du tube supérieur. Les tubes testés sont: un tube lisse de référence, deux tubes à surface mécaniquement améliorée (Turbo-BII HP et GeWa-B) et un tube à revêtement poreux (High-Flux). Les mesures ont été réalisées pour trois espacements entre les tubes, trois flux de chaleur nominaux et une large gamme de débit de réfrigérant s'écoulant sur les tubes. Les coefficients de transfert de chaleur en ébullition en vase ont été mesurés afin d'établir une référence.

Les paramètres expérimentaux sont le nombre de Reynolds du film liquide qui est compris entre 0 et 3000, la densité de flux de chaleur locale qui varie entre 20 et 60kW/m2 et la distance séparant les axes des tubes qui est comprise entre 22.3 et 25.5mm. Les coefficients de transfert de chaleur ont été mesurés localement au milieu des tubes pour chacun des dix tubes. L'étude montre qu'il existe deux types de fonctionnements fondamentaux caractérisés par un nombre de Reynolds de film particulier:

· Au-dessus de ce nombre de Reynolds seuil, l'ébullition nucléée dans le film gouverne le transfert de chaleur; ce coefficient d'échange de chaleur local devient alors indépendant du nombre de Reynolds.

· En deçà, l'apparition de zones asséchées entraîne une forte chute du coefficient d'échange local.

Le coefficient de transfert de chaleur par évaporation de film est approximativement 1.3 fois plus important que le coefficient de transfert de chaleur en ébullition en vase et ce coefficient multiplicateur est fonction du flux de chaleur et de l'espacement entre les tubes mais pas des modes d'écoulement du liquide.

A l'issue de ce travail, la compréhension des phénomènes impliqués dans l'évaporation des fluides réfrigérants en film tombant a été améliorée. Une méthode pour prédire la limite d'apparition des zones sèches a été développée et une corrélation pour le transfert de chaleur lors de l'évaporation en film tombant proposée. Elles constituent une amélioration significative pour la conception des évaporateurs à film tombant.