FR2968765A1 - Tunnel aerodynamique pour l'etude de la vaporisation de liquides - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un tunnel (100) aérodynamique permettant de mesurer les paramètres de vaporisation d'un liquide d'essai soumis à un flux gazeux, et comprenant, de sa partie amont vers sa partie aval, un générateur (1) de gaz apte à émettre un gaz à un débit et à une température ajustables, un dispositif de conditionnement (2) destiné à produire un écoulement horizontal et uniforme du gaz émis, une chambre de mesure (3) comportant le liquide à tester et différents moyens de mesures permettant de caractériser le flux de gaz la traversant, une zone (5) de prélèvement et d'analyse du mélange de gaz et de vapeur, et une zone d'évacuation (6) dudit mélange. La principale caractéristique d'un tunnel selon l'invention, est que le liquide à tester présente une surface (18) horizontale, positionnée dans la chambre de mesures (3), de telle manière qu'elle est balayée en permanence et de façon tangentielle, par le flux de gaz uniforme .

Description

TUNNEL AERODYNAMIQUE POUR L'ETUDE DE LA VAPORISATION DE LIQUIDES Le cadre général de l'invention est l'évaporation de liquides au repos, sous l'effet d'un courant d'air et à température variable, phénomène qui recouvre un grand nombre de cas pratiques, tels que l'évaporation à l'air libre, sous l'effet du vent, d'étendues d'eau statiques, de surfaces plus ou moins grandes, telles que, par exemple, des mares ou des piscines ; des procédés de fabrication mettant en oeuvre une étape de vaporisation ou de saturation d'une phase gazeuse ; l'évaporation de flaques de liquides soit à l'air libre, soit en enceinte ventilée, situation qui peut correspondre à une fuite ou un épanchement accidentels de liquide, dont les vapeurs présentent des risques de toxicité, d'incendie, d'explosion ou de pollution de l'air. Ce phénomène très général est désigné en thermique par l'expression de « vaporisation en régime de convection forcée », sachant que ce processus dominant de vaporisation en régime de convection forcée est très souvent accompagné d'effets de vaporisation par convection naturelle et par diffusion, qui sont les seuls phénomènes présents dans une atmosphère rigoureusement calme. La connaissance des cinétiques de vaporisation à la surface de flaques de liquides est un besoin croissant dans le génie des procédés et dans le cadre de la sécurisation des installations industrielles. Dans ce dernier domaine, on assiste en effet, à un renforcement général, au niveau mondial, des réglementations relatives aux risques d'incendie et d'explosion liés aux fuites de substances inflammables, sous forme de nuages gazeux mais aussi de flaques de liquides volatils. Or, la maitrise actuelle des phénomènes de combustion ne permet pas de déterminer avec suffisamment de précision et de certitude, en situation réelle, les critères de transition entre un régime de combustion normal et un régime de déflagration, voire de détonation. Par exemple, les conditions qui régissent l'établissement d'une onde de choc au sein de structures aussi complexes que celles existant dans les installations industrielles, et dans des conditions opératoires éminemment variables, ne sont pas suffisamment contrôlées. En raison du manque de modèles prédictifs fiables, la réglementation demeure très restrictive, en considérant que le risque d'explosion existe dès qu'apparait une poche de gaz ou de vapeur, susceptible de s'enflammer, c'est-à-dire, chaque fois que la concentration en substance inflammable dans cette poche, est comprise entre sa limite inférieure d'inflammabilité et sa limite supérieure d'inflammabilité. Des procédés ont été mis au point, pour essayer de déterminer expérimentalement la cinétique de vaporisation d'un liquide inflammable en conditions maîtrisées. On peut citer, par exemple, le brevet FR2694092, qui se rapporte à un procédé de mesure de la vitesse d'évaporation et du délai d'inflammation d'un carburant liquide dans lequel, - On forme une goutte de carburant et on la place dans un milieu gazeux environnant, - On forme l'image de cette goutte sur un récepteur optique plan, - On mesure la surface de cette image en fonction du temps, - On calcule la surface du volume de la goutte à partir de la surface de l'image, - On mesure simultanément la température du milieu gazeux environnant, Ce brevet se focalise donc sur un procédé permettant de suivre l'évolution dans le temps, du volume d'une goutte de produit inflammable au sein d'un environnement gazeux, cette évolution étant déterminée au moyen d'un dispositif optique. Le brevet EP1610125, décrit, quant à lui, un procédé pour la détermination de la propriété de vaporisation de carburants liquides, pour les moteurs de véhicules automobiles, ce procédé ayant la particularité d'utiliser un élément de chauffage électrique, immergé au moins partiellement dans le liquide, pour réaliser une conduction de chaleur entre l'élément chauffant et le liquide constituant le carburant. L'invention décrite dans ce brevet met donc en oeuvre un chauffage de carburant au moyen d'un transfert de chaleur par conduction. Les procédés décrits dans l'état de la technique permettent d'approcher expérimentalement le phénomène de vaporisation d'un liquide inflammable, mais dans des conditions spécifiques, qui ne reflètent pas nécessairement les conditions réelles rencontrées dans des installations industrielles. Il devient alors difficile, voire hasardeux, d'appliquer directement les résultats obtenus au moyen de ces procédés, à des situations industrielles réelles, dont les conditions sont assez éloignées des conditions expérimentales qui prévalent dans lesdits procédés. En effet, la cinétique de vaporisation d'un liquide dépend, non seulement des propriétés dudit liquide, comme par exemple, la composition ou la volatilité propre de chaque composant, mais aussi et de façon importante, des conditions aérothermiques du milieu gazeux, souvent constitué par de l'air. Le terme « aérothermique » utilisé dans ce document recouvre, non seulement les conditions thermiques, comme le champ des températures, et aérauliques, comme le champ de vitesses et le régime d'écoulement caractérisé par le nombre de Reynolds, mais aussi le degré de saturation en vapeur du gaz, en particulier son hygrométrie, dans le cas de vapeur d'eau.

