chapitre 3 : installation experimentale

3 INSTALLATION EXPERIMENTALE

CHAPITRE 3 :

INSTALLATION EXPERIMENTALE

CHAPITRE 3 : INSTALLATION EXPERIMENTALE

105

Dans ce chapitre nous décrirons l’installation expérimentale composée de trois circuits. Après

avoir précisé les caractéristiques de chaque élément, nous décrivons les deux canaux (ou

veines d’études), les éléments qui les constituent, les matériaux utilisés et leur montage.

Finalement, le système d’acquisition de mesures est présenté.

3.1 DESCRIPTION DE L’INSTALLATION EXPERIMENTALE

Le schéma général de l’installation est présenté sur la Figure 3.1. Elle est composée de trois

circuits indépendants :

• le circuit du fluide frigorigène,

• le circuit d’alcool (éthanol) et

• le circuit du fluide frigoporteur diphasique.

Figure 3.1 : Schéma de l’installation

Débitmètre

Coriolis

Débitmètre

Coriolis

Can

al c

haud

Rés

ista

nce

chau

ffan

te

Rés

ista

nce

chau

ffant

e

Régulateur

3 x

230

V 2

1 A

Can

al fr

oid

Déb

itmèt

re

vorte

x

Evaporateur

Evaporateur

Convecteur

Groupe decondensation

7,5 kW -40 °C

Régulateur

Régulateur

θ

Groupe de condensation

7,5 kW -40 °C

Bouteille d’équilibrage

Coulis de glace

Triac

R404A Alcool

Capteur de pressionCapteur de

pression

Débitmètre

Coriolis

Débitmètre

Coriolis

Can

al c

haud

Rés

ista

nce

chau

ffan

te

Rés

ista

nce

chau

ffant

e

Régulateur

3 x

230

V 2

1 A

Can

al fr

oid

Déb

itmèt

re

vorte

x

Evaporateur

Evaporateur

Convecteur


7,5 kW -40 °C

Régulateur

Régulateur

θ


7,5 kW -40 °C


Coulis de glace

Triac

R404A Alcool

Capteur de pressionCapteur de

pression


106

La Figure 3.2 est relative à une photographie des circuits coulis et alcool de l’installation.

Figure 3.2 : Installation coulis

3.1.1 Circuit de frigorigène

Le fluide frigorigène utilisé est du R404a. Ce fluide est un mélange pseudo-azéotropique

constitué de 44 % en poids de R125, 52 % de R143a et 4 % de R134a.


107

Le circuit (Figure 3.3) est composé de deux groupes de condensation (MC-V5-ZF48KE-

TWD COPELAND). La plage de puissance frigorifique de chaque groupe est comprise entre

7,9 et 34,3 kW. La gamme de températures d’évaporation est comprise entre –40 et 7 °C.

Ces groupes de condensation sont équipés d’un régulateur électronique EC2 ALCO

CONTROLS, qui a pour fonction de commander l’électrovanne de détente à impulsion EX2

ALCO CONTROLS qui règle la surchauffe du fluide frigorigène à la sortie de l’évaporateur.

La régulation de la température de l’alcool proposée initialement par le constructeur s’est

avérée trop imprécise.

Can

al fr

oid

Débitmètre vortex

ROSEMOUNT

Evaporateur

SWEP SSP

Evaporateur

SWEP SSP

Héliotherme CIAT


COPELAND SCROLL

Régulateur EC2 ALCO CONTROLS


COPELAND SCROLL


Circuit alcool

Circuit R404A

Pompe RENSON

Pompe STERLING

Electrovanne EX2 ALCO CONTROLS


Can

al fr

oid

Débitmètre vortex

ROSEMOUNT

Evaporateur

SWEP SSP

Evaporateur

SWEP SSP

Héliotherme CIAT


COPELAND SCROLL



COPELAND SCROLL


Circuit alcool

Circuit R404A

Pompe RENSON

Pompe STERLING

Electrovanne EX2 ALCO CONTROLS


Figure 3.3 : Circuits R404a et alcool

Il y a deux évaporateurs identiques dans le circuit du frigorigène. Les évaporateurs utilisés

sont des échangeurs à plaques (SWEP SSP 2000 modèle V80x40H/1P). Ces échangeurs

disposent de 40 plaques en acier AISI 316. Dans le premier circuit de l’échangeur circule le

R404a et dans le deuxième circuit, à contre courant, de l’éthanol pur. Pour une puissance

thermique échangée de 8 kW, ces échangeurs sont capables de refroidir 4 m3.h-1 d’alcool de

-40 à –45 °C.


