1.2 Technique de visualisation directe
2.1.2 Syst`eme de mesures
Dans le but de mieux comprendre les m´ecanismes r´egissant les ´ecoulements gaz-liquide `a contre-courant au sein d’empilages structur´es, les grandeurs caract´eristiques de ces ´ecoulements telles que la perte de charge, les profils de vitesses du gaz et du liquide en sortie d’empilage et la dispersion des phases, doivent ˆetre mesur´ees. Outre la mesure de la distribution des phases par radiographie `a rayons-X, un dispositif de mesure doit ˆetre r´ealis´e pour r´epondre `a ces objectifs. Le syst`eme de mesure ainsi r´ealis´e est repr´esent´e sur la figure2.6et d´etaill´e dans les sections suivantes.
Figure 2.6: Sch´ema du banc exp´erimental et de ses diff´erents syst`emes de mesures
2.1.2.1 Circuit de liquide
Le liquide (eau) est aliment´e au sommet de la colonne par le distributeur de liquide.
Il peut ˆetre distribu´e de mani`ere uniforme en sommet de colonne par le distributeur multipoints : 40 trous de 1 mm de diam`etre ont ´et´e perfor´es dans un tube de PVC de 18 mm de diam`etre interne ; ou par un distributeur monoponctuel centr´e disposant d’une buse d’injection de 4 mm de diam`etre et de longueur ajustable en fonction de la hauteur de l’empilage ´etudi´e.
Le d´ebit liquide est fix´e `a l’aide d’une pompe liquide de type moineau afin d’´eviter toute fluctuation du d´ebit (procure un d´ebit stable). Un variateur de fr´equence reli´e `a la pompe permet de r´egler le d´ebit de liquide. Deux rotam`etres sont alors utilis´es afin de mesurer le d´ebit de liquide. La gamme des d´ebits utilis´ee au cours de ces travaux varie respectivement de 15 `a 100 Nl.h−1 et de 100 `a 640 Nl.h−1 (rotam`etre de type KROHNE 164010).
Le liquide est ´evacu´e du s´eparateur gaz-liquide par la cuve principale. Afin d’´eviter, lors d’´ecoulement gaz-liquide `a contre-courant, que le gaz ne s’´echappe par cette cuve, un syst`eme de siphon d’un m`etre de hauteur est install´e. Une vanne `a boule est ´egalement install´e afin de pouvoir noyer la colonne lors de la proc´edure de calibration des mesures radiographiques de la distribution de liquide au sein de l’empilage (figure2.7).
Figure 2.7: Photo du socle du s´eparateur gaz-liquide: socle en PVC, onzes ´electrovannes, onzes sondes de conductivit´e, vanne `a boule et son syst`eme de siphon
2.1 Banc exp´erimental Chapitre 2. Mat´eriel
2.1.2.2 Circuit de gaz
Le gaz (air sec) est aliment´e en pied la colonne via un distributeur uniforme : 11 trous ont ´et´e perc´es dans un tube de PVC de 18 mm de diam`etre interne. Il peut ˆetre positionn´e de deux fac¸ons diff´erentes. Lorsqu’il est positionn´e directement en dessous de l’empilage, les trous sont orient´es vers le bas afin d’am´eliorer la distribution initiale de gaz et ´eviter toute entr´ee de liquide dans le tube. La distance s´eparant le distributeur, ainsi plac´e, de l’empilage permet d’obtenir une distribution homog`ene du gaz `a l’entr´ee de la colonne 2D.
Lorsqu’il est positionn´e au dessus de la cuve principale du s´eparateur gaz-liquide, les trous sont orient´es vers l’empilage et une r´eglette de polycarbonate permet de casser les jets de gaz, ce qui uniformise la distribution du gaz en entr´ee de la colonne 2D.