Ainsi, de manière à pouvoir conduire des essais de vaporisation d'un liquide inflammable dans des conditions représentatives de celles rencontrées dans le maximum de cas réels, et en vue notamment de la création de bases de données, le déposant a développé un « tunnel aérodynamique », qui met en oeuvre un flux d'air et une flaque de liquide, balayée par ce flux d'air, et qui possède l'ensemble des fonctionnalités nécessaires à la simulation d'une multiplicité de situations réelles. En effet, la conception particulière de ce tunnel vise : - d'une part, à contrôler, avec rigueur et précision, les paramètres qui régissent la vitesse de vaporisation d'un liquide au sein d'un flux d'air défini, cette vitesse étant caractérisée par le coefficient de transfert de matière, de la phase liquide vers la phase vapeur. Les résultats expérimentaux fournis par ce tunnel, sont par conséquent assez fiables pour être utilisés dans des études de procédés ou de sûreté, notamment d'installations industrielles, - d'autre part, à connaître en temps réel la composition du flux de vapeurs. Il est ainsi possible de réaliser des bilans aisés et précis de matière, et, dans le cas d'un liquide inflammable, de déterminer les conditions dans lesquelles la concentration en matière volatile dépasse la limite inférieure d'inflammabilité. Dans ce qui suit, les termes « amont » et « aval » doivent être interprétés par rapport au sens de propagation de l'air dans le tunnel. Par ailleurs, l'adjectif « uniforme » associé aux termes d«< écoulement », de « flux » ou de « courant » exprime le fait qu'à la fois le champ de vitesse et le champ de température sont essentiellement uniformes, c'est à dire que le vecteur vitesse et le scalaire température sont sensiblement identiques en tout point.