108

3.1.2 Circuit d’éthanol

Le circuit d’éthanol (Figure 3.3) est composé de trois pompes :

• deux pompes à anneau liquide RENSON type AL25 d’une puissance maximale de 1,2

kW à 2800 tr.min-1 ;

• une troisième pompe centrifuge STERLING type ZLND de 2,2 kW à 1450 tr.min-1.

Les deux pompes RENSON permettent la circulation de l’alcool dans les évaporateurs et le

convecteur tandis que la pompe STERLING assure la circulation de l’alcool dans le canal

froid. On peut faire varier le débit massique de l’alcool qui circule dans le canal froid à l’aide

d’un variateur de vitesse DANFOSS type VLT 103 alimentant la pompe STERLING.

Une bouteille d’équilibrage a été calculée et fabriquée au CETHIL pour permettre d’obtenir

l’équilibrage des pressions.

Le circuit d’alcool comprend trois échangeurs de chaleur : deux pour refroidir l’éthanol en

utilisant le fluide frigorigène R404a. Le troisième échangeur est utilisé pour réchauffer

l’alcool en utilisant l’air ambiant. Ce convecteur Héliotherme CIAT série 2000, à trois

vitesses de pulsation de l’air, est utilisée pour réchauffer l’éthanol et contrôler la température

de l’alcool à l’entrée du canal froid.

Deux vannes manuelles sont utilisées pour contrôler le débit qui traverse le convecteur

(Figure 3.4). Ainsi, une partie de l’éthanol circule dans le convecteur et l’autre partie circule

directement vers la bouteille d’équilibrage.

On utilise un débitmètre à effet vortex type 8800 ROSEMOUNT pour mesurer le débit

massique de l’alcool qui circule dans le canal froid. Ce débitmètre délivre un signal 4-20 mA

proportionnel au débit massique.

Un vase d’expansion est prévu pour compenser les variations de volume de l’alcool dues aux

variations de température. Cette bouteille est branchée à la sortie du convecteur, au point le

plus haut de l’installation.


109

Vanne 1

Vanne 2

Convecteur

Bouteille équilibrage

Evaporateur

1m&2m&

q&

2m&

Vase d’expansion

Vanne 1

Vanne 2

Convecteur

Bouteille équilibrage

Evaporateur

1m&2m&

q&

2m&

Vase d’expansion

Figure 3.4 : Vannes de réglage manuel de la charge dans le convecteur

3.2 CIRCUIT DU FLUIDE FRIGOPORTEUR DIPHASIQUE

Les éléments essentiels du circuit du fluide frigoporteur diphasique (Figure 3.5) sont les deux

canaux à plaques lisses, fabriqués au CETHIL, et qui constituent les deux veines d’essais

permettant d’analyser le refroidissement du coulis d’une part, son réchauffage d’autre part.

Débitmètre à effet

CoriolisMASSFLO 2100

Can

al c

haud

3 R

ésis

tanc

es c

hauf

fant

es

3 R

ésis

tanc

es c

hauf

fant

es

Régulateur

WEST 5010

3 x

230

V 2

1 A

q

Triac

Pompe TURO -EGGER

type T21 -32 HF4 LB1

Vanne trois voiesDébitmètre à effet

Can

al fr

oid

Capteur de pression

différentielle

Capteur de pression

différentielle

Débitmètre à effetCoriolis

MASSFLO 2100



MASSFLO 2100

Can

al c

haud

3 R

ésis

tanc

es c

hauf

fant

es

3 R

ésis

tanc

es c

hauf

fant

es

Régulateur

WEST 5010

3 x

230

V 2

1 A

q

Triac

Pompe TURO -EGGER

type T21 -32 HF4 LB1

Vanne trois voiesDébitmètre à effet

Can

al fr

oid

Capteur de pression

différentielle

Capteur de pression

différentielle

Capteur de pression

différentielle


MASSFLO 2100


Figure 3.5 : Circuit coulis de glace stabilisé


110

Dans la première veine, dite « canal froid », le fluide frigoporteur diphasique est refroidi à

l’aide de l’éthanol. Dans le deuxième veine, « canal chaud », le fluide frigoporteur

diphasique est chauffé en utilisant 6 résistances électriques de 2,5 kW chacune alimentées par

des triac EUROTHERM TE200S (Figure 3.6).

