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RÉSUMÉ
Dans les processus industriels, le phénomène de condensation joue un rôle important, notamment dans les installations motrices à vapeur, les machines frigorifiques et les pompes à chaleur. Après une introduction sur la théorie de base, cet article se consacre à la condensation en film, lorsque le condensat recouvre la surface sous la forme d’un film continu. L’épaisseur du film liquide résulte de l’interaction entre l’écoulement du liquide et celui de la vapeur, en fonction de la géométrie de la surface solide. La théorie de la condensation sur des surfaces lisses est ensuite appliquée à l’extérieur, puis à l’intérieur de tubes cylindriques à base circulaire.
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Prabodh PANDAY : Professeur retraité de l’Université de Technologie de Belfort-Monbéliard
INTRODUCTION
Le changement de phase de l’état vapeur à l’état liquide est désigné par la condensation. Ce phénomène est souvent rencontré dans les processus industriels et joue un rôle important dans les installations motrices à vapeur, les machines frigorifiques et les pompes à chaleur. Dans les condenseurs industriels la vapeur à condenser est séparée du fluide froid par une surface intermédiaire. Lorsqu’une vapeur se trouve en contact avec une surface dont la température est inférieure à la température de saturation de la vapeur, il y a changement de phase vapeur-liquide donnant naissance à un transfert de chaleur important.
Or, la condensation de la vapeur sur une paroi refroidie donne naissance à deux types de phénomènes qui se caractérisent par l’aspect visuel du condensat formé. Dans le premier cas le condensat recouvre la surface sous la forme d’un film continu et on parle de condensation en film. Dans le second cas les gouttelettes liquides se forment sur la surface et on parle de condensation en gouttes. Les appareils industriels sont dimensionnés en admettant une condensation en film. L’échange thermique lors de la condensation en gouttes est plus élevé que celui pour la condensation en film, mais la condensation en gouttes est difficile à maintenir sur un long terme. Elle résulte en effet de la non-mouillabilité du solide par le film de condensat à cause de la présence de molécules organiques sur la surface. Le dépôt d’une fine couche de matière plastique (téflon) est parfois utilisé pour développer la condensation en gouttes, mais ceci introduit une résistance thermique supplémentaire et l’amélioration de l’échange n’est pas aussi spectaculaire qu’on le souhaiterait. Actuellement, il n’y a pas de méthode d’analyse théorique fiable pour traiter la condensation directe et seuls les résultats d’essais sur des revêtements spécifiques sont utilisés pour déterminer l’échange thermique. Ces résultats ne seront pas présentés dans ce dossier qui est consacré à la condensation en film.
La théorie de base est présentée ainsi que la condensation sur des surfaces lisses avec, en application, la condensation soit à l’extérieur, soit à l’intérieur de tubes cylindriques à base circulaire.
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2. Condensation en film d’une vapeur pure
Lors de la condensation sur une paroi, un film liquide se forme sur la surface refroidie. L’épaisseur du film liquide résulte de l’interaction entre l’écoulement du liquide et celui de la vapeur, en fonction de la géométrie de la surface solide. Dans la pratique industrielle, les surfaces d’échanges utilisées sont souvent très complexes et ne se prêtent pas facilement à l’analyse théorique du phénomène de la condensation. Les phénomènes tels que les vagues sur la surface du film de condensat ou l’arrachement des gouttelettes et l’inondation compliquent davantage l’analyse.
À cause de la complexité des interactions entre l’écoulement de vapeur et le film liquide, les coefficients d’échange thermique moyen sont déterminés par les essais effectués sur des montages spécifiques et des corrélations sont établies en utilisant l’analyse dimensionnelle. Une pléthore de ces corrélations empiriques développées pour différentes géométries en fonction des fluides employés est disponible dans la littérature scientifique. Mais souvent ces corrélations sont valables seulement pour le montage spécifique qui a été utilisé pour les établir et ne donnent pas satisfaction lorsqu’on les applique à des cas réels différents. Les écarts peuvent atteindre 100 %.
En ce qui concerne la condensation, l’ingénieur moderne ne peut se contenter de choisir dans un catalogue la formule à utiliser. Il est amené, pour une application donnée, à analyser les phénomènes physiques intervenant pour choisir les hypothèses et doit rechercher des résultats d’analyse numérique des équations gouvernant l’écoulement couplé de deux phases. Éventuellement, des essais judicieusement choisis, effectués sur un montage particulier, peuvent être utilisés pour vérifier les hypothèses adoptées.
Dans ce qui suit, nous présentons les approches théoriques développées et les hypothèses simplificatrices adoptées pour analyser le phénomène de la condensation en film. Nous citerons aussi quelques corrélations établies en utilisant les valeurs expérimentales obtenues par les essais (tableau 1). Un résumé de différentes approches est présenté par Panday ...
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BIBLIOGRAPHIE
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