Dans un premier temps, l’instrumentation relative à la section d’essais est détaillée. Celle concernant le reste du dispositif expérimental est décrite dans une deuxième partie.
II.3.1
La section d’essais
3 mm 3 mm T T T T Pélec (U et I) Pélec (U et I) micro-tube cylindre chauffant cylindre chauffant ∆P
FIG. II.12: Instrumentation de la section d’essais.
La figure II.12 représente schématiquement la section d’essais et l’instrumentation mise en oeuvre.
Un capteur de pression piézo-électrique permet d’obtenir la différence de pression entre l’entrée et la sortie du micro-tube juste avant le piège à incondensables. Cette mesure permet d’estimer la différence de pression statique aux bornes du tubes. Il est de marque sensortechnics et de type SCX. Sa gamme de mesure est de 0 à 1 psi (1 psi = 6895 P a). Il a été validé à l’aide d’un
manomètre à eau incliné de 30˚ par rapport à l’horizontale. Une série de mesure de la perte de pression en fonction du débit dans le micro-tube en écoulement monophasique liquide a également été effectuée. En considérant la sensibilité du capteur donné par le constructeur, la valeur de la pente de cette droite correspond à celle obtenue par le modèle de Poiseuille (corrigé pour prendre en compte la géométrie du canal) à 1,1 % près [51]. Ce faible écart permet de valider les valeurs utilisées pour la géométrie du tube (arête interne et longueur).
Au niveau de la connexion avec la section d’essais, des raccords en T ont été utilisés. Un système utilisant des vannes trois voies décrit sur la figureII.13permet d’isoler le capteur afin de connaître la valeur de l’offset avant le début de chaque expérience.
à l’atmosphère capteur
SCX
micro-tube
isolation active
vers le réservoir d’entrée incondensablesvers le piège à
FIG. II.13: Schématisation du système de connexion entre le capteur piézo-électrique et le micro- tube.
Aux extrémités du micro-tube, des thermocouples sont également disposés (fig.II.12). Ce sont des thermocouples de type K (chromel-alumel) de diamètre égal à 0,5 mm gainés inox. Tous les thermocouples utilisés ont été préalablement étalonnés avec une sonde PT100. Ils présentent une précision évaluée à 0,2 ˚C. Ils sont connectés à la section d’essais avec des passages étanches, chacun d’eux étant vissé sur un raccord en T. Ces thermocouples permettent de connaître la tem- pérature en entrée et en sortie du micro-tube.
deux sur chacune des ailettes. Ces thermocouples de type K ont été fabriqués au laboratoire en soudant dans un bain d’éthanol un fil de chromel et un fil d’alumel. Ils ne sont pas gainés et ils ont un diamètre estimé à 0,5 mm. Ils sont situés à 3 et 6 mm du bord de l’ailette en contact avec le micro-tube (fig.II.12). Ces thermocouples permettent d’estimer le flux de chaleur dans chacune des ailettes. Leur position a donc été optimisée à l’aide du logiciel de calcul basé sur la méthode des éléments finis RDM6 (le même ayant permis de déterminer la hauteur des ailettes, paragraphe II.1.2). En effet, en modélisant le systèmes de chauffe, des courbes de flux et températures ont été obtenues dans les ailettes. Ces courbes ont permis d’estimer à partir de quelle distance les lignes de flux sont homogènes. A partir de cette distance, les thermocouples ont été placés de manière à obtenir un écart de température le plus grand possible. Deux trous traversants de 0,6 mm de diamètre ont donc été réalisés dans chaque ailette. Les soudures des thermocouples sont placées aux centres de l’épaisseur et de la largeur de l’ailette.
Pour pouvoir comparer ce flux de chaleur avec la puissance électrique, la tension et l’intensité du courant appliqué aux cartouches chauffantes sont relevées à l’aide de multimètres. La puissance électrique appliquée au niveau du thermocoax réalisant l’isolation active en sortie du micro-tube est également connue grâce à l’affichage de la tension et du courant sur l’alimentation stabilisée.
II.3.2
Autres instrumentations
II.3.2.1 Hauteur du réservoir d’entrée
Une expérience sera réalisée pour étudier l’influence d’une dépression sur la courbure de l’in- terface dans le micro-tube. Pour fixer la valeur de cette dépression, la hauteur du réservoir d’entrée peut être réglée et mesurée à l’aide d’un capteur de pression. Ce capteur de pression différentielle piézo-électrique est de marque sensor technics et de type DCXL. Sa gamme de mesure est de 30 pouces de colonne d’eau (≈ 7500 P a). Une de ses prises de pression est à l’atmosphère tandis que l’autre est reliée entre le réservoir d’entrée et le micro-tube du dispositif expérimental.
