Etude hydrodynamique de fluides diphasiques solideliquide en conduite

Etude hydrodynamique de fluides diphasiques solide-liquide en conduite circulaire: Application au coulis de glace Patrick REGHEM Directeur de thèse: J-P DUMAS Codirecteur: B. STUTZ La. TEP Etude hydrodynamique de fluides diphasiques 17 décembre 2002

2 Contexte de cette étude REMPLACER OU LIMITER les fluides frigorigènes classiques tels que * composés Fluorés: CFC, HCFC et HFC * méthane, propane, isobutane, . . . * ammoniac, … ALTERNATIVE: Limiter ces fluides frigorigènes à leur rôle de production de froid Le transport et l’utilisation du froid est réalisé par l’intermédiaire d’un fluide frigoporteur inoffensif pour l’homme et pour l’environnement Fluide frigoporteur du froid pompe Production du froid condenseur Transport évaporateur du froid frigorigène compresseur échangeur Utilisation Fluide

3 Fluides frigoporteurs § MONOPHASIQUES - T > 0°C eau, … - T < 0°C solutions aqueuses de glycols, d ’alcools, de sels, d ’ammoniac, … § DIPHASIQUES - liquide-gaz - liquide-solide - Phase solide de même nature que le liquide porteur - glace + eau (0°C) - glace + solutions aqueuses (alcools, sels, ammoniac) - Phase solide de nature différente du liquide porteur - émulsions - matériau à changement de phase encapsulés - gels

Avantage des fluides diphasiques Utilisation de la chaleur latente du changement de phase Chaleur sensible Chaleur latente Un mélange d’eau + 30% de glace (coulis de glace ) a un pouvoir frigorifique 25 fois supérieur à celui de l’eau. 4

Domaines d’utilisations Climatisation des grands bâtiments : centres commerciaux, aéroports, gares, grands immeubles… Froid industriel : industrie agroalimentaire, entrepôts frigorifiques, bateaux, …

Objectifs Etudier l’hydrodynamique des fluides diphasiques liquide-solide dans le cas général et dans le cas du mélange liquide-glace en particulier - viscosité ? - perte de charge ? - vitesse débitante optimale ? - … Apporter des solutions aux problèmes techniques liés à l’utilisation de ces fluides. - Type de pompe ? - Diamètre des conduites? - Singularités ? -…

Plan de présentation Dispositifs expérimentaux - étude eau + billes - étude du coulis de glace Résultats expérimentaux - rhéologie - régimes d’écoulement - pertes de charge - structure des écoulements - singularités Corrélation du coefficient de perte de charge Conclusion & Perspectives 7

8 Conception et Réalisation des dispositifs expérimentaux

Banc d’essais pour l ’étude des écoulements eau - billes Billes de polypropylène: Diamètre moyen: 3. 6 mm Densité: 889 kg/m 3

Boucle d’étude des fluides diphasiques

Banc expérimental d’étude du coulis de glace Coulis de glace: Phase liquide: eau +10% éthanol Dimension moyenne des cristaux de glace : # 0. 1 mm 11

Instrumentation Tube de Pitot

Mesures de la concentration des particules solides § Fraction de solide § Titre de solide avec Vs : Volume de la phase solide dans la boucle V : Volume total de la boucle avec Qs : débit volumique de solide Q : débit volumique de mélange , Q Débitmètre massique Masse volumique du mélange

FRACTION DE GLACE à partir de la température : masse volumique de la glace : masse volumique du mélange ( débitmètre) Diagramme de phase eau – éthanol E 14

15 TITRE DE GLACE à partir de la masse volumique : masse volumique du mélange ( débitmètre) : masse volumique de la solution liquide Comparaison de l’incertitude relative entre le titre et la fraction de glace incertitude relative 25 Df 20 15 Dj 10 5 0 0 0, 05 0, 15 0, 25 0, 3 f fraction ou j titre de glace 0, 35

Mesure des pertes de charge 0 -2 bars Précision des capteurs: 0 -200 mbars 0. 1% +/- 20 mbars de l’étendue de mesure +/- 2 mbars 0. 05 Corrélation de Blasius : coefficient de perte de charge f 0. 04 résultats expérimentaux théorie de BLASIUS 0. 03 0. 02 0. 01 0. 00 0 20000 40000 60000 nombre de REYNOLDS Re 80000 100000

Mesure des vitesses locales de l’eau écoulement Réglet de positionnement Tube de Pitot

18 RESULTATS EXPERIMENTAUX - Régimes d’écoulement - Profils de vitesse - Pertes de charge

Régimes d’écoulement STRATIFIES Lit fixe Fraction de billes : 0. 20 vitesse débitante : 0. 2 m/s Diamètre de la conduite : D 50 Lit mobile de billes Fraction de billes : 0. 20 vitesse débitante : 0. 5 m/s Diamètre de la conduite : D 50 19

Régimes d ’écoulements NON STRATIFIES # régimes d’écoulement Ecoulement hétérogène fraction de billes : 0. 20 vitesse débitante : 0. 5 m/s Diamètre de la conduite : D 50 Fichier 20%W 50 b Ecoulement homogène descendant fraction de billes : 0. 10 vitesse débitante : 0. 5 m/s Diamètre de la conduite : D 50 Fichier: homo coude 3 20

0, 7 lit stationnaire j 0, 6 titre de billes 21 Cartographie de l’écoulement eau-billes hétérogène lit mobile 0, 5 0, 4 0, 3 0, 2 0, 1 0, 0 0, 5 1, 0 1, 5 2, 0 2, 5 vitesse débitante (m/s) 3, 0 3, 5 4, 0

