Experimental investigation of transfer intensifications in a static heat exchanger-reactor: mixing of two immiscible fluids - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2002

Experimental investigation of transfer intensifications in a static heat exchanger-reactor: mixing of two immiscible fluids

Étude expérimentale de l’intensification des transferts dans un échangeur réacteur statique : mélange de deux fluides non-miscibles

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Résumé

This work concerns the characterization emulsification phenomenon of two immiscible phases in a static mixer-reactor HEV (High Efficiency Vortex) in a turbulent flow. This new type of mixer generates coherent structures in the form of longitudinal counter-rotative vortices. The resulting flow enhances radial mass transfer and thus facilitates the dispersion of two immiscible phases (water/oil). Emulsions obtained in this way are stabilized by encapsulation of oil droplets. Statistics of encapsulated emulsions are then analysed by using optic microscopy and the efficiency of the system is studied by mean-Sauter diameter and granulometric distribution. Energy efficiency of this mixer is compared with other mixers for a given interface area, energy cost of HEV is 1000 times smaller. In the single phase flow regime two measurement campaigns by LDV and PIV have been carried out. The aim here is to study the turbulence structure of the flow generated by the mixer and particularly the more energetic structures present in the base flow. It provides a basic background for the comprehension and explanation of the physical mechanisms which occur in the fractioning of the droplets and therefore the efficiency of the mixer. Parallel work has been carried out on the flow in a twisted pipe with alternating curvature-plane, susceptible to the generation of chaotic fluid-particle trajectories. This flow regime is commonly referred to as "chaotic advection". The aim of this work was to develop a simplified mathematical model for estimation of Nusselt number in chaotic as well as helicoidally coiled heat exchanger which avoids heavy computations required by the resolution of the Navier-Stokes and energy equations.
L'étude porte sur la caractérisation du phénomène d'émulsification entre deux phases non miscibles, dans un mélangeur-réacteur statique HEV (High-Efficiency Vortex) en écoulement turbulent. Ce mélangeur d'un type nouveau génère des structures cohérentes sous la forme de tourbillons contra-rotatifs. Cet écoulement augmente le transport de masse radial, et met ainsi en oeuvre des conditions favorables à la dispersion de deux phases non-miscibles (eau/huile). La stabilité des émulsions est obtenue par une méthode de microencapsulation des gouttes d'huile. Les émulsions encapsulées sont analysées par microscopie optique et les performances du système sont caractérisées par les diamètres moyens de Sauter et la distribution granulométrique. L'efficacité énergétique de ce mélangeur est comparée avec celle d'autres mélangeurs statiques et, pour une aire interfaciale donnée, la consommation d'énergie est jusqu'à 1000 fois inférieure. Deux campagnes de mesures par vélocimétrie laser à effet Doppler (VLD) et par vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été entreprises en écoulement monophasique. L'objectif est d'analyser les fluctuations de vitesse ainsi que les structures les plus énergétiques présentes dans l'écoulement de base. Ceci nous permet d'avancer dans la compréhension des phénomènes expliquant l'efficacité de ce mélangeur dans le fractionnement de deux phases. Des travaux parallèles portent sur l’étude d’un écoulement à travers une géométrie dite "en Dean alterné" qui est susceptible de générer des trajectoires chaotiques de particules, en régime laminaire, désigné par "régime d’advection chaotique". L'objectif de ce travail est de mettre en application un modèle thermique simplifié qui permet de simuler le transfert thermique dans un tube coudé avec deux configurations possibles (hélicoïdale ou chaotique) sans exiger les calculs importants requis dans la résolution numérique des équations de Navier-Stokes et de l’équation de l’énergie.
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Citer

Thierry Lemenand. Étude expérimentale de l’intensification des transferts dans un échangeur réacteur statique : mélange de deux fluides non-miscibles. Physique [physics]. Université de Nantes, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02575641⟩
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