L'invention a pour objet un tunnel aérodynamique permettant de mesurer les paramètres de vaporisation d'un liquide d'essai soumis à un flux gazeux, et comprenant de sa partie amont vers sa partie aval, un générateur de gaz apte à émettre un gaz à un débit et à une température ajustables, un dispositif de conditionnement destiné à produire un écoulement horizontal et uniforme du gaz émis, une chambre de mesure comportant le liquide à tester et différents moyens de mesures permettant de caractériser le flux de gaz la traversant, une zone de prélèvement et d'analyse du mélange de gaz et de vapeur, et une zone d'évacuation dudit mélange. La principale caractéristique d'un tunnel selon l'invention, est que le liquide à tester présente une surface horizontale, positionnée dans la chambre de mesure, de telle manière qu'elle est balayée en permanence et de façon tangentielle, par le flux de gaz uniforme. De cette manière, cette interaction spécifique, en incidence rasante, entre le flux de gaz et la surface libre de la flaque de liquide, permet de modéliser fidèlement les cas réels de vaporisation. En balayant tangentiellement la flaque, le gaz en mouvement va vaporiser le produit liquide à tester, qui va alors se mélanger à lui. On notera que le mélange gaz/vapeur ainsi formé en aval de la flaque, n'est pas uniforme dans son volume, mais stratifié dans la direction verticale, la concentration en vapeur décroissant depuis la paroi supérieure de la cloison vers le haut de la sous- chambre de vaporisation. Le fait de mettre en oeuvre une telle interface de vaporisation contrôlée, présente l'intérêt de pouvoir déterminer de façon rigoureuse, le « coefficient de transfert de matière » qui caractérise la cinétique de vaporisation. Ce coefficient, qui ne dépend que des propriétés du liquide et des caractéristiques aérothermiques du flux de gaz, est défini comme la masse de liquide vaporisée par unité de temps et de surface, et rapportée à la différence entre la concentration massique en vapeur dans le gaz en amont et à la surface immédiate du liquide. On notera en particulier que, comme ce coefficient ne dépend pas de l'aire de la flaque, celle-ci peut être choisie de façon totalement arbitraire. Afin de balayer un éventail important de configurations, et dans un souci de se rapprocher des conditions réelles d'un environnement industriel, le générateur de gaz possède des moyens permettant d'émettre du gaz avec un débit et une température modulables. Le gaz est constitué préférentiellement d'air. Il peut également être constitué d'un gaz inerte, tel que, par exemple, de l'azote, qui serait acheminé au niveau du dispositif de conditionnement, en connectant le réservoir d'azote directement sur ce dernier. Ce générateur de gaz peut, par exemple, être constitué d'un ventilateur d'air muni d'un chauffage intégré, pouvant porter l'air émis à une température élevée. Les moyens de mesure insérés dans la chambre permettent de mesurer les caractéristiques aérothermiques du courant de gaz horizontal et uniforme traversant ladite chambre, à savoir, principalement, la température, la vitesse, et le régime d'écoulement. Le liquide à tester est un liquide inflammable quelconque pouvant, par exemple, être de l'essence. Préférentiellement, la chambre de mesure comprend une cloison horizontale dotée d'une ouverture et qui scinde la chambre de mesure en une sous-chambre de vaporisation supérieure comportant des capteurs aérothermiques, et une sous-chambre auxiliaire inférieure comportant également des capteurs aérothermiques, le tunnel étant conformé pour que le gaz en provenance du dispositif de conditionnement traverse simultanément les deux sous-chambres, ladite chambre comportant une cellule de vaporisation qui est remplie de liquide et dont le bord supérieur est positionné dans l'ouverture de la cloison, de manière à ce que la surface du liquide affleure à la surface supérieure de la cloison, et que sa surface libre soit au contact du flux d'air traversant la sous-chambre de vaporisation. Les phénomènes de mélange des vapeurs de liquide et de gaz seront concentrés exclusivement dans la sous-chambre de vaporisation, au niveau de la cellule de vaporisation. La cloison de séparation horizontale entre les deux sous-chambres, va servir de plan de guidage au flux de gaz traversant la sous-chambre de vaporisation, pour lui permettre de balayer, de façon strictement tangentielle, la surface du liquide. L'existence de la sous-chambre auxiliaire et son balayage par le flux de gaz répondent à deux objectifs : - maintenir la cellule de vaporisation et le liquide qui y circule, à la même température que le gaz parcourant la sous-chambre de vaporisation, et assurer ainsi une vaporisation isotherme, le liquide et le gaz demeurant à la même température. - assurer une symétrie d'écoulement entre les deux sous-chambres. En effet, si la sous-chambre auxiliaire n'était pas balayée par le flux de gaz, la rupture de symétrie de l'écoulement gazeux dégraderait la qualité d'uniformité du courant dans la sous-chambre de vaporisation, ce qui affecterait la qualité des mesures de vitesse de vaporisation. Les capteurs aérothermiques placés dans la sous-chambre auxiliaire permettent d'évaluer avec précision le débit de gaz la traversant ainsi que sa température, ces paramètres pouvant directement être comparés à ceux mesurés dans la sous-chambre de vaporisation et la connaissance du débit dans la sous-chambre auxiliaire étant nécessaire pour effectuer le bilan des vapeurs au niveau de la zone de prélèvement, après la réunion des deux courants. Avantageusement, la cellule de vaporisation est alimentée en permanence en liquide, au moyen d'un circuit autonome externe, comprenant un réservoir gradué et une pompe à faible débit prélevant du liquide dans le réservoir gradué pour l'envoyer vers la cellule. Cette alimentation permanente est rendue nécessaire pour maintenir constamment la surface libre du liquide à la même élévation dans la cellule de vaporisation,, puisque la vaporisation du liquide tend à en faire baisser le niveau. Ainsi, la lecture, dans le temps, de la baisse du niveau de liquide dans le réservoir gradué, permet d'évaluer la quantité de liquide transformée en vapeur. De façon préférentielle, la cellule de vaporisation de liquide dispose d'un organe régulateur de niveau, prévu pour éviter que le liquide arrivant en permanence dans la cellule, ne déborde dans la sous-chambre auxiliaire.

