Charge horizontale

Des essais de charge à l’horizontale ont été réalisés pour tester la faisabilité d’une telle configuration pour une application industrielle. Ces essais permettent aussi de voir l’impact de la gravité avec une orientation différente des ailettes. Seuls les designs b), c) et d) ont été testés à l’horizontale. Pour réaliser ces essais, l’échangeur est basculé vers la droite. Grâce au système de vannes, l’eau peut être injectée à la fois par la gauche et par la droite. Les essais sélectionnés pour ce paragraphe sont une charge par la droite pour les designs b) et d) et une charge par la gauche pour le design c).

4.1.3.1. Analyse des fronts de fusion

Les images prises lors des charges à l’horizontale des designs b), c) et d) sont présentées sur la Figure III-20.

Dans le design b), le front de fusion progresse surtout au milieu de la section d’essais. Le MCP solide est ensuite rogné à la fois en haut et en bas de l’échangeur. Cette forme est due à la proximité des tubes périphériques et de la calandre et aux mouvements liquides qui poussent le MCP dans la moitié supérieure de l’échangeur. L’analyse des profils de température en fonction de la position angulaire permettra de mieux comprendre les phénomènes de transfert de chaleur prépondérants dans ce type de géométrie.

Dans le design d) et le design c), deux tendances peuvent être observées : le front de fusion progresse aussi bien de manière axiale, de l’injection vers la sortie, que de manière plutôt angulaire de la moitié supérieure à la moitié inférieure de l’échangeur. Il est d’autant plus marqué pour la section d’essais avec les ailettes circulaires qui ne bloquent pas la convection naturelle à l’horizontale. Ainsi, le MCP situé dans la partie supérieure de l’échangeur fond avant le MCP situé en-dessous. Il en résulte un front de fusion légèrement penché vers la sortie.

Cet effet avait déjà été observé par H. Shokouhmand et al. [104] lors d’une charge à l’horizontale dans un échangeur à ailettes longitudinales. Dans le cadre de cette thèse, il y a pourtant beaucoup plus d’ailettes longitudinales, ce qui devrait en théorie stopper les mouvements de convection naturelle sur une tranche radiale. La montée du fluide chaud est attribuée à l’expansion volumique se produisant à la fusion et permettant au MCP liquide chaud de se frayer un chemin et de rogner plus rapidement les zones supérieures de l’échangeur.

Par ailleurs, les deux zones situées de part et d’autre des ailettes connaissent quant à elles un moins bon transfert thermique et ne fondent pas en même temps que le MCP situé dans les zones ailetées, tout comme observé lors des essais de charge à la verticale. Ceci démontre le rôle d’intensificateurs de transfert thermique des ailettes.

En résumé, les fronts de fusion n’évoluent pas de manière régulière de l’injection vers la sortie, il n’y a pas d’apparition de piston thermique. La gravité influence la forme des fronts de fusion et une évolution de la moitié supérieure de la section d’essais vers la moitié inférieure est aussi visible. L’expansion volumique joue aussi un rôle lors des charges à l’horizontale, étant donné qu’elle permet d’apporter du fluide chaud dans la partie supérieure de l’échangeur et de contribuer à rogner le solide dans ces zones.

Design c) t = 500 s t = 1000 s t = 1500 s t = 2000 s t = 2500 s Design b) t = 600 s t = 1100 s t = 1300 s t = 1500 s t = 1900 s Design d) t = 500 s t = 1000 s t = 1500 s t = 1750 s t = 2000 s

4.1.3.2. Analyse des profils de température dans le MCP

Le design b), quant à lui, présente une courbe beaucoup plus éloignée de celle de la température d’injection. De plus, une stabilisation semble se mettre en place entre 45 °C et 50 °C, qui traduirait le changement de phase.

Les courbes d’évolution de la température dans le MCP en fonction du temps pour différentes positions axiales sont présentées sur la Figure III-22.

Les courbes de température dans le MCP ont une forme similaire à celle rencontrée lors de la charge par le haut, mis à part celles du design b).

Dans le design b), le changement de phase se fait assez rapidement pour les thermocouples situés au plus proche de l’injection et dès que le MCP est en phase liquide, sa température subit une légère diminution avant de se stabiliser à la température d’injection. Toutes les courbes présentent cette diminution et ce saut de température mais décalés dans le temps. Ces phénomènes sont attribués à la convection naturelle qui peut se mettre en place entre les tubes lorsque la section d’essais est utilisée à l’horizontale. Pour mieux comprendre ce qu’il se passe dans cette section d’essais, les courbes de température en fonction des positions angulaire et radiale sont présentées pour la coupe axiale B sur la Figure III-21.

1) Autour du tube central 2) Dans l’espace inter-tube

3) A la périphérie 4) Comparaison des trois

Figure III-21 : Evolution de la température dans le design b) en fonction de la position angulaire autour du tube central 1), dans l’espace inter-tube 2) et à la périphérie 3), ainsi qu’une comparaison entre les

Design c) Position 0 ° -b

Design b) Tube 2 Angle 60 ° ^{Design d) Position 270 °-b}

On remarque que pour chaque graphe, les thermocouples situés les plus en haut ont une température plus élevée que ceux situés plus en bas. Cette tendance est encore plus marquée pour les thermocouples en périphérie. (Graphe 3). Les thermocouples les plus en haut (bleu et vert) ne présentent cependant pas de changement de phase. Il se peut qu’en début d’essais, ils ne se situent pas dans le MCP solide à cause de la contraction volumique à la solidification précédente. En résumé, la différence entre ces trois positions radiales est présentée sur le graphe 4.

Dans le design c) et d), la répartition des températures en fonction de la position axiale (Figure III-22 c) et d)) est beaucoup moins marquée que lors des charges à la verticale. La répartition existe depuis le début de l’essais mais est plus distincte après le changement de phase et plutôt pour les thermocouples proches de l’injection. On peut expliquer ce phénomène par la présence des ailettes qui répartissent assez bien la chaleur sur toute la longueur de la section d’essais et qui limitent la répartition axiale aux quelques thermocouples proches de l’injection.

On relève des temps d’essais qui sont tous de l’ordre de 3000 s pour les trois sections d’essais.

Pour la charge à l’horizontale, on notera ainsi que dans la section d’essais b), qui ne bloque pas la convection naturelle, une circulation de liquide peut se mettre en place entre la moitié supérieure et la moitié inférieure de l’échangeur. Cette circulation se repère d’ailleurs à un léger bruitage et au saut des courbes de température. La répartition axiale est assez marquée pour cette section d’essais. Pour les géométries avec ailettes, au contraire, la répartition axiale est moindre et les ailettes distribuent correctement la chaleur sur toute la longueur de l’échangeur. Il n’y a pas d’évolution de type piston thermique des températures.