Études expérimentale et numérique des mécanismes de condensation de vapeur d’eau au sein d’un mini-canal d’échangeur

L’échangeur de chaleur occupe une place essentielle et indispensable dans tous les systèmes énergétiques : plus de 90% de l’énergie thermique utilisée dans les procédés industriels se fait moyennant, au moins une fois, un échangeur de chaleur. Cette thèse est dédiée à l’étude des phénomènes physiques mis en jeu dans un échangeur à condensation, siège de transferts par chaleur latente. Notre étude s’oriente particulièrement vers la condensation dans un mini-canal, pour répondre notamment à des problématiques de compacité. Si de nombreux travaux existent pour les fluides frigorigènes, il n’en est pas de même pour l’eau, fluide peu étudié, disponible et qui pourrait pourtant s’avérer prometteur en terme d’efficacité aux transferts. Ce travail a porté parallèlement sur une approche expérimentale et sur des simulations numériques.D’un point de vue expérimental, une boucle diphasique conçue et mise au point intégralement au laboratoire est composée de différents éléments dont les principaux sont deux condenseurs co-axiaux à contre-courant en série. Chacun d’eux est constitué d’un tube central de 3 mm de diamètre, de longueur 800 mm permettant de suivre la condensation de la vapeur. La visualisation, s’effectuant dans une section adiabatique transparente, a permis d’observer quatre régimes d’écoulements différents selon les paramètres opératoires tels que la pression de saturation (0,7≤p≤1,2 bar), le débit de vapeur (51,4≤G≤85,1 kg/m²s), le titre de vapeur (0≤x≤1). Des écoulements annulaires, à poches, à bouchons et à bulles ont pu être identifiés. La métrologie développée (mesures de températures locales et de pressions) a permis de quantifier le coefficient de transfert convectif local h et la perte de charge globale Δp. L’analyse des résultats permet de montrer, d’une part la croissance de h avec le titre de vapeur, et d’autre part la variation de h avec les changements de topologie d’écoulements : la transition entre le régime annulaire et ceux qui lui succèdent influence le comportement thermique de l’écoulement.D’un point de vue numérique, le code DFMVOF a été développé initialement pour la simulation numérique des écoulements diphasiques, en particulier des écoulements eau-vapeur sans changement de phase. Ce code utilise le couplage des méthodes Level-Set et Volume-of-Fluid (CLSVOF) afin de bénéficier des avantages des deux méthodes : précision, continuité de l’interface, ainsi que conservation de la masse à chaque itération. Dans un premier temps, la validation du code a été faite pour des configurations simples à partir du code DFMVOF : les résultats obtenus convergent vers des solutions analytiques et expérimentales issues de la littérature. Dans un deuxième temps, un choix de modèle de changement de phase a été effectué pour retenir le modèle d’interface raide (sharp interface model) : le terme source est évalué à partir de la loi de Fourier et les relations de Rankine-Hugoniot au niveau de l’interface. Celui-ci a été implémenté dans le code existant : prise en compte de l’équation de l’énergie, introduction d’un terme source aux équations directrices. Le modèle de condensation a été validé par comparaison avec les solutions analytiques (1D : problème de Stefan, 2D : évaporation d’une bulle de vapeur). Dès lors, des premiers calculs permettent de simuler la condensation de vapeur en mini-canal et d’identifier des évolutions spatiale et temporelle de la topologie d’un écoulement liquide-vapeur.