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Auteur(s)
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André BONTEMPS : Docteur ès sciences - Professeur à l’Université Joseph-Fourier - Groupement pour la Recherche sur les Échangeurs Thermiques (GRETh) - Laboratoire Écoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) - CEA Grenoble
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Lire l’articleINTRODUCTION
La condensation d'un mélange de vapeurs se produit dans de nombreuses installations industrielles qui couvrent des domaines d'application aussi divers que :
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le génie chimique ;
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la production de chaleur ;
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la production de froid.
Dans le premier cas, il est rare que les fluides utilisés dans les procédés soient des corps purs. L’utilisation de mélanges est donc le cas le plus fréquent. Par exemple, en pétrochimie les produits pétroliers sont au départ des mélanges complexes et les différentes opérations de raffinage visent à séparer les différents corps pour ensuite reformer éventuellement des mélanges de composition contrôlée.
Dans les deux derniers domaines les mélanges de fluides ont un double intérêt. D'une part, leur utilisation permet de diminuer les pertes d’exergie dans les évaporateurs et les condenseurs dans certaines configurations. D'autre part, les mélanges sont des candidats intéressants au remplacement des fluides frigorigènes CFC (chlorofluorocarbure) et HFC (hydrofluorocarbure) pour résoudre certains problèmes liés à l'environnement. En effet, la présence de certains de ces fluides dans l’air atmosphérique peut, d’une part, conduire à l’appauvrissement de la couche d’ozone atmosphérique, d’autre part, contribuer à l’effet de serre.
Le calcul des performances thermiques d'un condenseur de mélanges fait appel à deux types de théories. Dans le premier type de théories, dites théories du film, l'accumulation des vapeurs des fluides les plus volatils près de la surface du condensat crée une barrière aux transferts. Ces théories représentent assez bien la réalité, mais peuvent nécessiter un traitement numérique assez lourd s'il y a plus de deux fluides en présence. Dans le second cas, des théories dites à l'équilibre peuvent être utilisées dans certaines conditions expérimentales et pour des fluides obéissant à certains critères. Elles conduisent à des calculs relativement simples.
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1. Généralités
1.1 Comparaison de la condensation d’une vapeur pure et d’un mélange de vapeurs
Lorsque la température de la surface d’une paroi est inférieure à la température de saturation de la vapeur qui la baigne, la vapeur peut se condenser sur cette paroi. Elle se condense soit sous forme de gouttelettes, soit sous forme d’un film liquide suivant la mouillabilité de la surface. Lors de la condensation, l’enthalpie fournie à l’interface liquide-vapeur est évacuée par convection et conduction vers la paroi froide et trois résistances thermiques placées en série doivent être surmontées : la résistance thermique dans la phase vapeur, la résistance thermique à la conversion de la phase vapeur en phase liquide et la résistance thermique dans la phase liquide. Si l'on considère le profil des températures près de la paroi d'un condenseur sur laquelle un film liquide a été formé par condensation, on peut visualiser les écarts de températures qui conduisent à ces trois résistances (courbe a, figure 1). Parmi celles-ci et dans des conditions usuelles, la résistance à l'interface est généralement négligeable et le saut de température correspondant est de l'ordre de quelques centièmes de degré.
Dans le cas de la condensation d'un fluide pur non surchauffé, la résistance dans la vapeur est négligeable et la température devient constante du cœur du fluide au film liquide (courbe b, figure 1). Le phénomène est donc contrôlé par la résistance thermique du film liquide.
Dans le cas de la condensation d'un mélange de vapeurs en présence ou non de gaz incondensables une résistance thermique supplémentaire apparaît dans la vapeur. Cette résistance peut devenir prépondérante et contrôler ainsi le transfert de chaleur.
HAUT DE PAGE1.2 Les différentes situations dans la condensation de mélanges de vapeurs
Dans la condensation d'un mélange de vapeurs plusieurs cas peuvent se présenter. Le premier est celui où les températures d'ébullition de chaque composant sont plus élevées que la température maximale de la paroi à travers laquelle le flux doit être évacué. Le mélange peut alors être complètement condensé....
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KERN (D.Q.) - Process heat transfer. - McGraw-Hill, New York (1950).
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(2) - COLBURN (A.P.), DREW (T.B.) - The condensation of mixed vapors. - Trans, A.I.Ch.E. Vol. 33, pp. 197-215 (1937).
-
(3) - HUETZ (J.), PETIT (J.-P.) - Notions de transferts thermiques par convection. - A 1 540, Traité Génie énergétique, volume BE1, Techniques de l’Ingénieur (1990).
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(4) - CHILTON (T.H.), COLBURN (A.P.) - Mass transfer coefficients : Prediction from data on heat transfer and fluid friction. - Ind. Eng. Chem., Vol. 26, pp. 1183-1187 (1934).
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(5) - SILVER (L.) - Gas cooling with aqueous condensation. - Trans. Instit. Chem. Engin. Vol. 25, pp. 30-42 (1947).
-
(6) - BELL (K.J.), GHALY (M.) - An approximate generalised design method for multicomponent partial condensers. - A....
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