De façon avantageuse, une zone d'homogénéisation est comprise entre la chambre de mesure et la zone de prélèvement et d'analyse, de manière à mélanger intimement, d'une part, le flux de gaz traversant la sous-chambre de vaporisation et qui est chargé en vapeur de liquide, et, d'autre part, le flux de gaz, exempt de vapeur, en provenance de la sous-chambre auxiliaire. En réalité, la zone d'homogénéisation a un double effet, qui est de mélanger intimement les vapeurs de liquide avec le flux de gaz ayant traversé la sous-chambre de vaporisation, et de mélanger intimement les deux flux de gaz en provenance respectivement des sous-chambres auxiliaire et de vaporisation.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, cette zone d'homogénéisation présente dans sa partie amont un coude cylindrique, dont la section est inférieure à celle de la chambre de mesure. Cet étranglement coudé assure le double effet de mélange qui vient d'être décrit. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la zone d'homogénéisation dispose dans sa partie aval, d'un dispositif secondaire de mélange, soit de type dynamique comme un moulinet de taille adéquate, mu par un moteur externe, soit de type statique, sous la forme d'un compartiment cylindrique droit, en continuité du coude, ce compartiment étant doté de reliefs internes pour créer des accidents dans le flux gazeux le traversant et donc pour parfaire le mélange entre le gaz et les vapeurs de liquide. Ces reliefs internes peuvent revêtir toutes formes et être, par exemple, constitués d'empilements de billes, de déflecteurs plans, ou être agencés entre eux pour créer des chicanes. Le type statique de mélange secondaire est le mode préféré pour des raisons de simplicité de réalisation.

Préférentiellement, le générateur de gaz, le dispositif de conditionnement et la chambre de mesure sont délimités par des parois cylindro-coniques ayant un axe de révolution commun et horizontal. Cette construction contribue à assurer au mieux le critère d'uniformité du champ de vitesse dans la chambre de mesure, et de par sa simplicité de réalisation, rend l'ensemble plus simple et donc moins coûteux à réaliser.

Selon un autre mode de réalisation préféré d'un tunnel selon l'invention, la zone de prélèvement et d'analyse est délimitée par une paroi cylindrique, le prélèvement du mélange de gaz et de vapeur du liquide s'effectuant en continu au moyen d'un tube radial débouchant dans ladite paroi et envoyant la fraction prélevée vers des appareils d'analyse des vapeurs du liquide vaporisé. Afin de ne pas perturber l'écoulement gazeux dans la zone de prélèvement, le tube radial est de petite section, et le prélèvement est faible. Selon un autre mode de réalisation préféré d'un tunnel selon l'invention, le prélèvement du mélange de gaz et de liquide vaporisé, dans la zone prévue à cet effet, s'effectue en discontinu, à des intervalles de temps prédéfinis. Ces intervalles de temps sont arbitraires et définis selon les besoins de l'étude. Pour cette configuration, le prélèvement peut, par exemple, s'effectuer au moyen d'une seringue, soit utilisée manuellement par un opérateur, soit pilotée automatiquement à des intervalles de temps préprogrammés. Préférentiellement, le tunnel est réalisé en matériau transparent. Ce matériau transparent peut, par exemple, être un verre ordinaire ou un verre borosilicaté, voire du verre de silice, si une meilleure résistance aux éventuels chocs thermiques est désirée. De telles parois transparentes permettent de visualiser l'ensemble des phénomènes se produisant dans le tunnel, en particulier au niveau de la sous-chambre de vaporisation et de la cellule de vaporisation, et permettent ainsi de contrôler entièrement le cours de la manipulation, ce qui assure une meilleure maitrise des conditions opératoires. Le verre permet de travailler à des températures relativement importantes, et de réduire, vu sa faible conductibilité thermique, les déperditions de chaleur, ce qui évite d'avoir à isoler thermiquement le tunnel pour en contrôler la température et préserve la pleine visibilité des phénomènes. Avantageusement, le tunnel est miniaturisé, son poids étant inférieur à 10kg.

De façon préférentielle, l'encombrement au sol du tunnel, est inférieur à 1 m2. Le terme « miniaturisé » signifie que les dimensions du tunnel, sont réduites, un diamètre de chambre de mesure pouvant, par exemple, être compris entre 10 et 20 cm. Cette miniaturisation apporte les avantages suivants: - Absence de risque d'explosion et d'incendie durant les expériences, Encombrement et prix réduits, - Générateur de gaz à faible débit et faible consommation d'énergie, - Coût unitaire des mesures réduit, - Volume de liquide d'essai très faible, engendrant un faible coût d'approvisionnement et d'élimination en fin d'essai, - Rapidité des manipulations, utiles notamment pour l'exécution de plans d'expérience conséquents. Les tunnels aérodynamiques selon l'invention, présentent l'avantage de pouvoir reproduire les conditions d'un environnement réel, tout en possédant une géométrie simplifiée, sous la forme d'assemblages de tubes cylindroconiques, et sont donc faciles et rapides à fabriquer, à monter et à démonter. De plus, lorsque les tunnels selon l'invention sont miniaturisés, ils ont l'avantage de faciliter toute intervention, opération ou manoeuvre d'un opérateur amené à les utiliser pour conduire des essais. Il en résulte un gain de temps non négligeable et une bonne maîtrise des conditions opératoires, conférant aux essais réalisés un caractère de simplicité, de grande fiabilité et de bonne reproductibilité. On donne, ci-après, la description détaillée d'un mode de réalisation 25 préféré d'un tunnel aérodynamique selon l'invention en se référant aux figures 1 et 2. - La figure 1, est une vue schématique de l'ensemble d'un tunnel aérodynamique selon l'invention, - La figure 2, est une vue schématique d'une cellule de vaporisation 30 utilisée dans un tunnel aérodynamique selon l'invention, - La figure 3 est un graphe montrant la corrélation entre les vitesses de vaporisation de certains liquides obtenus, d'une part expérimentalement à l'aide du tunnel selon l'invention, d'autre part par la théorie.

