Dimensionnement et étude expérimentale d’un vaporiseur à milli-canaux

Résumé :

La récente prise de conscience écologique du monde de l’industrie s’est concrétisée dans le domaine de l’automobile par le développement de véhicules moins polluants utilisant l’hydrogène comme carburant. Le déploiement des tels véhicules roulant à l’hydrogène ne peut se faire qu’avec la création d’un réseau de distribution couvrant les besoins des futurs utilisateurs. Air Liquide, dans sa démarche répondre à la demande de la mobilité hydrogène, s’est fixé pour objectif au travers du projet FAIR de concevoir une unité mobile de production d’hydrogène utilisant un procédé de vaporeformage du méthane intensifié. Au sein de ce procédé, il est nécessaire de produire de la vapeur d’eau, la question de l’intensification de la vaporisation de l’eau s’est donc posée. Afin d’y répondre, un banc de test expérimental et un module de vaporisation ont été dimensionnés, assemblés et instrumentés au sein du Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP) à Nancy. Le banc est conçu pour vaporiser de l’eau grâce à une convection d’huile chaude. Le module de vaporisation étudié est un échangeur milli-structuré à plaques en inox possédant une vitre de visualisation permettant l’enregistrement de films à haute-fréquence de l’écoulement d’eau bouillant. Quatre plaques ont été testées : deux plaques sur lesquelles 10 canaux droits hémicylindriques sont soit fraisés, soit produits par fabrication additive, une plaque avec des canaux de géométries variées et enfin, une plaque où sont gravés sept canaux droits garnis de motif triangulaires. Une nouvelle technique innovante de post-traitement a été développée afin de produire des « Diagrammes Spatio-Temporel » représentant l’évolution spatiale des différentes interfaces liquide-vapeur présentes dans les canaux au cours du temps. L’utilisation de ce nouvel outil permet non seulement de déterminer les phénomènes d’ébullition (nucléation spontanée et oscillations du niveau de liquide), de comprendre leur chronologie mais aussi de caractériser les régimes hydrodynamiques présents dans les canaux (régime de bulle, de bouchons de vapeur, churn, annulaire et d’assèchement). Ils permettent également la quantification de grandeurs opératoires telle que la qualité de vapeur locale afin de tracer des cartes de régime. Grâce aux différentes grandeurs opératoires relevées sur le banc, la caractérisation des pertes thermiques du module a été réalisée afin de pouvoir estimer d’une part la qualité de vapeur en sortie de module par un bilan thermique et d’autre part des coefficients de transfert thermique convectif de l’écoulement d’eau à l’équilibre liquide-vapeur. Enfin, une proposition de méthodologie de pré-dimensionnement de vaporiseur milli-structurés produits par fabrication additive est proposée. Elle s’appuie sur deux cas d’études portant sur l’intensification de la vaporisation de l’eau dans une unité mobile et un procédé de taille industrielle.