Caracterisation des ecoulements et des frottements parietaux dans un echangeur de chaleur a surface raclee

Characterization of flow patterns and wall shear rates in scraped surface heat exchanger

• Auteur / Autrice : Éric Dumont
• Direction : Jack Legrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Nantes

Résumé

Ce travail porte sur la caracterisation des ecoulements et des frottements parietaux dans un echangeur de chaleur a surface raclee (esr). Dans un premier temps, un suivi du comportement thermique de fluides modeles est realise sur un procede de taille industrielle. A partir des donnees de la litterature, l'evolution thermique du produit traite est reliee a des changements de regime d'ecoulement. Cette etude contribue a determiner l'influence de la geometrie de l'appareil sur le developpement de singularites hydrodynamiques. Dans un second temps, des visualisations de l'ecoulement et des mesures de gradients parietaux de vitesse sont mises en uvre sur une maquette de laboratoire. La technique de mesure des gradients parietaux de vitesse repose sur la mise en uvre d'une reaction electrochimique au niveau de micro-electrodes inserees en paroi. Un fluide newtonien visqueux (emkarox hv45) et deux fluides non-newtoniens rheofluidifiants (guar et cmc) sont utilises. La determination du coefficient de diffusion de l'ion ferricyanure en solution pour ces fluides est realisee au moyen de trois methodes de mesure (electrode a disque tournant, systeme de couette et methode de cottrell). Les limites d'utilisation de chacune de ces methodes sont mises en evidence. Les experimentations sont realisees en l'absence puis en presence des lames. En l'absence de lames (systeme de couette), nous proposons une representation adimensionnelle des frottements parietaux generalisee aux fluides non-newtoniens obeissant a la loi d'ostwald. Le developpement de singularites hydrodynamiques est egalement etudie. En presence de lames (esr), le caractere instationnaire du regime diffusionnel ne permet pas de calculer les gradients parietaux de vitesse a partir de la resolution analytique de l'equation de convection-diffusion. Ce travail montre que les conditions hydrodynamiques regnant dans les echangeurs de chaleur a surface raclee different sensiblement de celles rencontrees dans les espaces annulaires. Les structures tourbillonnaires sont contrariees par le passage des lames et le raclage du stator se traduit par un accroissement brutal des gradients parietaux de vitesse qui apparaissent alors bien superieurs a ceux mesures en espace annulaire. Des mouvements de remontee de tourbillons en formation en direction du bol d'entree sont observes.