En se référant à la figure 1, un tunnel 100 selon l'invention, comprend une pluralité d'éléments, situés les uns à la suite des autres, avec dans l'ordre, un générateur d'air 1, un dispositif de conditionnement 2 destiné à produire un écoulement horizontal et uniforme à partir du flux d'air émis par ledit générateur 1, une chambre de mesure 3, une zone d'homogénéisation 4 entre vapeur et air, une zone de prélèvement et d'analyse 5 du mélange air/vapeur, et enfin, une zone d'évacuation 6 du mélange air/vapeur. Le tunnel 100 est miniaturisé, et les principaux paramètres dimensionnels qui rendent compte de cette miniaturisation, font que son encombrement au sol n'excède pas 1 m2, et que son poids demeure inférieur à 10kg.

Le générateur 1 d'air est un ventilateur d'air de petite taille, possédant de préférence un chauffage intégré, et capable de fournir un flux d'air horizontal à débit et température ajustables. Typiquement, le ventilateur 1 peut fournir un flux d'air ayant une température pouvant atteindre 200°C. Le dispositif de conditionnement 2 comporte un dispositif de tranquillisation 7 servant à supprimer les composantes tourbillonnaires de l'écoulement issu du ventilateur 1, éventuellement un diffuseur 8, prolongeant ledit dispositif de tranquillisation 7 et constitué par un convergent ou un divergent conique d'axe horizontal et à faible angle, et un dispositif 9 de laminage, configuré pour engendrer un écoulement d'air horizontal et uniforme. Le dispositif de tranquillisation 7, qui est matérialisé par une pièce cylindrique de faible diamètre, est destiné à rendre l'écoulement « irrotationnel » à la sortie du ventilateur 1, en cassant à la fois tout mouvement de rotation d'ensemble de l'air, et les tourbillons non stationnaires générés au niveau du rotor du ventilateur 1. A cet effet, on peut disposer au travers de la section de passage, une couche d'un matériau à base de fibres ou de fils tissés ou non organisés, qui cassent les vortex et les mouvements de rotation cohérents. Afin de minimiser la perte de charge, on pourra utiliser des fibres ou fils de diamètres de l'ordre du millimètre, fournissant une texture aérée, tels que paille d'acier, de préférence inoxydable. Le diffuseur 8 est une pièce facultative, rendue nécessaire lorsque la section droite du dispositif de tranquillisation 7 est différente de celle de la chambre 3 de mesure. Ce diffuseur 8 est une pièce conique, convergente ou divergente, à angle d'ouverture typiquement inférieur à 10°, permettant de faire la jonction entre le dispositif de tranquillisation 7, dont le diamètre est conditionné par la taille du générateur 1 d'air, et le dispositif de laminage 9, qui est une pièce cylindrique dont le diamètre est identique à celui de la chambre de mesure. Le dispositif de laminage 9, comprend une pluralité de mini-canaux longitudinaux 31, parallèles et horizontaux, lesdits mini-canaux 31 étant jointifs sur leur longueur, et de faible section. Avantageusement, le diamètre interne de ces mini-canaux est de l'ordre de 5 à 6 mm. La longueur de ces mini-canaux est suffisamment importante, typiquement supérieure à 4 fois le diamètre de la chambre 3 de mesures, pour établir à l'entrée de la chambre de mesure 3, un écoulement d'air horizontal et uniforme. La chambre de mesure 3 est une pièce cylindrique horizontale. Le dispositif de tranquillisation 7, le diffuseur 8, le dispositif de laminage 9 et la chambre 3 de mesure ont leurs axes 10 de révolution horizontaux et confondus. Autrement dit, ces quatre éléments 7,8,9,3 sont parfaitement alignés selon une direction horizontale. La chambre de mesure 3 possède une cloison médiane 11, horizontale, sous la forme d'une plaque rectangulaire de faible épaisseur, dont les faces supérieures et inférieures sont parfaitement lisses et qui permet de scinder la chambre 3 de mesures, en une sous-chambre de vaporisation supérieure 12 et une sous-chambre auxiliaire inférieure 13, ces deux sous-chambres 12,13 étant symétriques l'une de l'autre par rapport à la cloison 11. L'air issu du dispositif de laminage 9 placé en amont de la chambre de mesure 3, traverse les deux sous-chambres 12,13 avec des débits sensiblement identiques, qui peuvent être déterminés par deux jeux respectifs de capteurs de vitesse et de température. La cloison centrale 11 possède une ouverture 14 circulaire, dont le centre est situé sur l'axe 10 de rotation, et qui fait communiquer les deux sous-chambres 12 et 13 entre elles.

