{"id":21046,"date":"2024-08-19T10:40:56","date_gmt":"2024-08-19T08:40:56","guid":{"rendered":"https:\/\/greth.fr\/?p=21046"},"modified":"2025-10-27T17:13:15","modified_gmt":"2025-10-27T16:13:15","slug":"etudes-experimentale-et-numerique-des-mecanismes-de-condensation-de-vapeur-deau-au-sein-dun-mini-canal-dechangeur","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/greth.fr\/en\/etudes-experimentale-et-numerique-des-mecanismes-de-condensation-de-vapeur-deau-au-sein-dun-mini-canal-dechangeur\/","title":{"rendered":"\u00c9tudes exp\u00e9rimentale et num\u00e9rique des m\u00e9canismes de condensation de vapeur d&#8217;eau au sein d&#8217;un mini-canal d&#8217;\u00e9changeur"},"content":{"rendered":"<strong><span style=\"text-decoration: underline;\">Summary :<\/span><\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">The depletion of resources and the accumulation of pollutant gases in the atmosphere are nowadays of growing concern. The current energy transition requires that certain material and energy transformation processes be partially modified or profoundly reconsidered to fit more sustainable operating conditions. Low-carbon electricity and hydrogen can substitute fossil fuels, leading to an energy mix with a low greenhouse gas (GHG) footprint. In addition to hydrogen, the production of alternative fuels and high value-added products is another way to support the energy transition.Looking for optimal, sustainable and economical processes is therefore a major challenge that process engineers are facing. The present work has thus focused on the intensification of mass and energy transformation processes, through multifunctional units, which take advantage of the synergies between elementary functions of transformation (reaction, transfer, separation, etc.) within an intensive equipment. The concept of multifunctional reactors, coupling several elementary functions, has been a real success when historical demonstrators were created (Eastman-Kodak process, etc.), but their implementation has not been generalized, due to a lack of practical design methodology.This work focuses on the implementation of some intensification methodologies to understand and improve the performance of a process involving balanced exothermic reactions. The dimethyl ether (DME) direct synthesis from CO\u2082 and H\u2082 is considered as a case study. Different exploratory ways for the DME direct synthesis process development have been investigated based on modeling and simulation. Reactor- Heat exchanger, multifunctional reactor (reactor-heat exchanger-membrane separator), hybrid elementary block processes and a process involving the cooled reactor in a conventional process environment in the presence of additional unit operations and recycle loop are studied from different angles. Different optimization cases and strategies have been addressed which differ by the decision variables and the solving method. The different methodologies applied have demonstrated the relevance of the solutions obtained and the opening towards process innovation.At the equipment level, the profiles optimization represents the heart of the methodology. The results demonstrate the potential of multifunctional reactors: a CO\u2082 conversion per pass of 98%, a DME yield of 95% and the possibility to remove a distillation column are obtained. In order to assess the maximum achievable performance in a multifunctional reactor, a hybrid process of elementary blocks has been optimized. At the process scale, the reactor behavior has been studied to further understand the impact of the reactor integration in a recycle loop and to estimate the local and global effects on the multiple performance criteria. Based on various criteria (overall DME yield, overall CO\u2082 conversion, TRL, etc.), the comparison of the different designs revealed that a reduction of the equipment number by a factor of 11 is possible in the case of a multi-functional reactor choice.