Etude expérimentale de l'ébullition d'hydrocarbures dans les échangeurs à plaques et ailettes : analyse des écoulements et des transferts de chaleur par une approche locale

par Claire Desrats

Thèse de doctorat en Mécanique, physique et modélisation. Mécanique. Énergétique

Sous la direction de Lounès Tadrist.


  • Résumé

    Ce travail porte sur l’ébullition convective d’hydrocarbures dans les échangeurs à plaques et ailettes. Le bouilleur compact Core-Kettle, largement utilisé en pétrochimie, en est la principale application industrielle. Certes intéressant en terme d’efficacité énergétique, il est surdimensionné car les lois utilisées sont peu précises et non validées en hydrocarbures. Une approche expérimentale originale est proposée pour mieux comprendre les phénomènes physiques gouvernant l’écoulement et les transferts de chaleur. Une installation expérimentale a été conçue pour faire des mesures locales des grandeurs nécessaires à une analyse fine de l’ébullition convective. Températures du fluide et de de paroi, flux thermique, pression absolue et gradient de pression sont mesurés sur un volume de contrôle. Le taux de vide et les configurations d’écoulement sont déterminés par une sonde optique et le titre en vapeur par un bilan enthalpique. 2 géométries, ailettes OSF et droites perforées, ont été testées en propane à 7,5 et 9,5 bar et en iso-butane à 3 bar pour des vitesses massiques de 20 à 100 kg/m²/s et des densités de flux thermique jusqu’à 6 kW/m². 3 configurations d’écoulement sont identifiées : bulles, poches et bouchons, annulaire, les transitions apparaissant à un taux de vide de 0,2 et 0,74. L’effet du confinement est pris en compte dans la loi de prédiction du taux de vide proposée. Une analyse locale des pertes de pression par frottement et des transferts thermiques fait ressortir l’influence des principaux paramètres de l’écoulement. Le frottement est correctement prédit par un modèle de type «phases séparées» et le coefficient d’échange par la corrélation de Kandlikar.

  • Titre traduit

    Experimental study of forced convective boiling of hydrocarbons in brazed aluminium plate fin heat exchangers : analysis of flow patterns and heat transfers by a local approach


  • Résumé

    Our study is dedicated to forced convective boiling of hydrocarbons in brazed aluminium plate fin heat exchangers. This subject was motivated by problems occurring with Core-Kettle boilers which are mainly used in petrochemical industries. Though interesting in energy saving terms, they are over-sized because design laws are not enough accurate and not yet validated for hydrocarbon fluids. A new experimental method has been proposed to improve our understanding of local boiling phenomena in mini-channels. An experimental apparatus with local instrumentation has been designed to measure the whole parameters necessary to a complete analysis of convective boiling. Local measurements of fluid and wall temperatures, absolute pressure, pressure gradient and heat flux are performed on a single control volume. Vapour quality is determined by an enthalpy balance and void fraction by an optical probe whose output signal is treated to identify flow patterns. The performance of 2 geometries, perforated and OSF fins, are compared with propane at 7. 5 and 9. 5 bar and iso-butane at 3 bar, for mass flow rates ranging from 20 to 100 kg/m²/s and mean heat fluxes up to 6 kW/m². 3 different flow regimes are identified: bubbly, plug and slug, annular-like, with transitions for a void fraction of 0. 2 and 0. 74. The effect of the confinement is taken into account in our prediction law for void fraction derived from the drift flux model. The analysis of local friction pressure drops and heat exchange coefficients points out the influence of the major parameters on the convective boiling flow. Friction is well-predicted by a “separated flow” type model and heat transfer by Kandlikar’s correlation.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ([10]-164-LXXV p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.I-VI

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  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. St Charles). Service commun de la documentation. Bibliothèque universitaire de sciences lettres et sciences humaines.
  • Disponible pour le PEB
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