Caractéristiques de l’écoulement diphasique

Caractéristiques de l’écoulement diphasique

L’objet de notre étude est la caractérisation de la distribution d’un fluide diphasique au sein d’un évaporateur à mini-canaux. Les échangeurs compacts, notamment les échangeurs à mini- canaux, présentent de sérieux avantages sur les échangeurs classiques. Ils permettent de réaliser des installations frigorifiques à charge en frigorigène fortement réduite. L’usage des mini-canaux devient commun en condensation mais reste marginal en évaporation. En effet, contrairement au condenseur, qui est alimenté en fluide frigorigène monophasique à l’état vapeur, l’évaporateur est le plus souvent alimenté en fluide frigorigène diphasique, mélange de liquide et de vapeur. La problématique de la distribution est donc plus aigüe dans le cas des évaporateurs que dans le cas des condenseurs.

Du point de vue des échanges thermiques, la réduction du diamètre hydraulique induit une augmentation des transferts de chaleur. En effet, le volume interne diminue avec le carré du diamètre et, par conséquent, les échangeurs de chaleur à mini-canaux bénéficient d’un bien meilleur rapport surface d’échange sur volume que les échangeurs de chaleur à tubes circulaires.D’autre part, les échangeurs de chaleur à mini-canaux sont conçus en aluminium, matériau moins coûteux que le cuivre. Ils sont également plus légers en raison de la plus faible densité de l’aluminium par rapport au cuivre, mais également de la plus faible quantité de matériaux nécessaire. Ces échangeurs permettent donc de diminuer la masse et le coût de l’installation.Par ailleurs, les distributeurs classiques ne semblent pas adaptés à ce type d’échangeurs en raison de grand nombre de tubes qui les composent. Plus particulièrement, cette technologie est particulièrement affectée par les problèmes de distribution qui sont accrus lorsque le fluide est à l’état diphasique. Ces problèmes sont dès lors apparus comme un frein majeur au développement de cette technologie et de nombreuses recherches ont été menées afin d’y trouver des réponses.

Le premier principe repose sur l’observation suivante : la dispersion de la phase liquide sous forme de gouttelettes dans la phase gazeuse permet d’assurer une distribution homogène des deux phases dans le distributeur. Pour cela, la solution généralement privilégiée consiste à amplifier l’effet de jet observé dans le cas d’un tube d’alimentation de petit diamètre. Des systèmes ont été développés afin de créer un brouillard à l’intérieur du distributeur.Le second principe, sur lequel s’appuient nombre d’études, repose sur la perturbation de l’écoulement. En effet, la distribution d’un fluide diphasique dans un échangeur à mini-canaux est principalement liée à l’inertie mécanique du fluide et à sa configuration en entrée de distributeur. L’orientation de l’échangeur joue également un rôle majeur.A partir de ce principe, Bernoux (2000) et Fei et Hrnjak (2004) ont étudié l’influence de l’ajout de diaphragmes dans le distributeur sur la distribution. Un schéma représentant le dis- tributeur ainsi équipé est présenté figure 1.5. Bernoux (2000) a également étudié l’influence du diamètre interne des anneaux et du tube d’alimentation. La distribution paraît être améliorée dans le cas d’un tube d’alimentation de diamètre inférieur à celui du distributeur, et pour les diaphragmes de plus grand diamètre. En effet, la configuration de l’écoulement en jet fournit les meilleurs résultats. Toutefois, l’installation des plus petits diaphragmes provoque l’arrêt duA partir de cette constatation, plusieurs systèmes ont été développés afin de s’affranchir de la dépendance aux conditions de fonctionnement et d’installation. L’objectif de ces systèmes est de casser l’écoulement afin de forcer les deux phases, et en particulier la phase liquide, à alimenter l’ensemble des barrettes. L’intrusion des barrettes, au-delà de l’avantage évident du point de vue de la conception, fournit en soit un ensemble d’obstacles qui perturbent l’écoulement.

Distribution

Dans un évaporateur, une répartition inégale a pour conséquence une faible alimentation en liquide de certains canaux. Le phénomène d’assèchement qui en résulte entraîne une détériora- tion des performances thermiques. Selon Kulkarni et al. (2004), une mauvaise distribution peut entraîner une réduction des performances thermiques allant jusqu’à 20 %.La distribution d’un fluide diphasique est bien plus complexe. Les premières études visaient à comprendre le comportement de l’écoulement diphasique dans une simple jonction T (Azzopardi, 1999 ; Das et al., 2005 ; Hong, 1978 ; Lee et Lee, 2001 ; Levac et al., 2002 ; Reimann et Seeger, 1986 ; Reimann et al., 1988 ; Saba et Lahey Jr., 1983 ; Seeger et al., 1986 ; Stacey et al., 2000 ; Tae et Cho, 2006 ; Wren et al., 2005). Des modèles ont été développés afin de prédire le comportement de l’écoulement, principalement pour un écoulement annulaire et des conduites de grand diamètre (Azzopardi et Whalley, 1982 ; Azzopardi, 1984 ; Buel et al., 1994 ; Hwang et al., 1988 ; Shoham et al., 1987 ; Watanabe et al., 1998).Plusieurs auteurs ont déjà proposé un état de l’art de la distribution diphasique dans un échangeur à mini-canaux. Webb et Chung (2005) ont réalisé une étude bibliographique sur l’influence de la géométrie sur la distribution dans le cas d’une série de tubes connectés à un distributeur. Hrnjak (2004a,b) présente un aperçu des options envisagées pour distribuer uniformément un fluide mono et diphasique, et pour évaluer la qualité de la distribution. Dans un article portant sur la distribution d’un fluide diphasique à la jonction entre un distributeur et un tube, Lee (2010) a fait l’état de l’art des études expérimentales et des modèles développés pour de simples jonctions T, des doubles jonctions T et pour une série de connections tube- distributeur.