Dimensionnement et étude expérimentale d’un vaporiseur à milli-canaux

La recente prise de conscience ecologique du monde de l’industrie s’est concretisee dans le domaine de l’automobile par le developpement de vehicules moins polluants utilisant l’hydrogene comme carburant. Le deploiement des tels vehicules roulant a l’hydrogene ne peut se faire qu’avec la creation d’un reseau de distribution couvrant les besoins des futurs utilisateurs. Air Liquide, dans sa demarche repondre a la demande de la mobilite hydrogene, s’est fixe pour objectif au travers du projet FAIR de concevoir une unite mobile de production d’hydrogene utilisant un procede de vaporeformage du methane intensifie. Au sein de ce procede, il est necessaire de produire de la vapeur d’eau, la question de l’intensification de la vaporisation de l’eau s’est donc posee. Afin d’y repondre, un banc de test experimental et un module de vaporisation ont ete dimensionnes, assembles et instrumentes au sein du Laboratoire Reactions et Genie des Procedes (LRGP) a Nancy. Le banc est concu pour vaporiser de l’eau grâce a une convection d’huile chaude. Le module de vaporisation etudie est un echangeur milli-structure a plaques en inox possedant une vitre de visualisation permettant l’enregistrement de films a haute-frequence de l’ecoulement d’eau bouillant. Quatre plaques ont ete testees : deux plaques sur lesquelles 10 canaux droits hemicylindriques sont soit fraises, soit produits par fabrication additive, une plaque avec des canaux de geometries variees et enfin, une plaque ou sont graves sept canaux droits garnis de motif triangulaires. Une nouvelle technique innovante de post-traitement a ete developpee afin de produire des « Diagrammes Spatio-Temporel » representant l’evolution spatiale des differentes interfaces liquide-vapeur presentes dans les canaux au cours du temps. L’utilisation de ce nouvel outil permet non seulement de determiner les phenomenes d’ebullition (nucleation spontanee et oscillations du niveau de liquide), de comprendre leur chronologie mais aussi de caracteriser les regimes hydrodynamiques presents dans les canaux (regime de bulle, de bouchons de vapeur, churn, annulaire et d’assechement). Ils permettent egalement la quantification de grandeurs operatoires telle que la qualite de vapeur locale afin de tracer des cartes de regime. Grâce aux differentes grandeurs operatoires relevees sur le banc, la caracterisation des pertes thermiques du module a ete realisee afin de pouvoir estimer d’une part la qualite de vapeur en sortie de module par un bilan thermique et d’autre part des coefficients de transfert thermique convectif de l’ecoulement d’eau a l’equilibre liquide-vapeur. Enfin, une proposition de methodologie de pre-dimensionnement de vaporiseur milli-structures produits par fabrication additive est proposee. Elle s’appuie sur deux cas d’etudes portant sur l’intensification de la vaporisation de l’eau dans une unite mobile et un procede de taille industrielle.