Le gaz est fourni par le r´eseau de gaz du laboratoire : un compresseur fournit de l’air entre 5 et 8 bars de pression. Un d´eshuileur-s´echeur de type “Oil-X Evolution” permet d’obtenir de l’air propre et sec. Les caract´eristiques du filtre utilis´e permettent d’´eliminer les particules de plus de 0.01µm pour une teneur maximale en a´erosol d’huile de 0.01 mg/m3
`a 21˚C. Le d´ebit de gaz est ensuite r´egl´e `a l’aide d’une vanne `a pointeau de pr´ecision et la stabilit´e du d´ebit de gaz est assur´ee par un r´egulateur de pression de pr´ecision dont la plage de r´eglage est de 0 `a 4 bars. La mesure du d´ebit est obtenue grˆace `a deux d´ebitm`etres massiques “Alicat Scientific” dont la gamme s’´etend de 0 `a 640 Nl.min−1.
La mesure de la perte de charge `a travers l’empilage est r´ealis´ee `a l’aide d’un tube en V contenant un liquide de densit´e inf´erieure `a celle de l’eau (848 kg/m3) afin de b´en´eficier d’une meilleure pr´ecision lors de la mesure des faibles valeurs de perte de charge. La prise de pression en amont de l’empilage peut ˆetre effectu´ee `a deux endroits diff´erents selon la hauteur de l’empilage ´etudi´e. La prise de pression aval est situ´ee en sommet de colonne (et donc de l’empilage), au contact de l’air libre. Elle est donc ´egale `a la pression atmosph´erique.
2.1.2.3 Mesures des d´ebits locaux de liquide
La mesure des d´ebits locaux de liquide est r´ealis´ee au sein du s´eparateur gaz-liquide grˆace aux onze cuves de mesure. Chacune de ces cuves est ´equip´ee de trois sondes de niveau et d’une ´electrovanne. Les trois sondes de niveau (figure2.8`a gauche) sont respectivement : la sonde commune, situ´ee `a 20 mm du fond de la cuve, la sonde de niveau bas, situ´ee `a 25 mm du fond, et la sonde de niveau haut, situ´ee `a 165 mm du fond ; soit une hauteur de mesure de 140 mm pour une section de la cuve de 60 x 35 mm2(2.94x10−4m3). Les sondes
de niveau sont reli´ees `a des cartes ´electroniques qui ont ´et´e fabriqu´ees au sein du laboratoire du LGC et permettent de transmettre un signal de type “tout ou rien” (0 V et 5 V).
Figure 2.8: Photo des cuves et du mat´eriel de mesures pour la messure des d´ebits locaux Les onze ´electrovannes sont mont´ees en parall`ele `a 36.5 mm d’entraxe, sur un support fix´e au dessous du socle du distributeur et reli´ees aux cuves par 5 cm de tuyau flexible emboˆıt´e dans des raccords rapides de 3/8” BSP (figure 2.8, `a droite). Les ´electrovannes sont de type NF (Normalement Ferm´ee), et sont command´ees en 24 VAC `a 50 Hz (8 W).
Leur diam`etre de passage est de 8 mm, ce qui assure une vidange de la cuve suffisament lente pour ne pas perturber les ´ecoulements de gaz et de liquide durant la mesure des d´ebits locaux.
La r´egulation de niveau est assur´ee par le logiciel “Labview8” avec “Field Point”
(National Instrument). Les signaux envoy´ees par les cartes d´edi´ees aux sondes de niveau sont directement transmis `a des modules Field Point : FP-DI-300 et 301 (DI : Digital Input).
L’information est ensuite transmise au PC par un module de commande FP-1001-RS 485 blind´e (pour R-X). Enfin, les programme “Labview8” traite l’information et actionne les vannes au momment voulu par l’interm´ediaire d’un module FP-DO-AC (DO : Digital Output).
