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

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?

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 %

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

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

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

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

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

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

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

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

- 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:

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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- 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

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

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

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

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

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 :

Capteur à excitation thermique interne: Résultats Conditions propres

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

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

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

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

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 :

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

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

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

Problème inverse Capteur de caractérisation angulaire de l’échange x

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

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 : 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

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

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

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

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

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

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

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

Merci de votre attention!