Chapitre 3 : Etude des échangeurs de chaleur
2. L E CONDENSEUR
2.2. Essais avec le condenseur COND1
Le condenseur COND1 était présent sur chacune des campagnes ayant été menée sur le PAT ETM entre 2012 et 2019. Ainsi, de nombreuses données sont dispon ibles sur les performances de cet échangeur. Nous présentons ici 45 points de fonctionnement en ré-gime permanent pour l’étude du condenseur. Chaque point a été validé et analysé confor-mément à la méthode décrite au Chapitre 2. Lors du pilotage du banc d’essai, les différents paramètres de fonctionnement du condenseur qui peuvent être contrôlés sont :
• La température de l’eau froide
T
ef e,• Le débit de l’eau froide
m
ef• Le débit de vapeur d’ammoniac
m
2 (par manipulation de la VRP)• Le débit de désurchauffe
m
des (débit d’injection de gouttelettes dans la pseudo-turbine)Le débit d’eau froide est un facteur influençant le fonctionnement du condenseur en modifiant le coefficient d’échange à l’intérieur des tubes et le profil de température de l’eau à l’intérieur des tubes. Néanmoins, ces phénomènes sont ici supposés connus par l’emploi de corrélations d’échanges usuelles. Ce paramètre n’a donc pas été varié. Tous les points présentés ici pour le condenseur fonctionnent avec un débit d’eau constant à 30,0 0,15 kg/s.
Figure 76. Comparaison des puissances échangées dans le condenseur côté eau et côté ammoniac
0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00% 9.00% 10.00% 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Puissance côté ammoniac Puissance côté eau Ecart relatif Numéro d'essai Puissance thermique (kW) Ecart relatif
La puissance thermique du condenseur peut être déterminée de deux façons : par le calcul de la quantité de chaleur reçue par l’eau froide ou par le calcul de la quantité de chaleur cédée par l’ammoniac (cf. système d’équations (44) au paragraphe 2.3). Les deux méthodes fournissent les mêmes résultats avec un écart relatif inférieur à 4 % ; comme le montre la Figure 76. En essai, il est possible de choisir la puissance de fonctionnement souhaitée du condenseur en pilotant directement le débit d’ammoniac circulation dans la boucle ZP. En effet, si on néglige la part de l’éventuel sous-refroidissement dans le bilan total de l’échangeur, la puissance échangée est proportionnelle au débit d’ammoniac. Le coefficient de proportionnalité correspond à la chaleur latente (1231 kJ/kg), quasiment constante dans la plage de fonctionnement étudiée ici (variation de moins de 1 % entre 6 et 6,5 bar). La Figure 77 montre les puissances du condenseur en fonction des débits d’ammoniac des différents points d’essai. Le profil obtenu est linéaire, ce qui correspond aux attentes. Dans la littérature, le coefficient d’échange est néanmoins plutôt représenté en fonction de la puissance thermique (qui influence la température de paroi des tubes) que du débit de fluide de travail dans ce type d’échangeur [9]. Nous présenterons donc dans la suite les résultats en fonction de la puissance échangée plutôt qu’en fonction du débit d’ammoniac. La Figure 77 nous montre également que les 45 points sont regroupés autour de cinq valeurs du couple puissance-débit qui sont les valeurs de consignes qui ont été énoncées dans le plan d’expérience. Les cinq niveaux testés sont alors :
•
m
liq = 0,32 kg/s →Q
cond = 398 kW (8 points) •m
liq = 0,34 kg/s →Q
cond = 423 kW (10 points) •m
liq = 0,36 kg/s →Q
cond = 444 kW (7 points) •m
liq = 0,38 kg/s →Q
cond = 468 kW (8 points)Les titre en vapeur x3 de l’ammoniac entrant dans le condenseur est quant à lui direc-tement dépendant du débit de désurchauffe, qui correspond à l’injection de gouttelettes dans la vapeur sèche sortant de la VRP. La Figure 78 illustre les valeurs de titre obtenues expérimentalement en fonction du débit de désurchauffe. La relation n’est pas parfaite-ment linéaire puisque le titre en vapeur en sortie du désurchau ffeur dépend à la fois du
380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4 Puissance (kW) Débit (kg/s)
Figure 77. Evolution de la puissance thermique du condenseur en fonction du débit d'ammoniac
condensé 0,970 0,975 0,980 0,985 0,990 0,995 1,000 0 0,005 0,01 0,015 Débit (kg/s) Titre en vapeur x3
Figure 78. Evolution du titre en vapeur à l’entrée du condenseur en fonction du d ébit de
débit de désurchauffe et du débit de vapeur sortant de la VRP, la somme des deux donnant le débit total d’ammoniac circulant dans le condenseur. La commande du débit de désur-chauffe peut néanmoins permettre de fixer un titre avec une erreur quadratique moyenne de 0,2 %. Le plan d’expérience montre des titres en vapeur en entrée du condenseur variant entre 0,97 et 1. Les points avec des valeurs proches de 1 représentent le cas où la pseudo -turbine fonctionne avec un rendement très faible ou est by-passée. Ce cas représente donc le fonctionnement du condenseur lors d’une phase démarrage par exemple ou de fonction-nement hors nominal. Plus le titre en vapeur à l’entrée du condenseur est faible, plus la variation d’enthalpie massique du fluide dans la turbine est élevée. Les performances de l’échangeur seront ici représentées en fonction du titre en vapeur plutôt que du débit de désurchauffe.
