Transcript Etude hydrodynamique de fluides diphasiques solide-liquide en conduite circulaire:

1
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
LaTEP
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
Fluides frigoporteurs
3
 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
4
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.
5
Domaines d’utilisations
Climatisation des grands bâtiments :
centres commerciaux, aéroports, gares, grands immeubles…
Froid industriel :
industrie agroalimentaire, entrepôts frigorifiques, bateaux,…
6
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
9
Billes de polypropylène:
Diamètre moyen: 3.6mm
Densité: 889kg/m 3
coude
large
débitmètre
massique
stabilisation
(2m;D25)
stabilisation
élargissement
cuve de
mélange
introduction
récupération
des billes
rétrécissement
z
y
pompe
à vide
x
stabilisation
(2m;D50)
stabilisation
coude
brusque
Boucle d’étude
des fluides diphasiques
10
Banc expérimental d’étude du coulis de glace
11
moteur
coulis
de glace
Coulis de glace:
fluide
frigorigène
Echangeur
à Surface
Raclée
solution
(eau-éthanol)
Phase liquide: eau +10% éthanol
Dimension moyenne
groupe
froid
des cristaux de glace : # 0.1mm
fluide
frigorigène
stabilisation
(2m;D25)
stabilisation
coude large
(D50)
cuve de
stockage
débitmètre
massique
coude brusque
(D50)
stabilisation
(2m;D50)
stabilisation
12
Instrumentation
stroboscope
débitmètre massique
camera
capteurs de pression
0-2mb
transmetter
Tube
de Pitot
0-20mb
0-200mb
0-2000mb
P (mmb)
convertisseur N/A
T (°C)
Q (l/s)
(kg/m3)
P (mmb)
T (°C) Q (l/s)
(kg/m3)
ordinateur de contrôle
carte video
13
Mesures de la concentration des particules solides
 Fraction de solide
Vs

V
 Titre de solide
Qs

Q
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
80
4%

70
8%
60
11%
50
15%
40
18%
r ,Q
30
20

10
34%
0
0,0
Débitmètre massique
ρ
ρl  22%
26%
ρl  ρ30%
s
Masse
0,5
1,0
1,5
2,0
volumique
vitesse débitante (m/s)
du mélange
2,5
3,0
FRACTION DE GLACE à partir de la température
wai
ρ 


1

V ρg 
waf
Vg
ρg




: masse volumique de la glace
ρg (kg / m3)  917.(1  1,73.104 .T)
r : masse volumique du mélange (débitmètre)
fraction massique
fraction massique
fraction massique
fraction
de glace
initiale d'éthanol wai
initiale d'éthanolDiagramme
wai
de phase eau – éthanol  de glace
0,40
T(°C)
0.10Ti
0.10
(1)
0
liquidus
Ts
(2)
(3)
Tf
solidus
(dépot de
glace)
-118
-30
-8,0
0
glace
+
eau/éthanol
E
1,0 % erreur
0,35
0,307 0,9
0,30
3
0,299 0,8
0,7
0,25
0,216
0,6
5
0,206 0,20
0,5
0,15
0,4
0,104
0,3
0,10
17
0,089
0,2
Tb=-110.5°C
0,05
0,1
0,0
0,00
-25 -7,0 -20-6,5 -15
0
-7,5
-6,0 wai-5,5
-5,0
w-10
af
0.935-5-4,5
1 wa -4,0
températureenen°C
°Cfraction massique
température
d'éthanol
14
15
TITRE DE GLACE
à partir de la masse volumique
ρg (kg / m3)  917.(1  1,73.104 .T)
ρlρ

ρlρg
ρ : masse volumique du mélange (débitmètre)
ρl
: masse volumique de la solution liquide
Comparaison de l’incertitude
relative entre le titre
et la fraction de glace
incertitude relative
25
D
20
15
D
10
5
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
fraction ou titre de glace
0,35
16
Mesure des pertes de charge
0-2bars
Précision des capteurs:
0-200mbars
0.1%
+/- 20mbars
de l’étendue de mesure
+/- 2mbars
0.05
Corrélation de Blasius : f  0.3164
Re1/4
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
17
0.50
0.25
écoulement
y/D
Expérience
0
théorie
u=Uo.(y/D)^1/7
-0.25
-0.50
0.0
0.5
1.0
1.5
Vitesse moyenne locale de l'eau ue (m/s)
Réglet de
positionnement
Tube de Pitot
DP
ue(r) 
2.DP
ρe
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 : 0.2m/s
Diamètre de la conduite : D50
Lit mobile de billes
Fraction de billes : 0.20
vitesse débitante : 0.5m/s
Diamètre de la conduite : D50
19
Régimes d ’écoulements NON STRATIFIES
#
Ecoulement hétérogène
fraction de billes : 0.20
vitesse débitante : 0.5m/s
Diamètre de la conduite : D50
Fichier 20%W50b
régimes d’écoulement
Ecoulement homogène descendant
fraction de billes : 0.10
vitesse débitante : 0.5m/s
Diamètre de la conduite : D50
Fichier: homo coude3
20
Cartographie de l’écoulement eau-billes
21
0,7
lit stationnaire
titre de billes