En se référant à la figure 2, l'ouverture 14 de la cloison 11 centrale est prévue pour loger une cellule de vaporisation 15, laquelle contient le liquide à vaporiser et est équipée d'un thermocouple permettant de suivre la température dudit liquide. Cette cellule de vaporisation 15, est une pièce cylindrique creuse, pouvant avoir une capacité de l'ordre de 5m1, et dont le diamètre est légèrement inférieur à celui de l'ouverture 14 pratiquée dans la cloison 11, le jeu maximum entre cette ouverture 14 et la cellule 15 n'excédant pas Imm. La cellule 15, ouverte à sa partie supérieure 17, est contenue dans la sous-chambre auxiliaire 13 Le fond de la cellule 15 est assemblé à une tubulure verticale 22, qui a le même axe de révolution et est contenue en majeure partie, dans la sous-chambre auxiliaire 13, mais traverse la paroi inférieure de ladite sous-chambre auxiliaire 13 à travers une jonction étanche permettant sa translation verticale. De cette manière, l'ensemble constitué par la cellule 15 et la tubulure 22 peut donc être déplacé verticalement de façon à ce que la directrice supérieure de la cellule affleure au niveau du plan supérieur 32 de la cloison 11. Autrement dit, lorsque la cellule 15 est complètement remplie de liquide, la surface 18 libre dudit liquide se retrouve exactement contenue dans le plan supérieur 32 de la cloison 11. Ainsi, le flux d'air qui est issu du dispositif de laminage 9, et qui pénètre dans la sous-chambre 12 de vaporisation avec un champ de vitesse uniforme et horizontal, d'une part, conservera en amont de la surface libre 18 du liquide ces mêmes caractéristiques de champ de vitesse, puisqu'il est amené à balayer la cloison 11, qui est parfaitement plane, horizontale et lisse, et, d'autre part, balaiera, par conséquent, de façon parfaitement tangentielle la surface libre 18 du liquide. Puisqu'une partie du liquide présent dans la cellule 15 est évaporée dans le flux d'air traversant la sous-chambre de vaporisation 12, il devient nécessaire d'alimenter en liquide, et de façon permanente, la cellule 15, de manière à maintenir la surface 18 dudit liquide au même niveau que le plan supérieur 32 de la cloison 11. Le débit minimum d'alimentation requis est faible, puisqu'il suffit qu'il compense la vaporisation du liquide. Cette alimentation est assurée en circuit 19 fermé, par un circuit 19 autonome externe, comprenant un réservoir 20 gradué et une pompe 21 à faible débit. Le liquide prélevé dans le réservoir 20 est pompé jusqu'à la tubulure 22, au sein de laquelle il remonte pour déboucher dans la cellule 15, et la partie non vaporisée est évacuée, dans un mouvement descendant, par l'intermédiaire d'un tube creux 23, qui traverse la cellule 15 et la tubulure 22, à travers une jonction étanche permettant sa translation verticale, indépendamment de l'ensemble constitué par la cellule 15 et la tubulure 22. Ce tube 23 peut donc être positionné verticalement, de manière à ce que son extrémité supérieure 24 se retrouve à une élévation légèrement inférieure à celle de la directrice supérieure de la cellule 15, pour éviter qu'un possible effet de ménisque ne provoque le débordement du liquide vers l'extérieur de la cellule 15. Ce tube 23 sert de déversoir pour le liquide de la cellule, et ainsi d'organe de régulation du niveau de liquide dans ladite cellule 15. L'ensemble du dispositif revient donc, d'une part, à positionner le bord supérieur 17 de la cellule 15 exactement dans le plan supérieur 32 de la cloison 11, et d'autre part, à maintenir, en permanence, la cellule 15 pleine de liquide, de sorte que la surface libre 18 dudit liquide se retrouve exactement et constamment contenue dans le plan supérieur 32 de la cloison 11, et soit balayée de façon rigoureusement tangentielle et en permanence, par le flux d'air horizontal et uniforme. La baisse du niveau du liquide observée, au fil du temps, dans le réservoir 20 gradué, renseigne sur le volume de liquide qui s'est évaporé au contact du flux d'air traversant la sous-chambre de vaporisation 12, sachant qu'il convient de prendre en compte la baisse identique et concomitante de niveau, qui s'opère dans le tube 23, par effet de vases communicants. Le tube 23 a donc un diamètre intérieur calibré.

