Chapitre 2: Dispositif expérimental et méthodes de calcul
IV. Techniques de mesures
1 Unité d’acquisition
Une unité d‘acquisition des données (AGILENT) est utilisée pour l‘enregistrement des
mesures des débits et de pression et leur transfert sous forme numérique pour l‘exploitation
des données. Un voltmètre multiplexeur mesure et transfère ces signaux à partir des capteurs
de pressions et des débitmètres à un ordinateur via une interface USB pour un suivi en temps
réel et un enregistrement des mesures sur fichier Excel. La cadence d‘acquisition est de 3
secondes, les mesures sont acquises sur un palier d‘environ 2 minutes puis moyennées sur ce
palier.
Ce système d‘acquisition consiste en un seul boitier contenant différentes voies dont le
balayage est assuré par un multiplexeur polyvalent 34901A. Les voies sont divisées en deux
rangées de dix voies chacune. Chaque voie peut être configurée indépendamment des autres
sans avoir besoin d‘un conditionnement spécifique du signal.
2 Dispositif expérimental pour l’étude hydrodynamique
Des mesures de pression différentielle sont réalisées sur les différents tronçons et les
prises de pression sont installées sur 4 niveaux horizontaux (repérés P0, P1, P2 et P3). Leurs
positions sont indiquées sur la Figure 2- 12. Le premier niveau est situé sous le profilé
d‘injection, le deuxième juste au dessus de ce profilé, le quatrième en haut de la maquette
juste avant la zone de séparation liquide-gaz et le troisième à mi hauteur entre les niveaux 1 et
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3. Cinq prises de pression par niveau sont installées, correspondant aux sections transversales
1, 3, 4, 5 et 7 de la maquette.
Les distances entres les différentes niveaux sont : P0-P1=213 mm P1-P2= 433 mm et
P2-P3=425 mm.
Figure 2- 12: Schéma de principe de l’échangeur à plaques et ondes de la section d’essais pour le calcul des pertes de pression
3 Système de visualisation
3.1 Dispositif de la caméra rapide
Les écoulements diphasiques sont des phénomènes complexes et rapides. Nous nous
sommes intéressés à la visualisation de l‘écoulement, notamment au niveau des ondes
« serrated » et du profil de distribution des phases, auquel on n‘a pas accès dans les
échangeurs réels industriels. Pour cela, un système, constitué d‘une caméra rapide de type
Photron pointant sur la zone à observer d‘un logiciel d‘acquisition sur un PC et des
projecteurs pour éclairer, est installé. La caméra rapide a permis de visualiser des phénomènes
très rapides que l‘on ne peut voir à l'œil nu. Le choix de l‘objectif de la caméra permet de
s‘adapter à la distance de celle-ci par rapport à l‘endroit visé.
P1
P2
P3
45
3.2 Méthode d’utilisation du dispositif
Pour la prise des images ou des films, et l‘obtention d‘une bonne qualité, nous devons
assurer u
n bon éclairage et une bonne estimation de la vitesse du phénomène physique à analyser pour définir la vitesse de la caméra. Ensuite pour bien analyser les films, il faut garder la même résolution surtout en passant d‘une zone à une autre.3.3 Positionnement sur le canal d’échangeur
La Figure 2- 13 montre la disposition de la caméra rapide et des projecteurs sur le canal
d‘échangeur.
Figure 2- 13: Schéma de principe du système de la visualisation par caméra rapide
Nous réalisons des films sur la totalité de la calandre externe de l‘échangeur et sur les
deux faces, de façon à voir tous les écoulements possibles à l‘intérieur des ondes « serrated »
ainsi qu‘au niveau du distributeur, avec une fréquence d‘enregistrement de 2000 images/s et
une résolution de 1024 × 1024. Le logiciel d‘acquisition permet de capter, de stocker et de
lire des séquences vidéo. Nous analysons par la suite les images afin de comprendre les
phénomènes observés.
