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GdR GT identification
Identification de conditions aux limites dans un
système thermique Etude du cas de
lencrassement particulaire des échangeurs de
chaleur tubulaires
Laetitia PEREZ
P. TOCHON
2
Plan de lexposé
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 Jusquoù ce travail a pu être mené?
Quel avenir?
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• Quelles Définitions? (1)

Un échangeur thermique est un équipement qui
permet dassurer un transfert de chaleur dun
fluide chaud à un fluide froid sans contact
direct entre les deux fluides
2 grandes classes
4

• Définitions (2)

3 grands modes découlements des deux fluides
5

• Définitions (3)

3 grands modes découlements des deux fluides
6

• Définitions (4)

3 grands modes découlements des deux fluides
7

• Définitions (5)

Lencrassement est défini comme laccumulation
déléments solides indésirables sur une interface
déchange
Il existe 5 grands types dencrassement

• La corrosion
• Lencrassement biologique
• Lencrassement par réaction chimique
• Lentartrage
• Lencrassement particulaire

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

Chocs pétroliers de 1973 et de 1979 ?
Optimisation des dépenses énergétiques ?
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• Contexte industriel

10

• Contexte scientifique

Coefficient de transfert de chaleur h (W.m-2.K-1)
11

• Contexte scientifique

Résistance dencrassement Rd (m2.K.W-1)
12

• Contexte scientifique

Résistance dencrassement Rd (m2.K.W-1)
13

• Quelles sont les solutions actuelles au
  problème?

5 méthodes pour la prise en compte de
lencrassement
1) Détermination de Rd
2) Tables TEMA
3) Maintenance prédictive
4) Mesures aux bornes de léchangeur
5) Mesures à laide de sondes
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• Solutions actuelles

5 méthodes pour la prise en compte de
lencrassement
1) Détermination de Rd
2) Tables TEMA
3) Maintenance prédictive
4) Mesures aux bornes de léchangeur
5) Mesures à laide de sondes
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• Solutions actuelles

5 méthodes pour la prise en compte de
lencrassement
1) Détermination de Rd
3) Maintenance prédictive
4) Mesures aux bornes de léchangeur
5) Mesures à laide de sondes
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• Solutions actuelles

5 méthodes pour la prise en compte de
lencrassement
1) Détermination de Rd
2) Tables TEMA
3) Maintenance prédictive
4) Mesures aux bornes de léchangeur
5) Mesures à laide de sondes
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• Solutions actuelles

5 méthodes pour la prise en compte de
lencrassement
1) Détermination de Rd
2) Tables TEMA
3) Maintenance prédictive
4) Mesures aux bornes de léchangeur
5) Mesures à laide de sondes
18

• Solutions actuelles

5 méthodes pour la prise en compte de
lencrassement
1) Détermination de Rd
2) Tables TEMA
3) Maintenance prédictive
4) Mesures aux bornes de léchangeur
19

• Solutions actuelles

En conclusion
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• Comment répondons nous à cette demande?

La boucle dessai GAZPAR
21

• Comment répondons nous à cette demande?

La boucle dessai GAZPAR
22

• Capteur à excitation thermique interne

Partie de léchangeur
Sonde

Enregistrement de lélévation
de température
Thermocouples
Flux imposé
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• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

Parties de léchangeur
Sonde
Axe du cylindre
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• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

Parties de léchangeur
Sonde
Axe du cylindre
25

• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

Parties de léchangeur
Sonde
Axe du cylindre
26

• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

Parties de léchangeur
Sonde
Axe du cylindre
27

• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

Parties de léchangeur
Sonde
Axe du cylindre
28

• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

Parties de léchangeur
Sonde
Axe du cylindre
29

• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

30

• Capteur à excitation thermique interne Modèle
  direct

- Aide au dimensionnement - Etude de sensibilité
31

• Capteur à excitation thermique interne

Protocole expérimental
En conditions propres Température de lair
50C Température de leau 15C Débits variant
de 50 à 100 Nm3/h 3,7.103 lt Re lt 7,4.103
En conditions encrassantes Température de lair
50C Température de leau 15C Débit 100
Nm3/h, Re 7,4.103 Diamètre aérodynamique moyen
médian 4 µm Essais sur une durée de 13 à 72
heures
32

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions propres
33

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions propres étude de sensibilité
expérimentale
Coefficients de sensibilité expérimentaux
34

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions propres Coefficients de sensibilité
expérimentaux
35

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions propres
La réponse en température peut alors sécrire
Pour une petite variation du coefficient de
transfert
La variation de lamplitude du signal
Lerreur destimation associée
36

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions propres
37

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions encrassantes
38

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions encrassantes
Variation de la constante caractéristique t due
uniquement au dépôt
? Développement asymptotique classique
? Développement asymptotique
39

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions encrassantes
Le contraste thermique sexprime alors par
En intégrant
40

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions encrassantes Contrastes thermiques
41

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

A partir dun modèle simplifié
Alors
Le problème destimation sécrit
42

• Capteur à excitation thermique interne Résultats

Conditions encrassantes
43

• Capteur à excitation thermique interne
  Conclusion

Points forts
- Modèle direct 3D transitoire - Mesures
représentatives de léchange - Mesure du
coefficient déchange moyen en conditions
propres - Prévision de lépaisseur dencrassement
- Pas de gêne due au bruit de mesure - Méthode
robuste
Points faibles
- Problème de tenue en température - Problème de
connectique - Problème dépaisseur de paroi -
Plusieurs matériaux constituent la sonde
44
Maillet et Degiovanni, 1989
45

• Capteur de caractérisation angulaire de léchange

Problème inverse
46

• Capteur de caractérisation angulaire de léchange

Problème inverse
47

• Capteur de caractérisation angulaire de léchange

Protocole expérimental
En conditions propres Température de lair
80C Température de leau 15C Débits variant
de 50 à 100 Nm3/h 3.103 lt Re lt 6.103
En conditions encrassantes Température de lair
80C Température de leau 15C Débit 100
Nm3/h, Re 6.103 Diamètre aérodynamique moyen
médian 4 µm Essais sur une durée de 11 à 72
heures
48

• Capteur de caractérisation angulaire de
  léchange Résultats

Conditions propres
100 Nm3/h
49

• Capteur de caractérisation angulaire de
  léchange Résultats

Conditions propres
50

• Capteur de caractérisation angulaire de
  léchange Résultats

Conditions encrassantes
51

• Capteur de caractérisation angulaire de
  léchange Résultats

Conditions encrassantes
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• Capteur de caractérisation angulaire de
  léchange Conclusions

Points forts
- Mesures représentatives de léchange -
Estimation du coefficient déchange local et
moyen en conditions propres - Estimation du
coefficient déchange local et moyen en
conditions encrassantes - Estimation de
lépaisseur du dépôt locale et moyenne en
conditions encrassantes
Points faibles
- Problème de connectique - Problème dépaisseur
de paroi
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Jusquoù cette étude a été menée?

• - Constat très peu de dispositifs existants
• - Développement de 2 capteurs thermiques
  représentatifs de léchange
• technologiquement simples
• localisés
• de faible coût
• techniques destimation adaptées
• - Informations précises sur la dégradation des
  performances

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Quel avenir?
- Capteurs développés prototypes ?
industrialisation - Configuration en faisceau
tubulaire - Autres configurations (plaques) -
Autres domaines dapplication
Mise en place de ses capteurs dans les centrales
thermiques EDF
55
Merci de votre attention!