Ce capteur permet de mesurer la différence de hauteur entre la surface libre du réservoir d’entrée et une hauteur de référence invariante, à condition de pouvoir négliger la pression dynamique et les pertes de charge se produisant entre la surface libre du réservoir et le point de mesure du capteur devant la pression statique. Le calcul de la pression dynamique a été fait pour un débit imposé de 55 mg.s−1, débit largement supérieur à celui obtenu par pompage capillaire. Elle est de l’ordre de 0.03 P a. La perte de charge dans le tube cylindrique établissant la jonction entre le réservoir et le capteur a été évaluée à partir du modèle de Poiseuille. Pour ce même débit, sa valeur est de 0.02 P a. Ainsi, ce capteur permet bien de mesurer la hauteur du réservoir d’entrée, la pression
dynamique et les pertes de charge étant négligeables devant la pression statique.
II.3.2.2 Débit du fluide
Pour connaître le débit obtenu par pompage capillaire, le réservoir de sortie est placé sur une balance électronique. Cette balance de précision est de marque Précisa et de type XB620M. Sa précision est de 1 mg. Le tube qui arrive dans le réservoir de sortie appuie de manière constante sur la balance. Par ailleurs, une boîte en carton diminue les mouvements de l’air environnant qui pourraient modifier la pesée.
II.3.2.3 Température ambiante
Enfin, un thermocouple placé dans l’ambiance est également utilisé. Il est de type K, gainé inox et il a été étalonné de la même manière que les thermocouples précédemment cités.
Les différents éléments d’instrumentation qui sont utilisés sur ce banc expérimental sont reliés à un système d’acquisition décrit dans la partie suivante.
II.3.3
Le système d’acquisition
Au cours des expériences, le système d’acquisition utilisé permet d’enregistrer les paramètres suivants :
– les températures des cylindres chauffants (4 thermocouples)
– la température du fluide en entrée et sortie du micro-tube (2 thermocouples) – la température ambiante (1 thermocouple)
– la différence de pression aux extrémités du micro-tube (1 capteur de pression) – la hauteur du réservoir d’entrée (1 capteur de pression)
– le débit obtenu par pompage capillaire (1 balance électronique)
L’acquisition des données est effectuée à l’aide d’une centrale d’acquisition de marque Natio- nal Instruments (carte 16 bits à 250 kéch/s). La figureII.14schématise l’assemblage des différents éléments qui sont utilisés pour l’acquisition des données.
PCI-6221
Châssis SCXI-1000
Module SCXI-1102C
Bloc de connections SCXI-1303
FIG. II.14: Schématisation des différents éléments de la chaîne d’acquisition des données.
+ services). La fréquence d’enregistrement des données est de 150 Hz pour une fréquence d’ac- quisition de 15kHz. Cela signifie que pour chaque centaine de points pris dans la mémoire, une moyenne est effectuée avant l’enregistrement.
Un objectif de cette expérience est également de visualiser les écoulements pour étudier la répartition des phases lors de la vaporisation. Dans le paragraphe qui suit, le système qui permet la visualisation est détaillé.
II.3.4
Le système de visualisation
Pour visualiser la répartition des phases lors de la vaporisation du fluide, une caméra numérique est utilisée. Cette caméra de marque BASLER et de type A202K est positionnée sur deux platines de déplacement horizontal contrôlées par des vis micrométriques donnant le déplacement avec une précision de 10 µm. La première permet de déplacer la caméra parallèlement à l’axe du micro- tube afin de balayer l’ensemble de la section d’essais. La seconde sert à régler la netteté de l’image en déplaçant la caméra perpendiculairement à l’axe du micro-tube. L’éclairage est obtenu grâce à un stroboscope dont la durée d’un flash est de 10 µs. Ce type d’éclairage permet d’observer nettement, sans effet de traînée, des phénomènes rapidement variables. La fréquence des flashs est synchronisée avec la fréquence d’acquisition de la caméra à 97,5 Hz. Le stroboscope est placé derrière le micro-tube, dans l’alignement de l’objectif de la caméra de façon à obtenir un éclairage
en lumière blanche par ombroscopie.
Une lentille optique (×6) est placée sur l’objectif de la caméra de façon à agrandir l’image du micro-tube. La résolution spatiale (en µm/pixel) du système optique est déterminée pour chaque expérience à l’aide de repères visibles sur la manipulation comme la connexion en sortie du micro- tube par exemple (fig.II.15) et du déplacement précis fourni par la vis micrométrique. Pour une position x donnée par la première vis micrométrique, l’acquisition d’une image est réalisée. Le numéro du pixel du repère choisi pour cette image est relevé. La caméra est alors déplacée d’une longueur ∆x connue grâce à la vis micrométrique. L’acquisition d’une image est effectuée et le numéro du pixel du même repère est noté. La différence des numéros de pixels entre les deux positions correspond au déplacement ∆x, la résolution en millimètre par pixel est ainsi connue. Pour plus de précision, cette opération est répétée plusieurs fois.
x=0 mm x=1 mm x=2 mm x=3 mm x=4 mm x=5 mm repère connection micro-tube
FIG. II.15: Différentes images prises avec la caméra pour déterminer la résolution spatiale
(nombre de mm par pixel), le point rouge étant le repère.