<\/p>\n<table border=\"1\" width=\"100%\">\n<tbody>\n<tr>\n<td><strong>Author<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Nam LE<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Date of presentation<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>2024, january 2nd<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Keywords<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Local heat transfer coefficient, Coupling of Level-set method and Volume of Fluid method<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\n\n\n<div class=\"eds-animate edsanimate-sis-hidden\" data-eds-entry-animation=\"bounceIn\" data-eds-entry-delay=\"0\" data-eds-entry-duration=\"1\" data-eds-entry-timing=\"linear\" data-eds-exit-animation=\"\" data-eds-exit-delay=\"\" data-eds-exit-duration=\"\" data-eds-exit-timing=\"\" data-eds-repeat-count=\"1\" data-eds-keep=\"yes\" data-eds-animate-on=\"load\" data-eds-scroll-offset=\"\">\n\t\t<div class=\"box info\">\n\t\t\t<div class=\"box-inner-block\">\n\t\t\t\t<span class=\"fa tie-shortcode-boxicon\"><\/span>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>&#x2666; The full version is only available for subscribers <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #3db2ea; color: #fff;\">\"ESSENTIEL\"<\/span><\/a> or <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #c6002c; color: #fff;\">\"PREMIUM\"<\/span><\/a> of GRETh!<\/strong><\/p>\n<p>&#x2666; If you are already a member \/ subscriber, you must identify yourself by <a href=\"\/wp-login.php\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.<br \/>\n&#x2666; If you are not a member, you can consult the offer proposed by GRETh by <a href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a> as well as the conditions of membership by <a href=\"\/en\/conditions-adhesion\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.\n\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>R\u00e9sum\u00e9 : L\u2019\u00e9changeur de chaleur occupe une place essentielle et indispensable dans tous les syst\u00e8mes \u00e9nerg\u00e9tiques : plus de 90% de l\u2019\u00e9nergie thermique utilis\u00e9e dans les proc\u00e9d\u00e9s industriels se fait moyennant, au moins une fois, un \u00e9changeur de chaleur. Cette th\u00e8se est d\u00e9di\u00e9e \u00e0 l\u2019\u00e9tude des ph\u00e9nom\u00e8nes physiques mis en jeu dans un \u00e9changeur \u00e0 condensation, si\u00e8ge de transferts par chaleur latente. Notre \u00e9tude s\u2019oriente particuli\u00e8rement vers la condensation dans un mini-canal, pour r\u00e9pondre notamment \u00e0 des probl\u00e9matiques de compacit\u00e9. Si de nombreux travaux existent pour les fluides frigorig\u00e8nes, il n\u2019en est pas de m\u00eame pour l\u2019eau, fluide peu \u00e9tudi\u00e9, disponible et qui pourrait pourtant s\u2019av\u00e9rer prometteur en terme d\u2019efficacit\u00e9 aux transferts. Ce travail a port\u00e9 parall\u00e8lement sur une approche exp\u00e9rimentale et sur des simulations num\u00e9riques.D\u2019un point de vue exp\u00e9rimental, une boucle diphasique con\u00e7ue et mise au point int\u00e9gralement au laboratoire est compos\u00e9e de diff\u00e9rents \u00e9l\u00e9ments dont les principaux sont deux condenseurs co-axiaux \u00e0 contre-courant en s\u00e9rie. Chacun d\u2019eux est constitu\u00e9 d\u2019un tube central de 3 mm de diam\u00e8tre, de longueur 800 mm permettant de suivre la condensation de la vapeur. La visualisation, s\u2019effectuant dans une section adiabatique transparente, a permis d\u2019observer quatre r\u00e9gimes d\u2019\u00e9coulements diff\u00e9rents selon les param\u00e8tres op\u00e9ratoires tels que la pression de saturation (0,7\u2264p\u22641,2 bar), le d\u00e9bit de vapeur (51,4\u2264G\u226485,1 kg\/m\u00b2s), le titre de vapeur (0\u2264x\u22641). Des \u00e9coulements annulaires, \u00e0 poches, \u00e0 bouchons et \u00e0 bulles ont pu \u00eatre identifi\u00e9s. La m\u00e9trologie d\u00e9velopp\u00e9e (mesures de temp\u00e9ratures locales et de pressions) a permis de quantifier le coefficient de transfert convectif local h et la perte de charge globale \u0394p. L\u2019analyse des r\u00e9sultats permet de montrer, d\u2019une part la croissance de h avec le titre de vapeur, et d\u2019autre part la variation de h avec les changements de topologie