(a) (b)

Figure 3.6 : a) Extrémité du canal froid avec le départ d’alcool et l’entrée du FFD (ou coulis). b) Extrémité du canal chaud avec le départ du coulis et l’alimentation des résistances chauffantes

Une sonde PT100 placée à la sortie du canal chaud est connectée directement à un régulateur

WEST 5010. En agissant sur la puissance des résistances, ce régulateur permet de contrôler

la température du fluide frigoporteur diphasique à la sortie du canal chaud. Le dispositif

TRIAC permet également de mesurer la puissance électrique qui circule dans les résistances

au travers d’un signal électrique 4-20 mA.

Une vanne trois voies permet de séparer le débit qui circule en provenance du canal froid. La

première partie du débit massique passe par le canal chaud et la deuxième retourne

directement à l’entrée de la pompe à coulis. Le positionnement de cette vanne est obtenu à

l’aide d’un servomoteur DANFOSS AMB 162/182. Pour commander ce servomoteur, un

régulateur WEST 6100 est utilisé.


111

Deux débitmètres massiques à effet Coriolis MASSFLO 2100 sont implantés sur cette

boucle. Le premier est utilisé pour mesurer le débit massique qui circule dans le canal froid.

Il a une plage de mesure de 0 à 7500 kg.h-1. Le deuxième a une plage de mesure de 0 à 1500

kg.h-1 et mesure le débit massique qui circule dans le canal chaud. On utilise deux

convertisseurs de signaux DANFOSS MASS 6000 pour générer le signal de courant de 4-20

mA lié au débit massique et une sortie digitale 0-40 kHz pour connaître la masse volumique

du fluide.

Le pompage du coulis de glace stabilisée est réalisé par une pompe vortex TURO-EGGER

type T21-32 HF4 LB1. L’avantage principal de cette pompe est la position complètement

reculée de la roue au fond de la partie statorique qui permet de limiter à seulement 15 % le

contact entre le produit véhiculé et la roue. La puissance du moteur de la pompe est de 2,2

kW et la vitesse nominale est de 1450 tr.min-1. Le débit nominal est 1,66 L.s-1. Un variateur

de vitesse DANFOSS Type VLT 103 est utilisé pour modifier le débit massique de cette

pompe.

Pour connaître les pertes de charge dans les canaux pendant la congélation et la

décongélation, deux capteurs de pression différentielle SEREG Schlumberger type BT BD5-

36A d’une capacité de 500 mbar sont utilisés. Ces mesures sont obtenues à partir d’un signal

4-20 mA.

3.3 DESCRIPTION DES CANAUX

Le choix des matériaux pour la construction des canaux d’essais a été réalisé grâce à la

modélisation présentée au deuxième chapitre de cette thèse. Le montage a été réalisé au

CETHIL. L’étanchéité des divers éléments de ces veines d’étude est assurée par des

entretoises de polyéthylène et des joints de caoutchouc à l’entrée et à la sortie des canaux.

3.3.1 Canal froid

La veine de refroidissement est composée de trois canaux. Elle est représentée

schématiquement par la Figure 3.7. Dans le canal central circule le coulis de glace stabilisé

tandis que dans les canaux latéraux circule de l’éthanol.