0,6
lit mobile
hétérogène
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
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=0.1m/s ; mélange eau+10% éthanol
T=-4.9°C ; 5% de glace ; tube D50
du coulis de glace
Écoulement hétérogène
Ecoulement homogène
U=0.2m/s ; mélange eau+10% éthanol
T=-5.2°C ; #10% de glace ; tube D50
U=0.5m/s ; mélange eau+10% éthanol
T=-5.9°C ; #20% de glace ; tube D50
22
23
Cartographie du coulis de glace
0,35
annulaire
homogène
hétérogène
lit mobile

0,30
titre de glace
0,25
annulaire
0,20
Homogène
0,15
0,10
0,05
0,00
0,00
Lit
mobile
0,05
0,10
Hétérogène
0,15
0,20
0,25
0,30
vitesse débitante (m/s)
0,35
0,40
24
Structure des écoulements diphasiques
Nature des fluides ?
Régimes hydrodynamiques ?
Répartition des phases liquide et solide ?
partie fixe
contrainte de cisaillement (Pa)
RHEOLOGIE
du mélange diphasique
liquide-billes
3.0
2.5
2.0
1.5
25
0%
7%
13,1%
18,4%
23,1%
27,3%
31,1%
34,5%
37,5%
40,3%
1.0
0.5
0.0
0
20
40
60
80
100
vitesse de déformation du/dy
(s-1)
3.5
partie mobile
viscosité relative (Pa.S)
3.0
40%
2.5
34%
27%
2.0
23%
1.5
13%
1.0
7%
0.5
0.0
0
20
40
60
80
100
Profils de vitesse des écoulements eau + BILLES
y/D
U = 0.2m/s ;  = 26%
Lit fixe
0.25
U = 0.24m/s ;  = 18%
y/D
0.5
0.5
0.25
Lit mobile
0
0.0
Lit mobile
0.5
1.0
1.5
2.0
u e/U
2.5
ue/U
0
0.0
3.0
0.5
1.0
1.50
2.0
2.5
-0.25
-0.25
eau
eau
-0.5
-0.5
y/D
0.5
26
y/D
U = 0.72m/s ;  = 30%
U variable ;  = 15%
0.5
0.25
0.25
ue/U
0
0
0.0
0.5
Strate de b illes
-0.25
en suspension
eau
-0.5
ue/U
1.0
0
1.5
0.5
1
1.5
2
2.5
-0.25
-0.5
U = 0.18m/s
U = 0.37m/s
U = 1m/s
U = 1.76m/s
Bilan de masse des écoulements eau + BILLES
due /dy(s-1)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Strate de billes en
suspensions
Lit fixe
0
Strate
Distribution des
vitesses
Fraction
i
ue-ub
Lit fixe
ue = constante
0,64
ue
Lit mobile
Evolution linéaire
de ue
Evolution linéaire
de ue
 u

0,52  C1  e  15 

y


C2 u e
Billes en
suspension
Lit mobile
0.5
1
1.5
U(m/s)
2
27
1
y 7
ue(y)15 UE 
14  R 
Strate
d’eau
n

C3 u e
 u

0,52  C1  e  15 

y


0
0
Caractéristiques des différentes strates
Qb
(l/s)
Qe =
 Qbi
Qe (l/s)
1
i
i 1
2,5
0,8
 
2
QbiiubdSiue 1CConstante
dS Constantes
1,5
C1
i
Qei(1Si i)ue(M)SdS
i
C2 et C3 0,41
Si
ue: vitesse locale de l’eau
ub: vitesse locale des billes
+20%
0,6
+20%
-20%
-20%
0,2
0,5
0
00
0,50,2
Ecoulement
Ecoulementavec
avec
Lit fixe
Lit fixe
1 0,4
1,5
0,6
Ecoulement
avecavec
Ecoulement
lit mobile
lit mobile
2
0,8
2,5
Qe deb (l/s)
Qb d
Ecoulement
Ecoulement
hétérogène
hétérogène
50
Bilan contrainte de cisaillement pariétal
surface S b de contact
(eau+billes)/paroi
strate 2:
eau+billes
b
SbRL2
b

