Identification de conditions aux limites dans un système thermique:

UMR CNRS 8508 J.C. BATSALE B. LADEVIE UMR CNRS 2392 GdR GT identification Identification de conditions aux limites dans un système thermique: Etude du cas de l’encrassement particulaire des échangeurs de chaleur tubulaires Laetitia PEREZ P. TOCHON

Plan de l’exposé Quelles définitions? Pourquoi et pour qui ce travail a t il été initié? - Contexte industriel - Contexte scientifique Quelles sont les solutions actuelles au problème? Comment répondons nous à cette demande? - boucle GAZPAR - capteur à excitation thermique interne - capteur de caractérisation angulaire Jusqu’où ce travail a pu être mené? Quel avenir?

Echangeurs tubulaires Echangeurs à plaques 70 % 30 % • Quelles Définitions? (1) Un échangeur thermique est un équipement qui permet d’assurer un transfert de chaleur d’un fluide chaud à un fluide froid sans contact direct entre les deux fluides 2 grandes classes:

Ecoulement des deux fluides parallèles et de même sens • Définitions (2) 3 grands modes d’écoulements des deux fluides:

Ecoulement des deux fluides parallèles et de sens contraires • Définitions (3) 3 grands modes d’écoulements des deux fluides:

Ecoulement des deux fluides croisés • Définitions (4) 3 grands modes d’écoulements des deux fluides:

Définitions (5) L’encrassement est défini comme l’accumulation d’éléments solides indésirables sur une interface d’échange Il existe 5 grands types d’encrassement: • La corrosion • L’encrassement biologique • L’encrassement par réaction chimique • L’entartrage • L’encrassement particulaire

- Raffineries - Incinérateurs d’ordures ménagères - chaudières…. Circulation d’air chaud chargé de particules Circulation d’eau froide - échangeurs de chaleur tubulaires - courants croisés - encrassement particulaire • Pourquoi et pour qui ce travail a t il été initié? Chocs pétroliers de 1973 et de 1979  Optimisation des dépenses énergétiques 

Dégradation des performances thermo-hydrauliques • Augmentation de la résistance thermique Rd • Diminution du coefficient d’échange h • Augmentation de la perte de charge Définition des grandeurs caractéristiques: h et Rd • Contexte industriel

Tfluide Couche limite thermique Loi de Newton dth Fconv solide Tsolide 100° 40° Notion empirique très controversée 0° h global : h local : Grandeur d’un emploi commode • Contexte scientifique Coefficient de transfert de chaleur h (W.m-2.K-1)

Fluide chaud (extérieur) Fluide froid (intérieur) paroi Transfert thermique en conditions propres • Contexte scientifique Résistance d’encrassement Rd(m2.K.W-1)

Fluide chaud (extérieur) Fluide froid (intérieur) paroi Transfert thermique - en conditions propres en conditions encrassantes Paramètre de Miller: • Contexte scientifique Résistance d’encrassement Rd(m2.K.W-1)

Quelles sont les solutions actuelles au problème? 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement: 1) Détermination de Rd 2) Tables TEMA 3) Maintenance prédictive 4) Mesures aux bornes de l’échangeur 5) Mesures à l’aide de sondes

Solutions actuelles 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement: 1) Détermination de Rd 2) Tables TEMA 3) Maintenance prédictive 4) Mesures aux bornes de l’échangeur 5) Mesures à l’aide de sondes

2) Tables TEMA • Solutions actuelles 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement: 1) Détermination de Rd 3) Maintenance prédictive 4) Mesures aux bornes de l’échangeur 5) Mesures à l’aide de sondes

Solutions actuelles 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement: 1) Détermination de Rd 2) Tables TEMA 3) Maintenance prédictive 4) Mesures aux bornes de l’échangeur 5) Mesures à l’aide de sondes

5) Mesures à l’aide de sondes • Solutions actuelles 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement: 1) Détermination de Rd 2) Tables TEMA 3) Maintenance prédictive 4) Mesures aux bornes de l’échangeur