112

Sortie alcool

Sortie alcool Entrée alcool

Sortie

coulis

Entrée alcool

Entrée

coulis

A

A

Coupe BB

B

B

Section AA

EntretoiseParoi acier

instrumentée avec des fluxmètres

Sortie alcool

Sortie alcool Entrée alcool

Sortie

coulis

Entrée alcool

Entrée

coulis

A

A

Coupe BB

B

B

Section AA

EntretoiseParoi acier

instrumentée avec des fluxmètres

Figure 3.7 : Schéma du canal froid

La Figure 3.8 montre le montage du canal froid. Le canal coulis est formé par deux plaques

d’acier inoxydable 304 de 100 mm de largueur, 5 mm d’épaisseur et 1110 mm de longueur

(1). Les plaques sont séparées par deux entretoises en polyéthylène (2) de 4x8x1110 mm. Les

canaux d’alcool (5) sont en polyéthylène. Ils ont 80 mm de largueur, 4 mm de profondeur et

1000 mm de longueur. Ces coques-canalisation sont appliquées sur les plaques d’acier par 38

barres de serrage en acier de 15 mm de largueur et 5 mm d’épaisseur (3) reliées entre elles

par 14 tiges filetées de 4 mm de diamètre (8). 24 tiges filetées de 6 mm de diamètre assurent

l’étanchéité des coques-canalisation sur les plaques d’acier.

4 4

1 12

53

6

8

7

9

7

6

4 4

1 12

53

6

8

7

9

7

6

Figure 3.8 : Detaille du montage du canal froid


113

L’alcool entre par une bride d’alimentation (6) perpendiculaire au canal. Des joints toriques

(7) assurent l’étanchéité du montage. Les sorties d’alcool se font dans les mêmes conditions.

Le coulis entre dans les canaux par des convergents en cuivre (Figure 3.9). Une modélisation

à l’aide du code de calcul FLUENT à été réalisée pour déterminer la longueur

d’établissement hydraulique de telle manière que l’écoulement du coulis soit établi

hydrauliquement au début de la zone d’échange thermique. A partir de ces résultats on a

construit le convergent au CETHIL (Figure 3.9). Pour la sortie du coulis, on a adopté le

même profil.

30150

82

11,34

54

Dimension: mm

φ30150

82

11,34

54

Dimension: mm

φ

Figure 3.9 : Dimensions du convergent d’entrée et du divergent de sortie du canal

Le convergent, en cuivre, est connecté à l’installation à l’aide de 4 plaques de fixation en acier

(4) placées sur 8 piges (9) en acier de 8 mm de diamètre et 20 mm de longueur (Figure 3.10).

42 428 8

15

. .4030 30

30

∅ 8

∅ 6,4

Piges

Trous de fixation du convergent

. .. 42 428 8

15

. .4030 30

30

∅ 8

∅ 6,4

Piges

Trous de fixation du convergent

. ..

Figure 3.10 : Plaque de fixation d’acier


114

3.3.2 Canal chaud

Pour le coulis, le canal chaud (Figure 3.11) est composé de deux plaques (1) d’acier inox 304

et de deux entretoises (2) de polyéthylène de 4x8x1110 mm de manière similaire au canal

froid. L’ensemble est fixé avec 46 vis TF 4 Allen de 20 mm de longueur (9).

41

2

5

3

8

7

66

5

94

1

2

5

3

8

7

66

5

9

Figure 3.11 : Montage du canal chaud

Les six résistances électriques blindées (5) de 16 mm de diamètre, 920 mm de longueur,

2500 W et 230 V sont placées dans 4 répartiteurs de flux (6) en aluminium. 34 barres de

serrage en acier (3) de 15 mm de largueur et 5 mm d’épaisseur et 34 tiges filetées en acier (8)

sont utilisés pour la fixation de ces résistances sur le canal. Une représentation des

répartiteurs de flux est fournie sur la Figure 3.12.

13 27 27 13

20

5

16φ

Plaque d’acier (1)

Répartiteurs de flux (6)

20

Résistances électriques blindées (5)

4

Entretoises (2)

13 27 27 13

20

5

16φ

Plaque d’acier (1)

Répartiteurs de flux (6)

20

Résistances électriques blindées (5)

4

Entretoises (2)

Figure 3.12 : Représentation en coupe des répartiteurs de flux


115

Pour le montage du canal avec le reste de l’installation on utilise 8 piges d’inox 304 de 8 mm

de diamètre (7) et 4 plaques de fixation (4) d’acier qui reçoivent le collecteur et le distributeur

du coulis.