P- dP
P
Ue
e
surface Se de contact
eau/paroi
Se2RL
e
strate 1:
eau seule
x
0
L
e -10
-8
-6
-4
-2
0
y
dP   D²  e  D  0
dx
4
  
mesures
ue  y 
U max  D 
e dPD
dx 4
e1f re U2E
8
1
7
-2
FPFeFb0
-4
DPS0eSebSb0
-6
b=e
Ecoulement avec
Lit fixe
Bilan M et QDM
0
b=2e
Ecoulement avec
lit mobile
ue
1
 -8

2

D
P

S
0

f

r


S
e
U
E


8 e e
b 
-10
Sb
b
Ecoulement avec
billes en
suspensions
29
PERTES DE CHARGE
Pertes de charge régulières
L r.U ²
DP R  f  
D 2
CORRELATIONS
Pertes de charge singulières
DPs  K 
r .U²
2
EXPERIMENTATIONS
30
Pertes de charge du mélange eau-billes
10000
10000
Perte de charge (Pa)
D25
1000
36%
34%
31%
21%
13%
11%
8%
6%
eau
100
1000
37%
27%
100
24%
12%
eau
10
10
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
100
stratifié
hétérogène
10
31%
21%
13%
8%
eau
1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Vitesse débitante (m/s)
0,0
1,0
2,0
Vitesse débitante (m/s)
Vitesse débitante (m/s)
DP/D Pl
Perte de charge (Pa)
D50
2,5
3,0
3,0
Pertes de charge du coulis de glace
31
D50
D25
1000
10000
900
Perte de charge (Pa/m)
Perte de charge (Pa/m)
U=0,687m/s
800
U=0,5m/s
700
600
U=0,15m/s
500
U=0,04m/s
400
300
200
1000
U=2.6m/s
U=2m/s
U=1.5m/s
U=1m/s
U=0.5m/s
100
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
titre de glace
0.25
0.30
100
0.00
0.05
0.10
0.15
titre de glace
100
DP/DPl
28-32%
10
18-22%
8-12%
1
0,0
0,5
Vitesse débitante (m/s)
1,0
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
D50
100
10
1
0.0
0.5
1.0
1.5
Vitesse débitante (m/s)
2.0
D25
33
Corrélations semi-empiriques
 Utilisation du nombre adimensionnel
F* = U²/[D.g.(1-rs/rl)]
36%
34%
31%
21%
13%
11%
8%
6%
160
140
120
100
(f-fl)/fl. 80
en %
60
lit fixe
lit mobile
40
20
hétérogène
0
0,1
15
1,0
10,0
100,0
nombre F*
c
b
f  f l  a.  . f l . F*d
a, b, c et d : constantes empiriques
34
Application à l’écoulement EAU-BILLES
f  f l  0,01. 1,37 . f l  1,47 . F* 1,142
f corrélation
1,0
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
0,1
0,0
0,0
0,1
f expérimental
1,0
35
Application au coulis de glace
f  f l  9330. 
2.07
.fl
1.963
0.627
*
.F
Incertitude moyenne sur le coefficient de perte de charge: 11%.
fcorrélation
1,00
0,10
fcor=fexp
D25
D50
0,01
0,01
0,10
fexpérimental
1,00
36
SINGULARITES
Coudes
Rétrécissements
Elargissements
37
Coude brusque
Sortie:
Écoulement désorganisé
K
Coefficient de perte de charge singulière xs
K
0.8
0.7
0.6
0.5
0%
0.4
2%
0.3
5,50%
0.2
20%
0.1
30%
0
0
Entrée:
Ecoulement stratifié
10000
20000
30000
40000
nombre de Reynolds Re
50000
60000
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
1.2
théorie
mono
1
90°
théorie
1
20%
0.8
14%
0.8
20%
30%
K
180°
mono
14%
0.6
K
0.4
0.4
0.2
0.2
0
30%
0.6
0
0
20000
40000
Re
60000
80000
100000
120000
0
20000
40000
60000
Re
80000
100000
120000
39
Elargissement
Écoulement
stratifié
Écoulement
1
théorie
mono
11%
20%
30%
0.9
0.8
0.7
0.6
K
homogène
30°
x 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
20000
40000
60000
Re
80000
100000
120000
40
ECOULEMENT VERTICAUX
Ecoulement vertical
Descendant
eau + 15% de billes
Ecoulement descendant
Ecoulement ascendant
D(ρe  ρb)g
f  fe  
1
ρe U2
2
f *  fe  
*
0.10
0.9
0.05
0.8
0.00
0.7
-0.05
0.6
-0.10
Coefficient f
Coefficient f
1
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
D(re  rb )g
1
re U 2
2
-0.15
0% exp
Blasius
-0.20
10 % exp
10 % modèle
-0.25
20 % exp
20 % modèle
-0.30
30 % exp
30 % modèle
-0.35
0
0
10000
20000
30000
Nombre de ReynoldsRe
40000
50000
0
10000
20000
30000
Nombre de Reynolds Re
40000
50000
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