d\u2019\u00e9coulements : la transition entre le r\u00e9gime annulaire et ceux qui lui succ\u00e8dent influence le comportement thermique de l\u2019\u00e9coulement.D\u2019un point de vue num\u00e9rique, le code DFMVOF a \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9 initialement pour la simulation num\u00e9rique des \u00e9coulements diphasiques, en particulier des \u00e9coulements eau-vapeur sans changement de phase. Ce code utilise le couplage des m\u00e9thodes Level-Set et Volume-of-Fluid (CLSVOF) afin de b\u00e9n\u00e9ficier des avantages des deux m\u00e9thodes : pr\u00e9cision, continuit\u00e9 de l\u2019interface, ainsi que conservation de la masse \u00e0 chaque it\u00e9ration. Dans un premier temps, la validation du code a \u00e9t\u00e9 faite pour des configurations simples \u00e0 partir du code DFMVOF : les r\u00e9sultats obtenus convergent vers des solutions analytiques et exp\u00e9rimentales issues de la litt\u00e9rature. Dans un deuxi\u00e8me temps, un choix de mod\u00e8le de changement de phase a \u00e9t\u00e9 effectu\u00e9 pour retenir le mod\u00e8le d\u2019interface raide (sharp interface model) : le terme source est \u00e9valu\u00e9 \u00e0 partir de la loi de Fourier et les relations de Rankine-Hugoniot au niveau de l\u2019interface. Celui-ci a \u00e9t\u00e9 impl\u00e9ment\u00e9 dans le code existant : prise en compte de l\u2019\u00e9quation de l\u2019\u00e9nergie, introduction d\u2019un terme source aux \u00e9quations directrices. Le mod\u00e8le de condensation a \u00e9t\u00e9 valid\u00e9 par comparaison avec les solutions analytiques (1D : probl\u00e8me de Stefan, 2D : \u00e9vaporation d\u2019une bulle de vapeur). D\u00e8s lors, des premiers calculs permettent de simuler la condensation de vapeur en mini-canal et d\u2019identifier des \u00e9volutions spatiale et temporelle de la topologie d\u2019un \u00e9coulement liquide-vapeur.<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":966,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[20,21],"tags":[6817,6818,6820,6819],"class_list":["post-21046","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-documents","category-memoires-theses","tag-coefficient-dechange-local","tag-couplage-de-la-methode-level-set-et-vdf","tag-coupling-of-level-set-method-and-volume-of-fluid-method","tag-local-heat-transfer-coefficient"],"yoast_head":"<!-- This site is optimized with the Yoast SEO Premium plugin v23.9 (Yoast SEO v27.3) - https:\/\/yoast.com\/product\/yoast-seo-premium-wordpress\/ -->\n<title>\u00c9tudes exp\u00e9rimentale et num\u00e9rique des m\u00e9canismes de condensation de vapeur d&#039;eau au sein d&#039;un mini-canal d&#039;\u00e9changeur - GRETh<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/greth.fr\/en\/etudes-experimentale-et-numerique-des-mecanismes-de-condensation-de-vapeur-deau-au-sein-dun-mini-canal-dechangeur\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"en_US\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"\u00c9tudes exp\u00e9rimentale et num\u00e9rique des m\u00e9canismes de condensation de vapeur d&#039;eau au sein d&#039;un mini-canal d&#039;\u00e9changeur\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"R\u00e9sum\u00e9 : L\u2019\u00e9changeur de chaleur occupe une place essentielle et indispensable dans tous les syst\u00e8mes \u00e9nerg\u00e9tiques : plus de 90% de l\u2019\u00e9nergie thermique utilis\u00e9e dans les proc\u00e9d\u00e9s industriels se fait moyennant, au moins une fois, un \u00e9changeur de chaleur. 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Cette th\u00e8se est d\u00e9di\u00e9e \u00e0 l\u2019\u00e9tude des ph\u00e9nom\u00e8nes physiques mis en jeu dans un \u00e9changeur \u00e0 condensation, si\u00e8ge de transferts par chaleur latente. Notre \u00e9tude s\u2019oriente particuli\u00e8rement vers la condensation dans un mini-canal, pour r\u00e9pondre notamment \u00e0 des probl\u00e9matiques de compacit\u00e9. Si de nombreux travaux existent pour les fluides frigorig\u00e8nes, il n\u2019en est pas de m\u00eame pour l\u2019eau, fluide peu \u00e9tudi\u00e9, disponible et qui pourrait pourtant s\u2019av\u00e9rer prometteur