PC
Caméra rapide Deux projecteurs Maquette à filmer46
4 Système de Traçage de la phase liquide
Les méthodes de traçage sont utilisées pour le diagnostic des dispositifs industriels, elles
sont principalement limitées à la détermination qualitative des défauts standards
(encrassement, volume mort…) et la détermination de la distribution de temps de séjour
(DTS) d‘une phase donnée afin de caractériser l‘hydrodynamique dans un échangeur à
plaques et ailettes.
Les objectifs sont de déterminer les régimes d'écoulement et leurs signaux caractéristiques
(par exemple : taux de vide moyen et quantité des bulles) et les différents types de défauts
(ailettes encrassées…), leurs localisations et degrés.
Les difficultés principales se produisant dans l‘échangeur à plaques et ondes sont
l‘encrassement des mincanaux (ailettes) et l‘endommagement des ailettes, induisant des
madistribution des phases.
4.1 Choix de la méthode : Mesure de la DTS du liquide par conductimètrie.
La mesure de la DTS par conductimètrie est basée sur l‘utilisation d‘un traceur dont la
concentration peut être déduite d‘une mesure de conductivité du milieu. Ces variations de
conductivité peuvent être provoquées par la présence d‘un électrolyte minéral (NaCl, KCl,
LiClO4) ou plus rarement organique polaire (par exemple (C4H9)4N(Br)).
Après avoir choisi le traceur, il faut régler les quantités et les concentrations des produits
injectés pour que la réponse du conductimètre soit une fonction monotone ou de préférence
linéaire, de la concentration mesurée. La concentration en traceur est le plus souvent faible.
Avantages:
cette méthode est simple, rapide et facile à appliquer ; la réponse peut être présentée
sous forme de courbes après numérisation des signaux analogiques ;
il est facile de réaliser simultanément plusieurs mesures en des points différents du
système, en plaçant des cellules de mesure dans le milieu, puisqu‘elles sont de
dimensions assez réduites.
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Inconvénients :
cette méthode est appliquée essentiellement en milieu aqueux ;
pour avoir une réponse précise, la concentration en traceur doit être faible ce qui
conduit à renouveler entre chaque expérience le milieu ;
les réponses ne peuvent représenter que le débit qui passe dans le volume défini dans
l‘échangeur.
Cette méthode est d‘autant plus délicate à appliquer en diphasique, surtout lorsque la
phase liquide est dispersée.
4.2 Mise au point de la méthodologie du traçage
Le système de mesure de la distribution des temps de séjours est placé entre la sortie de
l‘échangeur et le collecteur des phases, il est muni de 7 électrodes pour la mesure du signal de
la DAI à chacune des 7 sorties de l‘échangeur. Nous observons sur la Figure 2- 14 le
collecteur-séparateur des phases en plexiglas, et à côté on voit le système de détection à la
sortie traçage qui est une plaque en plexiglas identique au pied du collecteur des phases et à la
sortie de l‘échangeur, de manière à superposer les sept fentes de sortie des fluides. L‘injection
se fait dans la conduite d‘entrée du liquide, par une vanne et une seringue métallique. Le
fonctionnement est toujours à la température ambiante avec une solution de NaCl comme
traceur.
Figure 2- 14: Image de dispositif du système de traçage
Collecteur des phases Système de traçage Sorties identiques à superposer
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La longueur dune électrode est identique à la celle d‘une sortie de l‘échangeur (Figure 2-
15). Le système électronique est mis dans un boitier, muni de 7 entrées et 7 sorties et chaque
couple d‘entrée-sortie est branché à une électrode donc à une seule sortie de l‘échangeur
(Figure 2- 16).
Figure 2- 15: électrodes et système électronique
L‘injection du traceur se fait d‘une seringue métallique (
figure 2-15
).Figure 2- 16: Seringue métallique pour injection
5 Grille d’essais
Pour chaque configuration d‘écoulement, les essais suivants sont effectués :
mesure des pertes de charges ; mesure de la distribution des phases ;
mesure des distributions des temps de séjour (DTS). 1 sonde dans
une seule sortie Système