2.1 Banc exp´erimental Chapitre 2. Mat´eriel
La figure2.9 repr´esente le s´eparateur gaz-liquide en vue lat´erale et montre de fac¸on sch´ematique le principe d’utilisation des cuves dans le cas de la mesure des d´ebits locaux de liquide. Les d´etecteurs de niveau plac´es sur chaque cuve permettent de mesurer le temps de mont´ee du liquide dans la cuve. En d´ebut de mesure, les vannes des onze cuves sont initialement ferm´ees. Le lancement de la mesure d´ebute par l’ouverture des onze vannes (figure2.9(a)). Lorsque la sonde de niveau bas n’est plus en contact avec le liquide (conducteur), l’´electrovanne se referme. Quand le liquide rentre `a nouveau en contact avec la sonde de niveau bas, un compteur se d´eclenche mesurant ainsi le temps de mont´ee du liquide dans la cuve (figure 2.9(b)). Lorsque le liquide atteint la sonde de niveau haut, le compteur s’arrˆete et l’´electrovanne s’ouvre (figure 2.9(c)). L’op´eration peut ainsi ˆetre r´ep´et´ee afin de minimiser l’erreur de pr´ecision due `a la d´etection des sondes de niveau bas et de niveau haut. A chaque nouvelle mont´ee du liquide, le compteur, non r´einitialis´e, reprend son cours et le nombre de fois o`u la cuve a ´et´e remplie est enregistr´e par l’interm´ediaire de cartes d’aquisitions reli´ees aux modules “Nationnal Instrument”. Le progamme r´ealis´e en
“Laview8” permet alors le stockage des mesures r´ealis´ees.
Figure 2.9: Sch´ema repr´esentant le pricipe de la mesure des d´ebits locaux de liquide
2.1.2.4 Essais de traceur
La mesure de la distribution de liquide au sein des empilages peut ´egalement ˆetre r´ealis´ee par le biais de traceurs salins concentr´es. Pour ce faire, des sondes de conductivit´e ainsi que leurs cartes d’acquisitions ont ´et´e sp´ecialement fabriqu´ees au sein du laboratoire du LGC.
Les sondes de conductivit´e (figure2.10) sont r´ealis´ees `a partir d’un cylindre de PVC de 8 mm de diam`etre et 10 cm de longeur. Deux sillons h´elico¨ıdaux sont creus´es sur 6 cm du tube de mani`ere `a y installer deux fils de platine de 0.25 mm de diam`etre. Le tube est ensuite coll´e avec de la r´esine epoxy (assurant l’´etanch´e¨ıt´e) dans un manchon creux en PVC, de 8 mm de diam`etre interne. Enfin, ce dernier est coll´e dans un tube m´etallique permettant un serrage par bague m´etallique sur le socle du s´eparateur gaz-liquide. Les sondes ainsi r´ealis´ees sont connect´ees `a un module “National Instrument” de type FP-AI-111 (AI : Anologic Input). Un programme d’acquisition r´ealis´e sous “Labview8” permet alors de mesurer en continu la conductivit´e du liquide contenu dans les cuves.
Figure 2.10: Photo des sondes de conductivit´e r´ealis´ees pour les essais de traceur salin Lors d’un essai de traceur, une solution saline concentr´ee est inject´ee de mani`ere ponctuelle au sommet de la colonne par l’interm´ediaire d’une seringue plac´ee dans le distributeur de liquide. Les ´electrovannes des cuves restent ferm´ees pendant toute la dur´ee de la mesure. Le traceur dilu´e dans l’´ecoulement arrive alors dans chacune des onze cuves.
Le s´eparateur, situ´e au centre des cuves, est utilis´e ici pour forcer le traceur salin `a passer devant la sonde de conductivit´e avant de se d´everser dans la cuve principale. Au passage du traceur, la sonde mesure la conductivit´e du liquide. Pour chaque d´ebit de liquide, le temps de s´ejour du traceur dans l’empilage est obtenu en soustrayant le temps de s´ejour du traceur dans les cuves de collecte au temps de s´ejour total mesur´e.