Ecoulement avec lit mobile Régimes d’écoulement U=0. 1 m/s ; mélange eau+10% éthanol T=-4. 9°C ; 5% de glace ; tube D 50 du coulis de glace Écoulement hétérogène U=0. 2 m/s ; mélange eau+10% éthanol T=-5. 2°C ; #10% de glace ; tube D 50 Ecoulement homogène U=0. 5 m/s ; mélange eau+10% éthanol T=-5. 9°C ; #20% de glace ; tube D 50

Cartographie du coulis de glace annulaire Homogène Lit mobile Hétérogène

24 Structure des écoulements diphasiques Nature des fluides ? Régimes hydrodynamiques ? Répartition des phases liquide et solide ?

RHEOLOGIE du mélange diphasique liquide-billes 25

Profils de vitesse des écoulements eau + BILLES y/D U = 0. 24 m/s ; j = 18% U = 0. 2 m/s ; j = 26% 0. 5 Lit fixe 0. 25 0 0. 0 Lit mobile 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 u e/U 2. 5 3. 0 -0. 25 eau -0. 5 U = 0. 72 m/s ; j = 30% U variable ; j = 15% 26

Bilan de masse des écoulements eau + BILLES 27 Strate Distribution des vitesses Fraction fi ue-ub Lit fixe ue = constante 0, 64 ue Lit mobile Evolution linéaire de ue Billes en suspension Strate d’eau C 2 ue C 3 ue 0 Caractéristiques différentes strates Constante C 1 Constantes C 2 et C 3 ue: vitesse locale de l’eau ub: vitesse locale des billes 0

Bilan contrainte de cisaillement pariétal Bilan M et QDM 50

29 PERTES DE CHARGE Pertes de charge régulières Pertes de charge singulières CORRELATIONS EXPERIMENTATIONS

30 Pertes de charge du mélange eau-billes 10000 D 50 D 25 1000 36% 34% 31% 21% 13% 11% 8% 6% eau 100 10 0, 5 1, 0 1, 5 Vitesse débitante (m/s) 2, 0 2, 5 3, 0

Pertes de charge du coulis de glace 31 D 50 D 25 1000 800 700 U=0, 687 m/s Perte de charge (Pa/m) 900 10000 U=0, 5 m/s 600 U=0, 15 m/s 500 U=0, 04 m/s 400 300 200 1000 U=2. 6 m/s U=2 m/s U=1. 5 m/s U=1 m/s U=0. 5 m/s 100 0 0. 05 0. 10 0. 15 0. 20 titre de glace 0. 25 0. 30 100 0. 05 0. 10 0. 15 titre de glace 0. 20 0. 25

32 Comparaison des pertes de charge billes-glace 10000 30% de glace 20% de glace 10% de glace 31% de billes 18% de billes 11% de billes Perte de charge (Pa/m) 1000 D 50 100 1 0. 0 0. 5 1. 0 1. 5 Vitesse débitante (m/s) 2. 0 D 25

33 Corrélations semi-empiriques Utilisation du nombre adimensionnel F* = U²/[D. g. (1 - s/ l)] 36% 34% 31% 21% 13% 11% 8% 6% 160 140 120 100 (f-fl)/fl. en % 80 lit fixe 60 lit mobile 40 20 hétérogène 0 0, 1 1, 0 15 nombre F* 10, 0 100, 0 a, b, c et d : constantes empiriques

34 Application à l’écoulement EAU-BILLES U (m/s) régime % erreur points 0. 1 < U < 0. 7 lit (im)mobile 11 116 0. 7 < U < 4 hétérogène 7 236 0. 1 < U < 4 tous régimes confondus 8 352

Application au coulis de glace Incertitude moyenne sur le coefficient de perte de charge: 11%. 35

36 SINGULARITES Coudes Rétrécissements Elargissements

37 Coude brusque Sortie: Écoulement désorganisé K K Entrée: Ecoulement stratifié

Rétrécissement 38 Evolution du coefficient de perte de charge singulière en fonction du nombre de Reynolds basé sur la viscosité de l’eau pour un rétrécissement 1. 2 théorie mono 1 14% 90° 20% 0. 8 théorie 1 0. 8 mono 14% 0. 6 20% 30% K K 0. 6 0. 4 0. 2 0 180° 0 0 20000 40000 Re 60000 80000 100000 120000 0 20000 40000 60000 Re 80000 100000 120000

39 Elargissement Écoulement stratifié Écoulement 30° K homogène

40 ECOULEMENT VERTICAUX Ecoulement vertical Descendant eau + 15% de billes Ecoulement descendant Ecoulement ascendant

CONCLUSION § Conception et réalisation des 2 bancs d’essais § Base de données (perte de charge, cartographie, …) § Analyse de la structure des écoulements diphasiques ( vitesses, fraction, titre, forces, contraintes, … ) § Corrélations Etude hydrodynamique de fluides diphasiques 17 décembre 2002

PERSPECTIVES § Optimiser la corrélation dans le cas du coulis de glace § Tester les différentes singularités dans le cas du coulis de glace § Extension de l’étude à d’autres types de coulis de glace § Vitesse de glissement liquide-glace (application aux échangeurs) § Influence de la taille et la forme des particules solides Etude hydrodynamique de fluides diphasiques 17 décembre 2002