Nécessité de développer des dispositifs de mesure : - peu coûteux - représentatifs des transferts de chaleur - représentatifs des conditions d’encrassement - fonctionnant dans des conditions réelles Outils privilégiés de maintenance prédictive • Solutions actuelles En conclusion:

Comment répondons nous à cette demande? La boucle d’essai GAZPAR

Acier Isolant Résistance chauffante • Capteur à excitation thermique interne Partie de l’échangeur Sonde Enregistrement de l’élévation de température Thermocouples Flux imposé

Capteur à excitation thermique interne: Modèle direct Parties de l’échangeur Sonde Axe du cylindre

Quelques approximations • Capteur à excitation thermique interne: Modèle direct

* hair X * (r X C p)acier + dépôt • Capteur à excitation thermique interne: Modèle direct - Aide au dimensionnement - Etude de sensibilité:

Capteur à excitation thermique interne Protocole expérimental En conditions propres: Température de l’air : 50°C Température de l’eau : 15°C Débits variant de 50 à 100 Nm3/h : 3,7.103 < Re < 7,4.103 En conditions encrassantes: Température de l’air : 50°C Température de l’eau : 15°C Débit : 100 Nm3/h, Re = 7,4.103 Diamètre aérodynamique moyen médian : 4 µm Essais sur une durée de 13 à 72 heures

Amplitude • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions propres

Moment d’ordre 0 • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions propres : étude de sensibilité expérimentale Coefficients de sensibilité expérimentaux

Courbe enveloppe g(t) • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions propres : Coefficients de sensibilité expérimentaux

Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions propres La réponse en température peut alors s’écrire : Pour une petite variation du coefficient de transfert : La variation de l’amplitude du signal : L’erreur d’estimation associée :

Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions propres

Moment d’ordre 0 • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions encrassantes

Formulation indépendante des valeurs nominales • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions encrassantes Variation de la constante caractéristique t due uniquement au dépôt  Développement asymptotique classique :  Développement asymptotique :

Moment d’ordre -1 • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions encrassantes Le contraste thermique s’exprime alors par : En intégrant :

Aire sous la courbe proportionnelle à Dt / t • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions encrassantes : Contrastes thermiques

Capteur à excitation thermique interne: Résultats A partir d’un modèle simplifié : Alors : Le problème d’estimation s’écrit :

Prévision de l’épaisseur de dépôt Méthode robuste • Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions encrassantes

Nouveau capteur • Capteur à excitation thermique interne: Conclusion Points forts - Modèle direct 3D transitoire - Mesures représentatives de l’échange - Mesure du coefficient d’échange moyen en conditions propres - Prévision de l’épaisseur d’encrassement - Pas de gêne due au bruit de mesure - Méthode robuste Points faibles - Problème de tenue en température - Problème de connectique - Problème d’épaisseur de paroi - Plusieurs matériaux constituent la sonde

Capteur de caractérisation angulaire de l’échange thermocouples 20° Air chaud + particules [Maillet et Degiovanni, 1989]

P2 P1 x • Capteur de caractérisation angulaire de l’échange Problème inverse

P2 P1 x et sont connues • Capteur de caractérisation angulaire de l’échange Problème inverse

Capteur de caractérisation angulaire de l’échange Protocole expérimental En conditions propres: Température de l’air : 80°C Température de l’eau : 15°C Débits variant de 50 à 100 Nm3/h : 3.103 < Re < 6.103 En conditions encrassantes: Température de l’air : 80°C Température de l’eau : 15°C Débit : 100 Nm3/h, Re = 6.103 Diamètre aérodynamique moyen médian : 4 µm Essais sur une durée de 11 à 72 heures

100° 40° 0° • Capteur de caractérisation angulaire de l’échange: Résultats Conditions propres 100 Nm3/h

Capteur de caractérisation angulaire de l’échange: Résultats Conditions propres

100° 40° 0° • Capteur de caractérisation angulaire de l’échange: Résultats Conditions encrassantes

Identification de conditions aux limites dans un système thermique: