L’installation expérimentale et l’instrumentation

Tel que montré dans les figures 3.2, 3.3 et 3.4 la détermination expérimentale du débit bloqué est obtenue par diminution successive de la pression de décharge, tout en maintenant constantes les autres variables jusqu’à ce que le débit devienne constant. L’installation ex- périmentale est donc composée de deux boucles branchées en parallèle à travers une section d’essais (voir la figure 4.1).

Une boucle eau-vapeur basse pression (BP) permettant à l’expérimentateur de contrôler et de mesurer les conditions à la décharge de la section d’essais et une boucle haute pression (HP) qui va ramener l’eau vers l’état supercritique. Le fluide caloporteur est de l’eau distillée et déminéralisée sans traitements chimiques. La boucle BP montrée à la figure (4.2), a une capacité de puissance thermique de 200 kW, permettant ainsi de produire la quantité de vapeur nécessaire pour avoir des pressions de décharge variant dans la plage de 0,1 à 4 MPa. Pour éviter que la température de l’eau à l’entrée de la pompe de la boucle haute pres- sion, montrée à la figure 4.3, soit supérieure à 338 K, la température limite recommandée par le fabricant, un ensemble d’échangeurs de chaleur à double tube est utilisé pour amener la température de l’eau à l’entrée à une valeur inférieure à celle de la consigne (< 338 K). Un filtre est installé à l’entrée de la pompe à haute pression pour retenir les particules solides de dimensions supérieures à 5 µm. L’eau passe ensuite par une pompe à six pistons, un amor- tisseur de pulsation installé à la sortie de la pompe pour réduire les oscillations de pression. L’amortisseur utilise une pression d’azote pour balancer toute fluctuation d’environ 80% de la pression de l’eau (Muftuoglu et Teyssedou, 2014). L’eau passe ensuite par un débitmètre

1. Des mesures sévères ont été prises lors de l’expérimentation vu la nature très dangereuse de certaines expériences et les limitations physiques de la salle de commande.

Figure 4.1 Schéma de l’arrangement hydraulique des deux boucles fonctionnant en parallèle.

de type-turbine qui traduit l’action mécanique de la turbine en rotation dans l’écoulement en un signal de sortie proportionnel à la vitesse du fluide. L’élément de chauffage qui va permettre au fluide d’atteindre les conditions supercritiques est tubulaire. Il est fabriqué à partir de l’alliage Hastelloy C-276.

Pour garantir l’intégrité de l’installation, avant de commencer les expériences avec de l’eau à l’état supercritique, l’élément chauffant a subi des essais hydrostatiques, à la température de l’ambient, en utilisant de l’huile à une pression supérieure à 77 MPa. Cet élément de 11,2 m de longueur est chauffé par effet de Joule en utilisant une alimentation en courant continu d’une puissance de 550 kW.

Les branches de l’élément chauffant sont connectées électriquement en parallèle et le potentiel électrique est appliqué aux extrémités de chaque tube. La puissance thermique ap- pliquée est déterminée en mesurant le potentiel électrique et le courant électrique en utilisant trois instruments de mesure, dont un shunt électrique 5000 A (classe 0,5) pour mesurer le courant, connecté en série à l’élément chauffant, une unité à effet Hall 5000-LEM (mesure aussi le courant total) et quatre shunts (1500 A , classe 0,25) pour mesurer le courant passant par chaque branche. L’élément de chauffage est équipé de 25 thermocouples avec insulation électrique, soudés par points à différents endroits axiaux et angulaires sur la paroi externe de chaque tube. Six thermocouples supplémentaires sont installés dans des emplacements radiaux et axiaux sur la gaine d’isolation thermique pour estimer les pertes thermiques vers l’extérieur.

L’instrumentation de l’élément chauffant est connectée au système d’acquisition et de contrôle de données via des amplificateurs isolants galvaniques. Tous les thermocouples, y compris leurs chaines électroniques complètes, sont étalonnés avec une précision de ± 0,5 K de la lecture. L’étalonnage du thermocouple a été réalisé en utilisant un bloc de calibrage Thermoélectric, modèle TK Series Dry Block.

Figure 4.2 Schéma simplifié de la boucle eau-vapeur à faible ou moyenne pression.

Comme les fluides supercritiques ont tendance à former des agglomérations ou de la stratification, l’eau sortant à une température supérieure à 773 K et à une pression d’environ 24 MPa passe par une chambre de mélange (calming chamber) installée en amont de la section d’essais (voir figure 4.3). À l’intérieur de cette chambre, le fluide supercritique est agité pour éviter la stratification. Cela permet aussi de prendre des mesures moyennes correctes pour les pressions (PTr-1) et pour les températures du fluide (TTr-5) (voir figure 4.3). Toutes les pressions sont mesurées en utilisant des capteurs absolus “ Flow Technology ”. Avant chaque expérience ces instruments, incluant toute la chaine de mesure sont vérifiés en employant une unité d’étalonnage Druk, modèle DPI602. Dans toutes les expériences, les écarts des pressions ont été inférieurs à ± 0,1 % de la lecture.

À la sortie de la section d’essais, le fluide est refroidi dans un échangeur-condenseur à contact direct avant de pénétrer dans le ballon de vapeur (steam drum) de la boucle de

Figure 4.3 Schéma simplifié de l’installation expérimentale pour l’eau supercritique.

pression moyenne (figure 4.2) où, par gravitation, la phase vapeur est séparée de la phase liquide. Les conditions adiabatiques sont maintenues durant toutes les expériences et tous les appareils de mesure et de contrôle sont reliés à un système d’acquisition de données de type “ National Instrument CompactRIO ”. La fréquence d’échantillonnage pour les expériences est de 100 ms et l’enregistrement de chaque variable contient au minimum 100 valeurs. Pour le calcul du débit bloqué, une large gamme de conditions du réservoir a été explorée, parti- culièrement autour de la région supercritique (figure 5.1). Les températures et les pressions sont mesurées à plusieurs endroits le long de la boucle supercritique en utilisant des capteurs et thermocouples connectés au système d’acquisition de données.