Identification de conditions aux limites dans un système thermique:

Présentation au sujet: "Identification de conditions aux limites dans un système thermique:"— Transcription de la présentation:

1 Identification de conditions aux limites dans un système thermique:
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 B. LADEVIE UMR CNRS 2392 J.C. BATSALE UMR CNRS 8508 P. TOCHON

2 Pourquoi et pour qui ce travail a t il été initié?
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?

3 Echangeurs tubulaires
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: Echangeurs tubulaires 70 % Echangeurs à plaques 30 %

4 3 grands modes d’écoulements des deux fluides:
Définitions (2) 3 grands modes d’écoulements des deux fluides: Ecoulement des deux fluides parallèles et de même sens

5 3 grands modes d’écoulements des deux fluides:
Définitions (3) 3 grands modes d’écoulements des deux fluides: Ecoulement des deux fluides parallèles et de sens contraires

6 3 grands modes d’écoulements des deux fluides:
Définitions (4) 3 grands modes d’écoulements des deux fluides: Ecoulement des deux fluides croisés

7 Il existe 5 grands types d’encrassement:
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

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

9 Dégradation des performances thermo-hydrauliques
Contexte industriel 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

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

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

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

13 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement:
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

14 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement:
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

15 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement:
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

16 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement:
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

17 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement:
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

18 5 méthodes pour la prise en compte de l’encrassement:
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

19 Outils privilégiés de maintenance prédictive
Solutions actuelles En conclusion: 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

29 Quelques approximations
Capteur à excitation thermique interne: Modèle direct Quelques approximations

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

31 Protocole expérimental
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

32 Conditions propres Amplitude
Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions propres Amplitude

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

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

35 La réponse en température peut alors s’écrire :
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 :

36 Capteur à excitation thermique interne: Résultats
Conditions propres

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

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

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

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

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

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

43 Points forts Points faibles
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 Nouveau capteur

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

45 Problème inverse Capteur de caractérisation angulaire de l’échange x

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

47 Protocole expérimental
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 : < 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

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

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

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

51 Conditions encrassantes
Capteur de caractérisation angulaire de l’échange: Résultats Conditions encrassantes

52 Points forts Points faibles
Capteur de caractérisation angulaire de l’échange: Conclusions Points forts - Mesures représentatives de l’échange - Estimation du coefficient d’échange local et moyen en conditions propres - Estimation du coefficient d’échange local et moyen en conditions encrassantes - Estimation de l’épaisseur du dépôt locale et moyenne en conditions encrassantes Points faibles - Problème de connectique - Problème d’épaisseur de paroi

53 Jusqu’où cette étude a été menée?
- Constat : très peu de dispositifs existants - Développement de 2 capteurs thermiques représentatifs de l’échange technologiquement simples localisés de faible coût techniques d’estimation adaptées - Informations précises sur la dégradation des performances

54 Mise en place de ses capteurs dans les centrales thermiques EDF
Quel avenir? - Capteurs développés = prototypes  industrialisation - Configuration en faisceau tubulaire - Autres configurations (plaques) - Autres domaines d’application Mise en place de ses capteurs dans les centrales thermiques EDF

55 Merci de votre attention!