Chapitre II État de l'art
II.2 É TUDES EXPERIMENTALES SUR LES ECOULEMENTS DIPHASIQUES
II.2.3 Visualisations dans une zone adiabatique
La plupart des cartes d’écoulement en changement de phase (voir chapitre I) ont été construites à l’aide d’installations expérimentales permettant une visualisation de l’écoulement. Ces installations se composent généralement d’une zone transparente non chauffée qui se situe à la fin de la zone de chauffe. Des études de ce genre existent en micro et mini-canaux [96;97] et en écoulement vertical [98]. En écoulement vertical, la visualisation se fait également souvent sur des écoulements en évaporation dans des espaces annulaires : un
43 tube (ou fil) chauffant se trouve à l’intérieur d’un tube en verre, sur le même axe, et l’ébullition externe sur le tube est alors observée [99].
Pour les écoulements horizontaux, des études assez anciennes existent sur la visualisation des régimes d'écoulements diphasiques. Ces auteurs utilisent un montage expérimental composé généralement d'un tube évaporateur en acier, suivi d'une zone de visualisation transparente permettant le relevé des configurations d'écoulement. Shah [100;101] exploite une installation de 140 mètres de long, un tube de diamètre interne de 26 mm en acier chauffé par trois cordons chauffants, et plusieurs fenêtres de visualisation (cf. Figure II-20).
Figure II-20. Installation expérimentale utilisée par Shah (à gauche),
détails de la zone de visualisation et des cordons chauffants (à droite) [100;101]
Danilova et al. [102] ont utilisé une zone de visualisation en quartz sur des tubes horizontaux (diamètre interne de 6 à 10 mm) ou verticaux (diamètre interne de 10 mm). Un générateur de vapeur délivre le titre désiré (en produisant une certaine quantité de vapeur), puis l'écoulement passe par une zone d'établissement avant la visualisation.
Cependant dans ces travaux ne figurent pas de photos, les moyens de visualisation de l'époque permettant le plus souvent la construction de cartes d'écoulement uniquement.
L'équipe de Wattelet et al. [38] a mené une étude complète de l'évaporation de fluides frigorigènes dans des tubes horizontaux pour des applications de refroidissement industriel, et a mené également une étude phénoménologique en utilisant des fenêtres de visualisation à l'entrée et la sortie de l’installation.
Dans le contexte de l'étude des écoulements dans une centrale solaire à génération directe de vapeur, Laufs et al. [70;103] ont utilisé une installation de 8 mètres de long et de 64 mm de diamètre interne pour simuler l'écoulement en évaporation d'eau sous haute pression (de 30 à 100 bar) avec du Fréon 11 à des pressions plus raisonnables (de 4 à 17 bar). Une fenêtre de visualisation tenant les hautes pressions et les températures de l'ordre de 200°C est disponible. Un flux de vapeur légèrement surchauffée circule dans la fenêtre entre l'écoulement et l'environnement extérieur afin de limiter les pertes thermiques. Peu de photos ont été publiées, seulement une évolution du régime stratifié avec la variation de la vitesse massique (cf. Figure II-21). On y voit la remontée de l'écoulement stratifié le long de la paroi quand le débit massique augmente.
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Figure II-21. Evolution du régime stratifié avec la variation de vitesse massique (vue de côté) [103]
Toujours sous pression (7 bar) mais pour du Fréon 22, l'équipe de Wang et al. [104] a étudié dans une section d'essais permettant une visualisation en fin de zone de chauffe l'écoulement dans un tube de 6,5 mm de diamètre pour une gamme de vitesse massique de 50 à 700 kg/m²/s. Les régimes d'écoulement sont comparés avec la carte de Weisman [105] et un bon accord est trouvé. Des photos sont présentées à débits fixés pour différents titres, comme par exemple pour 50 kg/m²/s sur la Figure II-22.
Figure II-22. Régimes d'écoulement pour différents titres à un flux massique de 50 kg/m²/s [104]
L'équipe suisse de l'Institut Polytechnique Fédéral de Lausanne a beaucoup contribué à l'établissement de cartes d'écoulement non adiabatiques (voir le chapitre I). De ce fait des travaux ont été publiés qui présentent des photos de régimes d'écoulement pris dans une zone adiabatique. Zürcher et al. [47] a exploité une installation de 3 mètres de long, la zone chauffée étant un échangeur bitubes: le tube central de diamètre 10,9 mm contient le fluide d'étude (de l'ammoniac, du R-134a ou du R-407C) et dans le tube extérieur circule de l'eau à contre-courant permettant au réfrigérant de s'évaporer. Des photos illustrant les régimes d'écoulements trouvés pour un certain débit et un certain titre ont été prises dans une zone adiabatique directement en sortie de la section d'essais, permettant ainsi de construire une nouvelle carte d'écoulement (cf. Figure II-23).
Figure II-23. Régime intermittent pour un écoulement d'ammoniac
45 L'installation utilisée par Da Silva Lima et al. [106] est très similaire à la précédente, mais les visualisations sont faites directement dans l'évaporateur. Celui-ci est composé d'un échangeur bitubes de 12 mètres de long dans lequel de l'ammoniac s'évapore et de zones adiabatiques transparentes situées avant et après les coudes (cf. Figure II-24). Le diamètre interne du tube est de 14 mm.
Figure II-24. Photo de l'évaporateurt (avant isolation) et des zones de visualisation [106]
Dans cette étude les visualisations sont réalisées avant les coudes et à la sortie du préchauffeur (juste avant d'entrer dans l'évaporateur). Sur la Figure II-25 sont présentés des exemples de photos réalisées sur cette installation. Les régimes d'écoulement sont comparés à la carte de Wojtan et al. [49].
Figure II-25. Ecoulement d'ammoniac à un titre de 0,11 et un flux massique de 50 kg/m²/s [106]
Enfin plus récemment, Mastrullo et al. [107] ont réalisé une carte d'écoulement pour deux fluides, le CO2 et le R410A à partir d'observations réalisées en sortie de zone chauffée de 78 cm de long dans un tube de diamètre interne 6 mm (cf. Figure II-26).
Figure II-26. Ecoulement de CO2 à un flux massique de 350 kg/m²/s à des titres de
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Padilla et al. [108] ont quant à eux étudié l'écoulement de 3 fluides (HFO-1234yf, R-134a et R-410A) dans des sections d'essais interchangeables : l'une opaque permettant des mesures de pertes de charge, et l'autre transparente permettant la visualisation de l'écoulement sur une partie droite (pour les deux premiers fluide).
Figure II-27. Schéma de l'installation expérimentale de Padilla et al. [108]
Le tube possède un diamètre de 6,7 mm, le flux massique varie entre 300 et 500 kg/m²/s, le titre entre 0,05 et 0,95. Du point de vue de la visualisation, l'intérêt est que les images sont capturées simultanément du haut et du côté du tube par un système de miroir incliné à 45° (cf. Figure II-28).
Figure II-28. Système optique permettant la prise de vue simultanée du haut et du côté du tube (à gauche)
Photo de l'écoulement de HFO-1234yf à un flux massique de 300 kg/m²/s et un titre de 0,05 (à droite) [108]
Il découle de cette étude que le HFO-1234yf, un possible remplaçant moins nocif du R-134a, possède les mêmes structures d'écoulement. De plus, la carte de Wojtan [49] permet de bien prédire ces régimes.