Etude de la convection thermique dans les liquides cryogéniques en

ETUDE DE LA CONVECTION THERMIQUE DANS LES
LIQUIDES CRYOGENIQUES EN STOCKAGE
BELMEDANI Mohamed, REBIAI Rachid
Laboratoire Phénomènes de transfert, Faculté de Génie Mécanique et de Génie des
Procédés, U.S.T.H.B., B.P. 32 El-Alia, Bab-Ezzouar, Alger.
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Résumé
En Algérie, l’utilisation des liquides cryogéniques reste dominée par les
différents procédés de liquéfaction, de stockage et de transport du gaz naturel à l’état
liquide. Ce qui a nécessité la mise en place de plusieurs conteneurs de stockage de très
grandes capacité (jusqu’à 100000 m3). Ces conteneurs constitués de matériaux
spéciaux pour résister aux chocs thermiques et isolés avec de la perlite, conduisent
inévitablement de la chaleur du milieu environnant vers la masse liquide.
Cette étude traite de l’influence thermique de l’environnement sur la stabilité de
certains liquides cryogéniques ( le méthane à –161°C, l’azote à –196°C, …etc) en
stockage dans des bacs fermés.
L’énergie absorbée par ces liquides de l’environnement, à travers les parois des
conteneurs, de l’instrumentation et des lignes de transfert, crée des conditions
favorables de stratification et de surchauffe de ces liquides. Ces conditions donnent
lieu à des situations imprévisibles et parfois dangereuses de stockage.
Dans ce cadre, une étude expérimentale et théorique sur ces phénomènes
d’instabilité a été réalisée. La distribution de température en fonction du taux
d’évaporation pour différents flux de chaleur absorbés a été mesurée pour ces liquides
en stockage. Les expériences ont été menées dans un cryostat en pyrex à double paroi
dont le dispositif de mesure des profils de températures est constitué essentiellement
d’un capteur (micro-thermocouple) différentiel avec jonction sensible horizontale et
temps de réponse rapide.
Un mouvement vertical des particules sous forme de cellules circulaires dans la
partie centrale du bac a été observé. Ce mouvement engendré par les gradients
thermiques se fait en développant des couches limites très serrées près des parois
verticales et à l’interface. Le nombre de ces particules et leurs caractéristiques
dépendent des conditions aux limites imposées et des propriétés physiques du liquide
stocké.
Nous pouvons distingués les conséquences des instabilités selon que le régime
d’écoulement par convection soit laminaire ou turbulent.
Sur la base de l’ensemble des observations et des résultats expérimentaux, nous
avons adopté le modèle thermodynamique d’Evans avec toutefois un échange de
chaleur à l’interface (évaporation) avec une résolution des équations d’énergie et de
quantité de mouvement pour la détermination des profils de température et de vitesse
dans les couches limites.