Condensation et évaporation des mélanges : Revue des corrélations et méthodes de calculs des transferts de chaleur

Il a été mis en évidence, suite à l’analyse de la littérature existante, que le nombre de travaux menés à propos des phénomènes de transfert de chaleur diphasiques, et plus spécifiquement dans le cas de mélanges de fluides, est extrêmement important. Ainsi, cette thématique est en constante investigation au regard de l’évolution du nombre de publications depuis plus d’une trentaine d’années ; en ce qui concerne la période 2018 – 2023, c’est non moins de 388 documents (articles, thèses, livres) qui ont été publiées à propos ou en lien avec ce sujet.

Du fait du nombre très conséquent de publications, plusieurs critères de sélection ont été appliquées à ces dernières afin de restreindre le sujet d’étude de ce rapport et d’en conserver la pertinence. Ces critères sont largement expliqués au sein dudit rapport.

L’orientation de ce rapport découle notamment du fait que le nombre de corrélations diphasiques existantes applicables aux mélanges zéotropes est conséquent et qu’il n’existe pas, ou très peu, de documents de synthèse permettant d’avoir une vision globale et claire les concernant. En effet, les articles de synthèse existants au sein de la littérature, très pertinents pour un grand nombre d’entre eux, sont bien souvent très spécifique ou complexe dans l’utilisation des informations qui y sont répertoriées.

Ce rapport technique se veut, bien que conséquent, être un document de synthèse qui permettra de répertorier l’ensemble des corrélations de transfert thermique diphasique jugées pertinentes à propos de la « condensation et l’évaporation de mélanges zéotropes en milieu confiné ». Afin que ce document soit le plus complet possible, au-delà de l’analyse des phénomènes de condensation et d’évaporation, les corrélations retenues seront également identifiées spécifiquement en fonction de deux principaux paramètres :

• Le type d’espèces constituant les mélanges zéotropes (Hydrocarbures, Série 400, CO2, …) ;
• Le type d’architecture concernée (tube lisse ou rainuré, échangeur à plaques horizontal ou vertical, …).

Un nombre plus important de paramètres caractérisant les corrélations sera également répertorié pour chacune d’elles au sein de leur tableau récapitulatif de domaine de validité.

A savoir que ce rapport permettra notamment de compléter les domaines de validités originaux des corrélations sélectionnées suite à leur utilisation et validation au sein de la littérature dans d’autres cas d’applications. A notre connaissance, cette distinction entre « domaine de validité original » et « domaine de validité étendu » n’a jamais été effectué de manière stricte et bien identifiée au sein de la littérature, ce qui permettra d’apporter une réelle analyse synthétique pertinente de l’état de l’art corrélatif.

Afin d’effectuer ce travail de synthèse, il est nécessaire dans un premier temps de répertorier l’ensemble des corrélations existantes répondant au différents critères listés jusqu’ici. Ainsi, c’est non moins de 215 corrélations diphasiques qui ont été analysées initialement et parmi ces dernières, 101 corrélations ont été jugées pertinentes et retenues avec une répartition de :

• 54 corrélations en condensation ;
• 47 corrélations en évaporation.

Pour permettre cette sélection de corrélations, l’ensemble de la littérature répondants aux critères de choix précédemment cités a été analysée. Parmi cette littérature, c’est notamment plus de 470 publications techniques et scientifiques qui ont été ainsi étudiées de manière approfondie ; ces publications donnant des détails sur les corrélations en elles-mêmes ou sur leur application / comparaison avec des cas d’études spécifiques.

Cette liste finale de corrélations est relativement importante ; cependant, cette dernière répond au besoin de synthèse globale non présente au sein de la littérature scientifique (par type de fluide constitutif de mélanges zéotropes et d’architectures d’échangeur / canal), ainsi qu’à une sélection rigoureuse quant à la prise en compte de corrélations jugées pertinentes. Ce choix sélectif repose quant à lui sur quatre principaux éléments :

• Justesse prédictive de la corrélation ;
• Domaine de validité de cette corrélation (initial et étendu) ;
• Nombre d’articles faisant référence à cette corrélation ;
• La notoriété des auteurs/équipes de recherche qui citent ou sont à l’origine de cette corrélation.

Ainsi, à l’inverse des Rapports Techniques du GRETh publiés au cours des dernières années, à propos de corrélations de transfert thermique, ce rapport est spécifiquement dédié à la sélection de corrélations, leur description et le détail de leur domaine de validité, sans mise en application desdites corrélations et comparaison à propos de leur comportement prédictif.

L’ensemble des corrélations sélectionnées est détaillé dans le rapport, avec une distinction entre les corrélations de condensation et d’évaporation. Ces différentes corrélations ne seront pas étudiées sous la forme d’analyses comparatives, suite à leur mise en applications pour différents cas de calculs. Néanmoins, des préconisations seront établies en fin de ce rapport quant aux choix de corrélations se trouvant être les plus appropriées selon le type de phénomène diphasique, le type de fluides constitutifs de mélanges zéotropes ou encore d’architectures d’échangeurs.

Ainsi, au-delà de la transparence méthodologique que le GRETh souhaite promouvoir auprès de ses adhérents, il est important de noter que le travail de sélection de corrélations est un travail chronophage, méticuleux et qui demande, malgré le contenu de ce document de synthèse qui cherche à être le plus clair et explicite possible, un regard expert sur les données obtenues et leur mise en application par la suite.