Enfin, la température de l’eau froide influence quant à elle la pression de l’échangeur
3
P
. En effet, à puissance de fonctionnement donnée, et connaissant la t empérature et le débit de l’eau froide, la pression de changement d’état du fluide de travail, représentative de la température de changement d’état, est déterminée. La Figure 79 illustre la relation obtenue entre la température de l’eau froide et la pression de l’ammoniac dans le conden-seur, aux différentes puissances testées. Le profil attendu est confirmé : à puissance don-née, plus la température de l’eau froide en entrée est élevée, plus la pression dans le con-denseur est grande. La plage de fonctionnement testée en termes de température et de pression du condenseur reste ici restreinte (de 6,15 à 6,45 bar pour la p ression de l’am-moniac et de 4,9 à 5,4 °C sur la température de l’eau froide), mais correspond au domaine de fonctionnement souhaité d’une centrale ETM.Les conditions opératoires du condenseur peuvent donc être représentées soit par le triplet des variables utilisées lors du pilotage
(m m
2,
des,T
ef e,)
, le débit d’eau froide étant une constante ici, ou par le triplet de variables de fonctionnement suivant :(Q
cond, , )x P
3 3 . Les performances thermiques du condenseur varient alors en fonct ion de 3 paramètres indépendants. Le système retenu finalement est le suivant :• La puissance thermique transférée dans le condenseur
Q
cond• Le titre en vapeur à l’entrée du condenseur
x
3• La pression du condenseur
P
3 6,1 6,15 6,2 6,25 6,3 6,35 6,4 6,45 4,8 5 5,2 5,4 5,6 398 kW 423 kW 444 kW 468 kW Pression P3(bar) Température Tef, e(°C)Figure 79. Représentation de la pression obtenue dans le condenseur en fonct ion de la température de l'eau froide
Figure 80. Illustration de l'espace d'expérimentation ayant été exploré pour le condenseur
Le plan d’expérience consiste alors à explorer cet espace de fonctionnement du con-denseur à trois dimensions. Afin de représenter la portion de cet espace qui a pu être explorée lors des différents essais ici, la Figure 80 montre l’ensemble des points de fonc-tionnement obtenus expérimentalement dans l’espace à trois dimensions
(Q
cond, , )x P
3 3 .Une autre vérification importante qui a été réalisée pour s’assurer du bon fonctionne-ment du condenseur est la vérification du niveau et l’état du liquide sortant du condenseur (saturé ou sous-refroidi). La Figure 81 représente la différence entre les températures me-surées T3 et T4 pour l’ammoniac à l’entrée et en sortie du condenseur et les températures de saturation calculées à partir des pressions P3 et P4 en fonction du niveau de liquide mesuré. A l’entrée, l’état de l’ammoniac doit obligatoirement être saturé puisqu’une in-jection de gouttelettes est réalisée dans le désurchauffeur. La comparaison de la tempéra-ture réelle mesurée dans le condenseur et de la températempéra-ture de saturation de l’ammoniac calculée à la pression mesurée permet donc de valider la relation pression-température utilisée ainsi que l’absence d’incondensables dans la boucle lors des essais. Les valeurs de T3 et Tsat(P3) obtenues sont très proches avec un écart quadratique moyen de 0,05 °C. En effet, l’incertitude des capteurs de températures est égale à 0,18 °C à la température de l’ammoniac dans le condenseur, soit bien supérieure à l’écart constaté ici. L’analyse
390 470 450 430 410 Puissance (kW) 0,98 0,99 1,00 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 28 29 30 31 32 33 Sous-refroidissement T3- Tsat(P3) (°C) Niveau Ncond(%) -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 28 29 30 31 32 33 Sous-refroidissement T4- Tsat(P4) (°C) Niveau Ncond(%)
Figure 81. Ecart entre température mesurée et température de saturation en fonction du niveau mesuré à l’entrée (à gauche) et à la sortie (à droite) du condenseur.
des pressions et températures de l’ammoniac en sortie du condenseur nous permet de con-trôler l’état de l’ammoniac liquide condensé, en particulier de vérifier l’existence d’un éventuel sous-refroidissement significatif. En dessous d’un niveau de 35 %, les tubes du condenseur ne sont pas noyés et participe donc tous à la condensation par film ruisselant. L’existence d’un éventuel sous-refroidissement en sortie ne peut alors qu’être lié à un refroidissement d’une épaisseur du film liquide s’écoulant sur les tubes. Néanmoins, les écarts constatés ici entre de T4 et Tsat(P4) sont encore une fois très faibles, ce qui montre que le liquide obtenu est quasiment à saturation. L’ammoniac peut donc être considé ré comme étant à température constante égale à la température d e saturation sur l’ensemble de l’échangeur pour tous les points de la campagne.