La zone d'homogénéisation 4 entre la vapeur et l'air est située en aval de la chambre de mesure 3 et en continuité de celle-ci. Elle est nécessaire pour mélanger intimement le flux d'air chargé en vapeur de liquide et issu de la sous-chambre de vaporisation 12, et le flux exempt de vapeur, et issu de la sous-chambre auxiliaire 13. Cette zone est matérialisée, dans sa partie amont, par un coude 25 cylindrique de diamètre inférieur à celui de la chambre de mesure 3, et dans sa partie aval, par un dispositif secondaire 26 de mélange, de préférence de type statique, sous la forme d'un compartiment cylindrique droit, en continuité du coude 25. Ce compartiment 26 est doté de reliefs internes 27, disposés entre eux pour créer des accidents le long des lignes de courant, destinés à parfaire le mélange. Ces reliefs internes peuvent revêtir toutes formes, et peuvent, par exemple, être représentés par des empilements de billes, ou une série de plans déflecteurs. Ils peuvent également être agencés entre eux pour créer des chicanes. Néanmoins, tous ces reliefs internes doivent être dimensionnés pour ne pas créer de pertes de charge trop importantes. Le coude 25 est à angle droit, de sorte que l'axe de révolution du dispositif statique additionnel 26 est perpendiculaire à l'axe de révolution 10 de la chambre de mesure 3, et orienté vers le haut. Le dispositif de mélange secondaire 26 est prolongé par la zone de prélèvement et d'analyse 5 du mélange intime entre l'air et les vapeurs de liquide, cette zone 5 étant délimitée par une paroi 28 cylindrique de même diamètre que celui du dispositif de mélange secondaire 26, et en continuité de celui-ci. Selon un premier mode de réalisation préféré d'un tunnel 100 selon l'invention, le prélèvement du mélange d'air et de liquide vaporisé s'effectue de façon continue, au moyen d'un tube radial 29, de faible diamètre débouchant dans ladite paroi 28 et envoyant la fraction prélevée vers des appareils de mesure en continu, permettant de déterminer la concentration du liquide vaporisé dans l'air. Cette fraction pourra également être envoyée vers un piège à condensation, par exemple à carboglace ou à azote liquide, pour une analyse globale différée. Selon une autre variante de réalisation d'un tunnel 100 selon l'invention, le prélèvement du mélange d'air et de liquide vaporisé, dans la zone 5 prévue à cet effet, s'effectue en discontinu, à des intervalles de temps prédéfinis. Pour cette configuration, le prélèvement peut, par exemple, s'effectuer au moyen d'une seringue, soit utilisée manuellement par un opérateur, soit pilotée automatiquement à des intervalles de temps préprogrammés. Dans le cas de liquides inflammables, il est aussi possible d'utiliser un explosimètre, qui fournira en temps réel, la concentration en vapeur ou en mélange de vapeurs, exprimée en pourcentage de la limite d'inflammabilité de cette vapeur ou de ce mélange de vapeurs.

Dans le cas de mesures d'évaporation d'eau, l'appareil de mesure pourra être un analyseur infrarouge. Dans le cas de mesures d'évaporation d'un produit organique constitué par un seul corps pur, l'appareil de mesure pourra comprendre, soit un analyseur infrarouge, soit un détecteur à ionisation de flamme soit tout autre type de détecteur auquel les vapeurs sont sensibles (TCD, PID etc.). Dans le cas d'un mélange de plusieurs corps purs organiques, l'appareil de mesure pourra mettre en oeuvre une colonne de séparation chromatographique en phase gazeuse suivie d'un détecteur approprié, voire d'un spectromètre de masse.

La zone d'évacuation 6 du mélange vapeur/air, est constituée par un tube 30 prolongeant la paroi cylindrique 28 délimitant la zone 5 d'analyse et de prélèvement, le diamètre dudit tube 30 pouvant être inférieur à celui de ladite paroi 28. Un raccord 33 conique convergent, permet de relier la paroi 28 de la zone d'analyse 5 au tube d'évacuation 30.

