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RÉSUMÉ
Le phénomène de condensation joue un rôle important, dans les processus industriels, sous de multiples formes et dans de multiples installations, dont les machines frigorifiques. Cet article présente des applications particulièrement intéressantes, et souvent fréquentes, telles que la condensation sur des surfaces profilées (tubes ou cylindres), ou celle de vapeurs (gaz incondensables ou mélanges binaires). Sont traités en dernier les phénomènes de condensation directe par mélange entre une vapeur et un liquide froid, notamment la condensation d’une vapeur sur des jets de liquide sous-refroidis, en masse ou pulvérisés.
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Prabodh PANDAY : Professeur retraité de l’Université de Technologie de Belfort-Monbéliard
INTRODUCTION
Ce texte doit se lire à la suite du dossier traitant la condensation en film d’une vapeur pure sur des surfaces immobiles lisses. Des applications industrielles particulièrement importantes de la condensation y sont présentées. C’est le cas de la condensation sur des surfaces profilées avec l’intervention d’un paramètre majeur : la tension superficielle. C’est aussi le cas de la condensation d’une vapeur en présence d’un gaz incondensable ou encore de mélanges de vapeurs. De telles situations sont fréquentes dans l’industrie, notamment et de plus en plus dans le domaine des machines frigorifiques. Enfin, dans la dernière partie, on présente le phénomène de condensation directe par mélange entre une vapeur et un liquide froid, particulièrement la condensation d’une vapeur sur des jets de liquide sous-refroidis, en masse ou pulvérisés.
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Condensation sur des surfaces profilées
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3. Condensation directe d’une vapeur pure
Plusieurs procédés mettent en contact direct la vapeur à condenser et un fluide caloporteur. Du fait de l’absence de paroi séparant les deux fluides, les échangeurs à contact direct ne posent pas de problème de corrosion ou d’encrassement, mais certains régimes de fonctionnement de ces échangeurs peuvent conduire à des fluctuations violentes de pression dans le système.
Les différents types d’écoulements concernant la condensation directe sont :
-
écoulement stratifié de la vapeur et du liquide ;
-
condensation sur des jets ou film liquide ;
-
injection de gouttelettes liquides dans la vapeur ;
-
injection de bulles de vapeur dans un liquide.
Comme la condensation en film, la condensation directe est régie par l’interaction des écoulements de vapeur et du liquide. Il n’existe pas de corrélation générale pour tous les cas rencontrés et il est nécessaire de résoudre les équations en adoptant des hypothèses simplificatrices. Les méthodes numériques sont couramment utilisées à cette fin.
3.1 Condensation directe de vapeur en écoulement stratifié dans un canal
L’analyse de type Nusselt est parfois utilisée pour traiter la condensation directe en écoulement stratifié en introduisant un coefficient de frottement pour évaluer la contrainte tangentielle. L’influence de gaz non condensables est abordée en général à l’aide de la théorie du film .
La condensation directe de vapeur en écoulement stratifié est importante du point de vue de la sécurité des réacteurs nucléaires. Les mesures effectuées pour un écoulement à contre-courant de la vapeur d’eau sur un écoulement d’eau dans un canal rectangulaire donnent des coefficients d’échange variant entre 4 kW /(m2 · K) et 8 kW /(m2 · K) et montrent l’existence d’ondes sur la surface du film liquide. Plusieurs études de la stabilité de l’écoulement d’eau vapeur en contre-courant sont menées dans ce contexte. La corrélation suivante est proposée par Chun et Yu ...
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Condensation directe d’une vapeur pure
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ADAMEK (T.), WEBB (R.L.) - Prediction of film condensation on horizontal integral fin tubes. - Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 33, pp. 1721-1735 (1990).
-
(2) - BEATTY (K.O.), KATZ (D.L.) - Condensation of vapors on outside of finned tubes. - Chem. Engg. Progress, vol. 44, pp. 55-70 (1948).
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(3) - BELGHAZI (M.), BONTEMPS (A.), MARVILLET (C.) - Experimental study and modelling of heat transfer during condensation of pure fluid and binary mixture on a bundle of horizontal finned tubes. - Int. J. Refrigeration, vol. 26, pp. 214-223 (2003).
-
(4) - BUKASA (J.M.), LIEBENBERG (L.), MEYER (J.P.) - Heat transfer performance during condensation inside spiralled micro-fin tubes. - Trans. ASME, J. Heat Transfer, vol. 126, pp. 321-328 (2004).
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(5) - CAVALLINI (A.), DEL COL (D.), DORETTI (L.), LONGO (G.A.), ROSETTO (L.) - Heat transfer and pressure drop during condensation of refrigerants inside horizontal enhanced tubes. - Int. J. Refrigeration, vol. 23, pp. 4-25 (2000).
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