en terme d\u2019efficacit\u00e9 aux transferts. Ce travail a port\u00e9 parall\u00e8lement sur une approche exp\u00e9rimentale et sur des simulations num\u00e9riques.D\u2019un point de vue exp\u00e9rimental, une boucle diphasique con\u00e7ue et mise au point int\u00e9gralement au laboratoire est compos\u00e9e de diff\u00e9rents \u00e9l\u00e9ments dont les principaux sont deux condenseurs co-axiaux \u00e0 contre-courant en s\u00e9rie. Chacun d\u2019eux est constitu\u00e9 d\u2019un tube central de 3 mm de diam\u00e8tre, de longueur 800 mm permettant de suivre la condensation de la vapeur. La visualisation, s\u2019effectuant dans une section adiabatique transparente, a permis d\u2019observer quatre r\u00e9gimes d\u2019\u00e9coulements diff\u00e9rents selon les param\u00e8tres op\u00e9ratoires tels que la pression de saturation (0,7\u2264p\u22641,2 bar), le d\u00e9bit de vapeur (51,4\u2264G\u226485,1 kg\/m\u00b2s), le titre de vapeur (0\u2264x\u22641). Des \u00e9coulements annulaires, \u00e0 poches, \u00e0 bouchons et \u00e0 bulles ont pu \u00eatre identifi\u00e9s. La m\u00e9trologie d\u00e9velopp\u00e9e (mesures de temp\u00e9ratures locales et de pressions) a permis de quantifier le coefficient de transfert convectif local h et la perte de charge globale \u0394p. L\u2019analyse des r\u00e9sultats permet de montrer, d\u2019une part la croissance de h avec le titre de vapeur, et d\u2019autre part la variation de h avec les changements de topologie d\u2019\u00e9coulements : la transition entre le r\u00e9gime annulaire et ceux qui lui succ\u00e8dent influence le comportement thermique de l\u2019\u00e9coulement.D\u2019un point de vue num\u00e9rique, le code DFMVOF a \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9 initialement pour la simulation num\u00e9rique des \u00e9coulements diphasiques, en particulier des \u00e9coulements eau-vapeur sans changement de phase. Ce code utilise le couplage des m\u00e9thodes Level-Set et Volume-of-Fluid (CLSVOF) afin de b\u00e9n\u00e9ficier des avantages des deux m\u00e9thodes : pr\u00e9cision, continuit\u00e9 de l\u2019interface, ainsi que conservation de la masse \u00e0 chaque it\u00e9ration. Dans un premier temps, la validation du code a \u00e9t\u00e9 faite pour des configurations simples \u00e0 partir du code DFMVOF : les r\u00e9sultats obtenus convergent vers des solutions analytiques et exp\u00e9rimentales issues de la litt\u00e9rature. Dans un deuxi\u00e8me temps, un choix de mod\u00e8le de changement de phase a \u00e9t\u00e9 effectu\u00e9 pour retenir le mod\u00e8le d\u2019interface raide (sharp interface model) : le terme source est \u00e9valu\u00e9 \u00e0 partir de la loi de Fourier et les relations de Rankine-Hugoniot au niveau de l\u2019interface. Celui-ci a \u00e9t\u00e9 impl\u00e9ment\u00e9 dans le code existant : prise en compte de l\u2019\u00e9quation de l\u2019\u00e9nergie, introduction d\u2019un terme source aux \u00e9quations directrices. Le mod\u00e8le de condensation a \u00e9t\u00e9 valid\u00e9 par comparaison avec les solutions analytiques (1D : probl\u00e8me de Stefan, 2D : \u00e9vaporation d\u2019une bulle de vapeur). D\u00e8s lors, des premiers calculs permettent de simuler la condensation de vapeur en mini-canal et d\u2019identifier des \u00e9volutions spatiale et temporelle de la topologie d\u2019un \u00e9coulement liquide-vapeur.","og_url":"https:\/\/greth.fr\/en\/etudes-experimentale-et-numerique-des-mecanismes-de-condensation-de-vapeur-deau-au-sein-dun-mini-canal-dechangeur\/","og_site_name":"GRETh","article_publisher":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_author":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_published_time":"2024-08-19T08:40:56+00:00","article_modified_time":"2025-10-27T16:13:15+00:00","og_image":[{"width":424,"height":283,"url":"https:\/\/greth.fr\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/theses-10.jpg","type":"image\/jpeg"}],"author":"GRETh","twitter_card":"summary_large_image","twitter_creator":"@grethfr","twitter_site":"@grethfr","twitter_misc":{"Written by":"GRETh","Est. reading time":"7 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