3.4 DISPOSITIFS DE MESURES.

Les dispositifs de mesure sont classés en cinq groupes :

• les mesures de températures,

• les mesures de débits massiques,

• les mesures de pertes de pression,

• la mesure de la masse volumique du coulis, et

• la mesure de la puissance électrique au niveau de la veine de réchauffage.

3.4.1 Mesure de températures

Pour la mesure des températures des parois des plaques qui font office de fluxmètres, 28

thermocouples type J (fer-constantan) sont utilisés. Ils sont placés par groupes de 7 de chaque

côté d’une des parois en inox pour le canal chaud et pour le canal froid. L’implantation des

thermocouples a été réalisée au CETHIL. La Figure 3.13 montre le positionnement des

thermocouples sur les plaques d’inox. A chaque thermocouple sur un côté de la paroi

correspond un thermocouple de l’autre côté comme le montre la Figure 3.14. Un ensemble de

deux thermocouples constitue ainsi un fluxmètre.

100

1110

400 200 100 50 25 25 A

50

Circulation du coulis

A = 65 Canal froidA = 95 Canal chaud

100

1110

400 200 100 50 25 25 A

50

Circulation du coulis

A = 65 Canal froidA = 95 Canal chaud

Figure 3.13 : Positionnement des thermocouples sur la plaque d’inox


116

La soudure « chaude » des thermocouples est placée sur la ligne médiane de la plaque dans

une cavité de 25/100 de millimètre de profondeur et de 4 mm de diamètre, en utilisant une

soudure plomb-étain 60/40 avec une conductivité thermique de 50 W.m-1.K-1. L’épaisseur de

cette pastille d’étain est suffisamment faible (0,25 mm) pour assurer que la température

mesurée est celle de la surface de la plaque. Les fils du thermocouple sont placés dans les

rainures de 1x1 mm puis noyés dans une résine époxy bicomposante coulable, fortement

chargée en poudre d’aluminium (températures d’emploi comprises entre –30 et +95 °C).

Ø 448 0,25

1

1

5

Ø 448 0,25

1

1

5

Figure 3.14 : Montage des thermocouples sur la plaque d’inox

Quatre thermocouples de type J sont utilisés pour mesurer la température de l’alcool : deux à

l’entrée et deux à la sortie de la veine de refroidissent. Quatre autres thermocouples de type J

sont utilisés pour mesurer la température du coulis à l’entrée et à la sortie des canaux, chaud

et froid.

3.4.2 Mesure des débits massiques

Les débits massiques du coulis dans les canaux froid et chaud sont mesurés grâce à deux

débitmètres de type Coriolis. Le montage de ces appareils prend en compte les vibrations de

l’installation. Pour éviter que les vibrations ne soient transmises à ces appareils, des tubes

souples sont installés avant et après chaque débitmètre (Figure 3.15).

Pour mesurer le débit massique qui traverse le canal chaud l’appareil a une plage de débit

allant de 0 à 1500 kg.h-1. Pour le canal froid, la plage du débitmètre varie de 0 à 7500 kg.h-1.


117

Un troisième débitmètre de type Vortex est utilisé pour connaître le débit massique de

l’alcool qui circule dans le canal froid. La plage de mesure du débit d’alcool varie de 0-7200

kg.h-1.

Figure 3.15 : Montage du petit débitmètre type Coriolis sur l’installation

3.4.3 Mesure des pertes de pression

Les pertes de pression sont mesurées avec des capteurs de pression différentielle. Les prises

de pression placées sur les convergents à l’entrée et la sortie de chaque canal sont de l’ordre

de 2 mm de diamètre pour éviter que les particules du coulis passent vers les capteurs.

Pour garantir le bon fonctionnement des capteurs, un étalonnage de pression a été réalisé. Un

côté du capteur est branché à une conduite avec une colonne de l’eau. L’autre côté est ouvert

à l’atmosphère. A l’aide d’un multimètre, on a pu tracer la courbe d’étalonnage P=f(I) pour

chacun des capteurs (Figure 3.16).

