Sizing and experimental study of a milli-channel vaporizer
Dimensionnement et étude expérimentale d’un vaporiseur à milli-canaux
Résumé
The ever-growing awareness of the impact of human activities on the environment makes industries find environmentally friendly alternatives. In the automotive sector, the development of less polluting cars using hydrogen as fuel is an example. To successfully promote this type of vehicles to people, the providing network of hydrogen has to be set up. To tackle the challenge of this deployment, Air Liquide, through the FAIR project (Additive manufacturing for the intensification of reactors), aims to intensify the Steam Methane Reforming process in order to develop small mobile hydrogen production unit. Inside this process, a particular step, the water vaporisation, has to be intensified. To study this intensification, an experimental test bench and a vaporisation module are sized, assembled and instrumented in the Reactions and Chemical Engineering Laboratory (LRGP) in Nancy. The test bench uses a hot oil convection to vaporise the water. The vaporisation module, designed as a milli-structured plate heat-exchanger, has a window enabling the visualisation and the recording of the boiling water hydrodynamics with a high-speed camera. Four milli-structured plates are tested: two of them have 10 semi-circular straight channels either mechanically engraved of made by additive manufacturing, the third plate has various shapes of engraved channels and finally the fourth plate has 7 engraved straight channels with triangular cavities. An innovative method for the post-treatment of high-speed videos is developed in order to produce Spatio-Temporal Diagrams (DST) showing the spatial evolution of liquid-vapor interfaces by the time inside a channel. The exploitation of this new tool enables the determination and the description of boiling phenomena (spontaneous bubble nucleation, liquid oscillations), the understanding of the boiling events chronology and the characterisation of flow regimes (bubbly, slug, churn, annular flow and dry out of the channel). Moreover, a quantitative exploitation of the DST is possible such as the local vapor quality needed for the drawing of flow regime map. Thanks to the measurement of various operating data on the test bench, the characterisation of the heat losses is done in order to assess the vapor quality of the water flow outgoing the vaporiser by a heat balance. The two-phase heat-transfer coefficients are also assessed. Finally, a methodology of milli-structured vaporiser made by additive manufacturing pre-sizing is put forward. It is based on two case-study on the intensification of water vaporisation in a small mobile hydrogen production unit and in a standard SMR process.
La récente prise de conscience écologique du monde de l’industrie s’est concrétisée dans le domaine de l’automobile par le développement de véhicules moins polluants utilisant l’hydrogène comme carburant. Le déploiement des tels véhicules roulant à l’hydrogène ne peut se faire qu’avec la création d’un réseau de distribution couvrant les besoins des futurs utilisateurs. Air Liquide, dans sa démarche répondre à la demande de la mobilité hydrogène, s’est fixé pour objectif au travers du projet FAIR de concevoir une unité mobile de production d’hydrogène utilisant un procédé de vaporeformage du méthane intensifié. Au sein de ce procédé, il est nécessaire de produire de la vapeur d’eau, la question de l’intensification de la vaporisation de l’eau s’est donc posée. Afin d’y répondre, un banc de test expérimental et un module de vaporisation ont été dimensionnés, assemblés et instrumentés au sein du Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP) à Nancy. Le banc est conçu pour vaporiser de l’eau grâce à une convection d’huile chaude. Le module de vaporisation étudié est un échangeur milli-structuré à plaques en inox possédant une vitre de visualisation permettant l’enregistrement de films à haute-fréquence de l’écoulement d’eau bouillant. Quatre plaques ont été testées : deux plaques sur lesquelles 10 canaux droits hémicylindriques sont soit fraisés, soit produits par fabrication additive, une plaque avec des canaux de géométries variées et enfin, une plaque où sont gravés sept canaux droits garnis de motif triangulaires. Une nouvelle technique innovante de post-traitement a été développée afin de produire des « Diagrammes Spatio-Temporel » représentant l’évolution spatiale des différentes interfaces liquide-vapeur présentes dans les canaux au cours du temps. L’utilisation de ce nouvel outil permet non seulement de déterminer les phénomènes d’ébullition (nucléation spontanée et oscillations du niveau de liquide), de comprendre leur chronologie mais aussi de caractériser les régimes hydrodynamiques présents dans les canaux (régime de bulle, de bouchons de vapeur, churn, annulaire et d’assèchement). Ils permettent également la quantification de grandeurs opératoires telle que la qualité de vapeur locale afin de tracer des cartes de régime. Grâce aux différentes grandeurs opératoires relevées sur le banc, la caractérisation des pertes thermiques du module a été réalisée afin de pouvoir estimer d’une part la qualité de vapeur en sortie de module par un bilan thermique et d’autre part des coefficients de transfert thermique convectif de l’écoulement d’eau à l’équilibre liquide-vapeur. Enfin, une proposition de méthodologie de pré-dimensionnement de vaporiseur milli-structurés produits par fabrication additive est proposée. Elle s’appuie sur deux cas d’études portant sur l’intensification de la vaporisation de l’eau dans une unité mobile et un procédé de taille industrielle.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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