Intensification passive des transferts thermiques et gestion d’écoulement en double phase : Construction de surfaces d’échanges optimisées appliquées aux échangeurs de chaleur

Résumé :

Cette thèse porte sur l’élaboration de méthodes et d’outils numériques pour l’aide à la conception et à l’optimisation d’échangeurs de chaleur compacts et diphasiques. Les échangeurs de chaleur forment une famille de systèmes industriels très grande et sont utilisés dès lors qu’un procédé nécessite de transférer de l’énergie sous forme de chaleur d’un milieu à un autre. Dans une conception sur mesure, le défi est de trouver la structure d’échange qui apporte le meilleur compris entre apport de masse, augmentation de la perte de charge et augmentation du coefficient d’échange de chaleur. Dans le cas des échangeurs diphasiques, les phénomènes de pertes de charge, de transferts thermiques et de changement de phase sont issus de couplages forts et complexes entre les propriétés du fluide, de surface des parois et les conditions opératoires. En phase de conception, des outils numériques de dimensionnement et de simulation adaptés sont donc nécessaires pour définir les structures d’échanges appropriées.

La première partie de cette thèse est ainsi dédiée à la modélisation numérique du fonctionnement d’un échangeur de chaleur diphasique. Notre idée a été d’aborder la modélisation des écoulements diphasiques et des différents phénomènes avec une approche par milieux poreux équivalent. Nous avons développé un modèle d’écoulement diphasique simplifié à 4 équations qui est le modèle d’Euler de mélange avec espèces. Ce modèle est fondé sur l’hypothèse d’équilibre mécanique et thermique local entre les phases liquide et vapeur à chaque instant. Un code de simulation numérique a été réalisé sous FORTRAN pour résoudre le système d’équations du modèle instationnaire dans des domaines cartésiens, réguliers et multidimensionnels. La méthode de résolution utilisée est un schéma numérique de type Godunov et les flux conservatifs sont calculés par un solveur de type HLLC où l’on résout de façon approchée des problèmes de Riemann sur chaque bord de maille des cellules de calcul. Des cas tests monodimensionnels ont permis de valider la méthode de résolution utilisée dans le code de simulation.

La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mise en place de moyens expérimentaux permettant de déterminer la formulation de grandeurs essentielles à la résolution macroscopique des écoulements diphasiques. Nous avons donc conçu et réalisé un dispositif expérimental, avec sa chaine d’acquisition et de contrôle, équipé de deux circuits hydrauliques alimentés en n-pentane pour étudier soit l’ébullition soit la condensation. Des prototypes d’échangeur compacts métalliques de type plaques et ailettes avec structures lattices servant à remplir la fonction d’ailettes ont été conçus pour la fabrication additive et réalisés par un procédé de fusion laser sur lit de poudre. Le dispositif se distingue par une utilisation approfondie de la métrologie infrarouge pour identifier les zones caractéristiques de fonctionnement et étudier les variations spatiales des transferts de chaleur dans les prototypes. Les premières campagnes de mesures réalisées ont permis de rassembler des données expérimentales validant de façon qualitative les protocoles expérimentaux. Pour chaque point de fonctionnement, les profils de coefficient d’échange de chaleur diphasique, de pertes de charge et de titre massique en vapeur ont été déterminés.