Développement d'un contacteur/échangeur à lit transporté vibrofluidisé

par Jean-Philippe Gendarme

Thèse de doctorat en Génie des Procédés Industriels

Sous la direction de Gérard Antonini.

Soutenue en 1992

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .

mots clés

• Transporteur
• Modélisation
• Échangeurs de chaleur -- Thèses et écrits académiques
• Vibrations -- Thèses et écrits académiques
• Solides -- Thèses et écrits académiques
• Fluidisation -- Thèses et écrits académiques
• Thermique -- Thèses et écrits académiques
• Hydrodynamique -- Thèses et écrits académiques
• Transfert de chaleur -- Thèses et écrits académiques
• Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques

Résumé

L'étude de l'hydrodynamique de lits discontinus et continus de sables mono et polydispersés transportés dans un élévateur hélicoïdal vibrant a été entreprise. La prise en compte, dans une modélisation mécanistique du mouvement d'un lit vibré de solides, de la force d'interaction gaz/solide engendrée par un gradient transitoire de pression aux bornes du lit permet d'estimer la vitesse moyenne de transport à ± 30 % dans la plupart des cas. L'accélération vibratoire adimensionnelle apparait comme étant le paramètre dimensionnant de la vitesse de transport, à diamètre de particules constant. L'influence des principaux paramètres vibratoires (fréquence et amplitudes) et du lit de solides (épaisseur, diamètre moyen des particules) sur le coefficient de transfert thermique sole/lit a été étudiée expérimentalement. Nous avons mis en évidence l'apport de la vibration sur l'intensité du transfert thermique au moyen d'un modèle simplifié (hypothèse du lit vibré rigide) intégrant la force d'interaction gaz/ solide. Un exemple d'application du couplage transport et transfert de chaleur /masse réalisable dans un échangeur vibrant est traité succinctement. Il s'agit d'un cycle continu d'absorption (en lit fluidisé)/désorption (en lit vibré) de vapeur d'eau sur du sulfate de calcium. Il est possible d'intensifier les mouvements internes de convection de solides en utilisant une auge de transport à géométrie tubulaire. Quelques essais préliminaires mettent en évidence une amélioration d'environ 50 % du coefficient de transfert thermique par rapport à celui obtenu dans une sole rectangulaire. Un coefficient maximal de 215 W fm2K a été mesuré. La simplicité de la géométrie tubulaire laisse entrevoir d'intéressantes perspectives en chauffage par double enveloppe ou par conduction directe (effet Joule) sous vide ou sous pression.

Titre traduit

Development of a conveyed/vibrofluidized bed contactor/exchanger

Résumé

Hydrodynamics of continuous and discontinuous beds of mono and polydispersed sand conveyed in a helicoïdal vibrating elevator have been studied. We took into account, in a mecanistic modeling of a vibrating bed of solids, the gas/ solid interaction force created by a transient pressure gradient between the bed ends to estimate the average transport speed to ± 30 % in most cases. A dimensionnal vibratory acceleration is the main design parameter for transport speed, at constant particule diameter. The influence of the main vibratory parameters (frequency and amplitudes) and of the solids bed (thickness, particule mean diameter) on the wall/bed heat transfer coefficient has been studied experimentally. Due to vibration, the improvement of heat transfer intensity has been demonstrated by using a simplified model integrating the gas / solid interaction force (rigid vibrating bed hypothesis). As an example, we have briefly discussed the correlation of transport and heat/mass transfer in a vibrating heat exchanger used for absorption (fluidized bed) / desorption (vibrating bed) of water vapor on calcium sulphate in a continuous cycle. It's possible to intensify the internal movements of solids convection by using a tubular transport trough. A few preliminary experiments show a heat transfer coefficient improvement of almost 50 % when compared with the result obtained in a rectangular trough. A maximum coefficient of 215W /m2oc has been measured. Due to tubular geometry simplicity, interesting applications in jacketed or direct conduction heating (Joule effect) in vacuum or pressure service should be possible.