3.4.4 Mesure de la masse volumique

Les convertisseurs de signaux DANFOSS MASS 6000 couplés aux débitmètres Coriolis ont

la possibilité de délivrer un courant 4-20 mA pour mesurer le débit massique mais aussi une

sortie digitale 0-40 kHz associée à la masse volumique du fluide. A partir des valeurs

fournies par la sortie digitale et les valeurs de la masse volumique affichée par les

convertisseurs on a établi une courbe de correspondance (Figure 3.17). Cette courbe permet,

à partir de l’enregistrement en continu des signaux 0-40 kHz, de fournir automatiquement et

en continu aussi, la valeur de la densité du coulis.


118

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 20 25

Courant électrique (mA)

Pres

sion

(mba

r)

Capteur 1Capteur 2

Figure 3.16 : Etalonnage des capteurs de pression différentielle

y = 0,1868x + 113,66

900

905

910

915

920

925

930

4220 4240 4260 4280 4300 4320 4340 4360

Masse volumique mesurée (Hz)

Mas

se v

olum

ique

aff

iché

e (k

g.m-3

)

Figure 3.17 : Courbe de correspondance du DANFOSS MASS 6000 pour l’acquisition de la masse

volumique


119

3.4.5 Mesure de la puissance électrique

Un dispositif TRIAC, un régulateur WEST 5010 et une sonde PT 100 sont utilisés pour

connaître et contrôler la courant qui travers les résistances électriques placées sur le canal

chaud. Ce dispositif permet de contrôler la température du coulis à la sortie du canal chaud.

Le régulateur pouvant aussi être réglé manuellement, il est possible d’apporter une puissance

thermique constante au canal chaud.

3.5 SYSTEME D’ACQUISITION DES DONNEES

Un système d’acquisition des données KEITHLEY 2701 est utilisé pour obtenir les mesures

des températures, débits massiques, pertes de charge, masse volumique et puissance

électrique.

Deux cartes sont utilisées pour l’acquisition de données. La carte modèle 7708, à 40 voies,

n’est utilisée que pour l’acquisition des températures. Initialement, la détermination des

températures avait été réalisée avec une compensation de soudure froide à partir de la

température de la carte elle-même. A partir d’un étalonnage des températures nous avons

constaté qu’il existe un gradient de températures non négligeable sur la carte, provoquant des

erreurs importantes sur les résultats obtenus.

Pour pallier ce problème, un dispositif de compensation de soudure froide a été construit. Ce

boîtier, isolé thermiquement, permet la compensation de soudure froide à partir de la

température constante mesurée par une sonde PT 100 placée dans la boîte (Figure 3.18).

L’acquisition des débits massiques, pertes de charge, masse volumique et puissance

électrique est réalisée sur la deuxième carte modèle 7700 à 20 voies. Les courants délivrés

par les différents capteurs sont convertis en tension à l’aide de résistances calibrées de 47,12

Ω.

L’exploitation des données est réalisée sur un fichier EXCEL, au travers du logiciel

EXCELINK. Ce logiciel a les avantages suivants :


120

• acquisition des données sur une feuille Excel,

• configuration de chaque voie de manière indépendante,

• choix du temps d’acquisition,

• affichage des calculs réalisé par le programme en même temps que l’acquisition des

données.

Figure 3.18 : Dispositif de soudure froid


121

3 INSTALLATION EXPERIMENTALE....................................................................... 99

3.1 DESCRIPTION DE L’INSTALLATION EXPERIMENTALE................................................ 105

3.1.1 Circuit de frigorigène..................................................................................... 106

3.1.2 Circuit d’éthanol ............................................................................................ 108

3.2 CIRCUIT DU FLUIDE FRIGOPORTEUR DIPHASIQUE..................................................... 109

3.3 DESCRIPTION DES CANAUX...................................................................................... 111

3.3.1 Canal froid ..................................................................................................... 111

3.3.2 Canal chaud ................................................................................................... 114

3.4 DISPOSITIFS DE MESURES. ....................................................................................... 115

3.4.1 Mesure de températures ................................................................................. 115

3.4.2 Mesure des débits massiques.......................................................................... 116

3.4.3 Mesure des pertes de pression ....................................................................... 117

3.4.4 Mesure de la masse volumique....................................................................... 117

3.4.5 Mesure de la puissance électrique ................................................................. 119

3.5 SYSTEME D’ACQUISITION DES DONNEES.................................................................. 119

chapitre 3 : installation experimentale

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