Mesures expérimentales

Un des objectifs de cette thèse est de développer un dispositif expérimental permettant de mesurer simultanément les grandeurs physiques composant un diagramme de Daniel : Nous étudierons, dans une première partie, les méthodes expérimentales applicables. Puis dans une deuxième partie, nous décrirons le dispositif expérimental retenu, suivi d’une discussion sur les raisons de ce choix. Une troisième partie détaillera les équipements composant le dispositif expérimental, avec les protocoles d’étalonnage et les incertitudes associées aux équipements de mesure. Enfin nous détaillerons les protocoles expérimentaux. La méthode expérimentale utilisée doit être adaptée aux composés étudiés, aux conditions de température et de pression et aux compositions du mélange attendues. Dans notre cas, nous étudions les mélanges fluides frigorigènes – huiles de lubrification dans les conditions de pression et de température spécifiques à la Les méthodes expérimentales adaptées se déclinent en deux catégories : les méthodes analytiques et les méthodes synthétiques (Figure II. 1) (Dohrn and Brunner, 1995), (Christov and Dohrn, 2002), (Dohrn et al., 2010), (Fonseca et al., 2011), (Peper et al., 2019). Les premières reposent sur la détermination des compositions de chaque phase à l’équilibre thermodynamique, en analysant un échantillon prélevé ou en effectuant une analyse physico-chimique directement à l’intérieur de la cellule d’équilibre (in situ). Les secondes reposent sur la préparation d’un mélange de composition globale connue, l’observation des équilibres de phases et la mesure des propriétés d’intérêt à l’équilibre (pression, volume et température par exemple).

Les méthodes analytiques ne sont pas adaptées à notre cas. Les huiles ne sont pas des corps purs mais des mélanges dont la composition exacte ne nous est pas accessible. Dans ce cas, l’emploi d’une méthode analytique s’avérerait difficile. De plus, dans les conditions opératoires, les huiles de lubrification ont des pressions de vapeur saturante très basses par rapport aux fluides frigorigènes (100*Psatref). Cela signifie que l’on retrouvera très peu d’huile de lubrification dans la phase vapeur. On peut même supposer que la phase vapeur est exclusivement composée de fluide frigorigène. Cette hypothèse permet de simplifier les bilans de matière nécessaires Nous trouvons plus facile de travailler à température constante qu’à pression constante. La régulation de la température est plus simple car elle ne nécessite qu’un thermostat (proposé avec le bain liquide) alors que la régulation de la pression demande la mise en place d’une vanne de régulation et d’un PID. De plus, l’atteinte de l’équilibre thermodynamique est plus rapide lorsqu’elle dépend d’un changement de pression plutôt que d’un changement de température (inertie thermique). On utilisera donc une méthode synthétique isotherme (Brass et al., 2000), (Tanaka and Kato, 1995).

Cette méthode consiste à mesurer la pression d’un mélange multiphasique, préalablement synthétisé dont la composition globale est connue, à température fixée La procédure est toujours basée sur une méthode synthétique isotherme (Descamps et al., 2005) En appliquant une méthode synthétique, la plus grande source d’incertitude vient de la synthèse du mélange. Plus particulièrement, l’utilisation d’une méthode synthétique isotherme nécessite de pouvoir calculer avec précision la masse volumique des phases liquide et vapeur pour minimiser les erreurs. Toutes les parties de l’appareillage doivent être propres et le mauvais nettoyage peut être une source d’erreur. Les zones mortes doivent être évitées au maximum, car difficiles à nettoyer. Les composés utilisés doivent être purs et dégazés avant utilisation. Il convient aussi d’éviter la décomposition thermique ou chimique des composés étudiés pendant toute la durée de l’expérience. Contrairement à la solubilité qui est déterminée indirectement, la viscosité cinématique est déterminée de manière directe à partir des mesures de masse volumique et de viscosité dynamique. L’objectif du dispositif est de pouvoir mesurer la masse volumique et la viscosité dynamique de la phase liquide en même temps que les pressions, températures et volumes de chaque phase. Parmi les technologies de viscosimètre existantes (Viswanath et al., 2007), le viscosimètre à lame vibrante est l’appareil le plus simple à utiliser et donnant une mesure rapide. Cependant, il ne peut pas être intégré à la cellule d’équilibre car la lame doit être entièrement immergée dans le liquide. Le viscosimètre est donc placé à la suite du densimètre à tube vibrant. Il possède sa propre cellule de mesure, traversée par le liquide. L’utilisation d’une circulation de la phase liquide permet aussi d’atteindre l’équilibre thermodynamique plus rapidement. Elle facilite le mélange et l’absorption du fluide frigorigène dans l’huile comme le ferait une agitation de la phase liquide.