Modélisation thermique de bouilleurs à tubes horizontaux. Étude numérique et validation expérimentale

Résumé :
Ce travail porte sur le dimensionnement thermique des bouilleurs à tubes horizontaux avec évaporation extra-tubulaire équipés de tubes lisses. Le problème consiste essentiellement à prédire le coefficient d’échange thermique entre le fluide en évaporation et la paroi extérieure des tubes, et se pose à différentes échelles indissociables : à l’échelle d’un tube, le coefficient d’échange est fortement dépendant des conditions hydrodynamiques locales, qui sont déterminées par l’écoulement diphasique s’établissant à l’échelle du bouilleur. Or cet écoulement est gouverné essentiellement par une convection naturelle liée à la production de vapeur, qui dépend à son tour du coefficient d’échange au niveau des tubes. Les méthodes utilisées actuellement pour le dimensionnement thermique de ces bouilleurs présentent une grande incertitude, aussi bien en ce qui concerne les corrélations d’évaluation du coefficient d’échange au niveau d’un tube, que pour la modélisation de l’écoulement diphasique à l'échelle du bouilleur.

L’objectif du présent travail est de contribuer à l’amélioration de ces méthodes de dimensionnement. Il comprend une étude expérimentale sous des conditions représentatives des principales applications de ces appareils : un hydrocarbure (du n-pentane) circulant à faible flux massique. Cette étude a permis d’analyser la structure de l’écoulement local par des mesures du taux de vide, et de développer sur cette base des corrélations de prédiction du taux de vide, de la perte de pression par frottement et du coefficient d’échange thermique. L’approche adoptée est originale, du fait que les corrélations proposées utilisent la vitesse du liquide à l’aire de passage minimale entre les tubes comme variable caractérisant les effets hydrodynamiques sur la perte de pression par frottement et le coefficient d'échange ; les corrélations se montrent nettement mieux adaptées que celles proposées dans la littérature, qui sont une transposition empirique des méthodes utilisées pour les écoulements à l’intérieur d’un tube. Par ailleurs, une nouvelle application du code de calcul MC3D a été développée dans le cadre de ce travail, intégrant les corrélations développées dans l'étude expérimentale et permettant de modéliser l’écoulement diphasique au niveau du bouilleur, ce qui représente un progrès important par rapport aux méthodes simplifiées utilisées dans la pratique.