Étude de l’impact de la rugosité et de différentes structurations de surface sur le transfert de chaleur dans les passages condensation des vaporiseurs-condenseurs cryogéniques

Résumé :

Les vaporiseurs-condenseurs cryogéniques sont des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes brasées utilisés dans les Unités de Séparation d’Air (ASU) d’Air Liquide dans lesquels, d’un côté, du diazote se condense tandis que, de l’autre, du dioxygène se vaporise. De nombreuses années de recherche académique et industrielle ont permis d’améliorer considérablement le transfert de chaleur côté vaporisation, rendant les performances thermiques actuellement comparables côté vaporisation et côté condensation. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier les phénomènes physiques survenant dans les passages condensation de ces échangeurs, et plus particulièrement de tester de nouvelles structurations de surfaces afin d’améliorer de manière passive le transfert thermique.

Dans le cadre de cette thèse, principalement expérimentale, un banc d’essai cryogénique ayant une température de fonctionnement comprise autour de 77 K, permettant de tester des maquettes réduites de vaporiseurs-condenseurs (100*200 mm, un passage condensation, un passage vaporisation), a été conçu, développé, instrumenté et mis en route. Deux maquettes fabriquées et instrumentées selon un protocole déterminé dans le cadre de la thèse sont étudiées. La première maquette est dotée d’une surface plane côté condensation. Plusieurs structurations de surface sont successivement réalisées : 4 surfaces rugueuses de rugosité Ra comprise entre 0,07 μm à 7,62 μm, et 1 surface cannelée. La deuxième maquette présente des ailettes similaires à celles utilisées dans les vaporiseurs-condenseurs industriels.

Les performances thermiques obtenues (flux et coefficients d’échanges locaux et globaux) sont présentées pour différentes conditions de sous-refroidissement pariétal et d’arrosage. Les phénomènes entrant en jeu lors de la condensation sur une surface développée 2D sont expliqués physiquement, au regard de la littérature et les valeurs obtenues sont comparées aux valeurs prédites par les corrélations présentes dans la littérature. Une nouvelle corrélation pour les surfaces cannelées est développée à l’aide des résultats expérimentaux obtenus lors de cette étude.