Transferts thermiques avec changement d état liquide-vapeur. Condensation des vapeurs pures

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1 Transferts thermiques avec changement d état liquide-vapeur Condensation des vapeurs pures

2 Condensation Deux types de condensation Les coefficients d échange de chaleur sont beaucoup plus élevés en condensation en gouttes qu en condensation en film. Cependant la condensation en gouttes nécessite des parois hydrophobes et est plus difficile à obtenir dans des équipements industriels 2

3 Mécanisme 3

4 Mécanisme Dropwise condensation on a 19 mm O/D plasma coated condenser tube at 0.2 bar. 4

5 Condensation en gouttes 5

6 Théories - la théorie du film instable, proposée par Jakob en 1936, qui suppose l existence d un film liquide continu d épaisseur inférieure au micromètre qui se résout spontanément en gouttelettes après avoir atteint une épaisseur critique de l ordre du micromètre. En fait, la mise en évidence expérimentale de ce film s est révélée difficile et son existence n est pas reconnue de façon définitive ; - la théorie des sites préférentiels qui, par analogie avec la théorie de la nucléation en ébullition, est expliquée par de nombreux auteurs par la présence de germes sur la surface de la paroi froide. 6

7 Méthodes utilisées Il faut rendre la paroi non mouillable par l eau : - en revêtant la paroi d un matériau permanent hydrophobe ou - en ajoutant à la vapeur un produit liquide ou gazeux qui est adsorbé par la surface de condensation. Utilisation de revêtements permanents - Les métaux nobles (l argent, le rhodium, le palladium, le platine et l or) - Les résines polymérisées: le polytétrafluoréthylène (PTFE ou Téflon, fabriqué par Du Pont de Nemours) le polyparaxylylène (Parylène, fabriqué par Union Carbide) Utilisation de promoteurs temporaires Ces promoteurs temporaires doivent posséder les qualités suivantes : - une faible solubilité dans le condensat ; - une bonne adhérence à la paroi ; - un caractère hydrophobe marqué ; - une action prolongée ; - une faible toxicité dans le cas des condenseurs utilisés pour le dessalement de l eau de mer. Les produits les plus couramment employés sont les huiles minérales, les acides gras et 7 leurs sels, les cires, les mercaptans et l oléate de cuivre.

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9 Calcul du coefficient d échange 1 h = 1 h G + 1 h go + 1 h i + 1 h pr - Résistance thermique due à la présence d un gaz incondensable Dès que la fraction massique de l air dans la vapeur, rapport de la masse d air à la masse de vapeur, atteint 0,02, le coefficient d échange de chaleur total h n atteint que 20 % du coefficient d échange de chaleur total obtenu en l absence d air. Calcul impossible de la résistance thermique (1/h G ) due à la présence de gaz incondensables. - Résistance thermique due aux gouttes Pour une paroi de cuivre verticale, on pourra utiliser les relations expérimentales suivantes : - Si la température de saturation T sat est comprise entre 22 C et 100 C : h go = 5 + 0,2 T sat avec h go en Wcm 2 K 1, T sat en C. - Si la température de saturation est supérieure à 100 C : h go = 25 Wcm 2 K 1. - Résistance thermique due au changement de phase à l interface h i = 2,1 p 0,65 avec p (bar) pression, h i en Wcm 2 K 1. - Résistance du promoteur kpr hpr = δ pr 9

10 Calcul du coefficient d échange Autres facteurs La conductivité thermique de la paroi ainsi que son inclinaison jouent également un rôle fondamental dans la prédiction du coefficient d échange de chaleur en condensation en gouttes. Il n existe cependant à ce jour aucune méthode générale pour en quantifier les effets. Autres procédés d amélioration du coefficient d échange de chaleur Il est possible d obtenir des coefficients d échange de chaleur comparables à ceux obtenus en condensation en gouttes sur des tubes à revêtement d or discontinu, fonctionnant en régime de condensation en film. Ce procédé présente ainsi une économie de prix substantielle. Il est intéressant de noter également que le titane induit une condensation mixte qui donne, pour des écarts de température modérés entre la vapeur et la paroi (2 à 5 C), un coefficient d échange de chaleur de condensation environ 30 % supérieur à celui qui existe sur les alliages cuivreux. 10