Le dispositif de mélange secondaire 26 de mélange, la zone d'analyse et de prélèvement 5, le raccord convergent 33, ainsi que le tube 30 d'évacuation, ont leurs axes de révolution confondus. Autrement dit, ces quatre éléments 26,5,33,30 sont parfaitement alignés selon une direction perpendiculaire à la direction horizontale suivant laquelle sont alignés le dispositif de tranquillisation 7, le diffuseur 8, le dispositif de laminage 9 et la chambre 3 de mesure. Préférentiellement, cette direction est verticale, pour en réduire la projection au sol. Le tunnel 100 est réalisé en matériau transparent. Ce matériau transparent peut, par exemple, être un verre ordinaire ou un verre borosilicaté, voire du verre de silice, si une meilleure résistance aux éventuels chocs thermiques est désirée. De telles parois transparentes permettent de visualiser l'ensemble des phénomènes se produisant dans le tunnel 100, en particulier au niveau de la sous-chambre de vaporisation 12 et de la cellule de vaporisation 15, et permettent ainsi de contrôler entièrement le cours de la manipulation, ce qui assure une meilleure maitrise des conditions opératoires. Le verre permet de travailler à des températures relativement importantes, et de réduire, vu sa faible conductibilité thermique, les déperditions de chaleur, ce qui évite d'avoir à isoler thermiquement le tunnel 100 pour en contrôler la température. Les faibles dimensions du tunnel selon l'invention, autorisent l'utilisation d'une petite quantité de liquide pour la conduite des essais, ce qui limite fortement, voire annule, le risque d'occurrence et les effets d'une déflagration ou d'une détonation éventuelle, produite dans ledit tunnel. De cette manière, les risques de dommages potentiels sur les biens ou les personnes, s'en trouvent diminués, voire annulés.

En variantes de réalisation d'un tunnel 100 selon l'invention, la géométrie cylindro-conique évoquée dans la description peut, par exemple, être remplacée par une géométrie prismatique. En outre, il est possible d'opérer le processus de vaporisation, non seulement en conditions isothermes, comme décrit dans le mode de réalisation 15 qui précède, mais aussi: -soit en conditions quasi adiabatiques, en imposant un débit de recirculation de liquide minimum dans le circuit 19, et en utilisant une cellule de vaporisation 15 et une tubulure 22 en matériau isolant, d'assez forte épaisseur, tel qu'une matière plastique comme 20 le téflon. - soit en ayant une température de gaz et de liquide différentes, ce qui, pour la partie liquide, peut être réalisé en utilisant un petit échangeur de chaleur doté éventuellement d'une régulation de température et installé en amont de la tubulure 22.

25 En se référant à la figure 3, qui est un graphe comparant les valeurs de vitesses de vaporisation massique par unité de surface, représentées par la grandeur J, exprimée en g/h/cm2, obtenues : - d'une part expérimentalement sur un ensemble « hydrocarbures et éthanol, à l'aide du tunnel 100 selon l'invention et matérialisées par la courbe 40, - d'autre part par la théorie, au moyen d'un calcul basé sur le modèle de M. Pauken (cf. référence : Michael Pauken, An experimental investigation of combined turbulent free and forced evaporation, Experimental Thermal and Fluid Science, 18, 1999, 334-340), à partir de mesures de vaporisation effectuées sur de l'eau mise en oeuvre dans un réservoir de grandes dimensions, et matérialisées par la courbe 41, Il est aisé de constater qu'il y a un bon accord entre les deux séries 40 et 41 de valeurs, ceci alors même que les vitesses de vaporisation explorées, couvrent près de trois décades. Cet exemple particulier illustre comment l'utilisation du tunnel 100 a permis de montrer, en moins d'une semaine d'essais, que le modèle théorique mis au point par M. Pauken dans le cas de l'eau, s'applique à d'autres liquides dans certaines conditions de température et de vitesse, en modifiant les paramètres physico-chimiques adéquats, et qu'il est légèrement conservatif, ce qui est préférable dans le cadre d'études de sécurité.20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Tunnel (100) aérodynamique permettant de mesurer les paramètres de vaporisation d'un liquide d'essai soumis à un flux gazeux, et comprenant de sa partie amont vers sa partie aval, un générateur (1) de gaz apte à émettre un gaz à un débit et à une température ajustables, un dispositif de conditionnement (2) destiné à produire un écoulement horizontal et uniforme du gaz émis, une chambre de mesure (3) comportant le liquide à tester et différents moyens de mesures permettant de caractériser le flux de gaz la traversant, une zone (5) de prélèvement et d'analyse du mélange de gaz et de vapeur, et une zone d'évacuation (6) dudit mélange, tunnel caractérisé en ce que le liquide à tester présente une surface libre (18) positionnée dans la chambre de mesure (3), de telle manière qu'elle est balayée en permanence et de façon tangentielle, par le flux de gaz uniforme.
2. 2. Tunnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de mesure (3) comprend une cloison (11) horizontale dotée d'une ouverture (14), et qui scinde la chambre de mesure (3) en une sous-chambre de vaporisation (12), supérieure comportant des capteurs aérothermiques, et une sous-chambre auxiliaire (13), inférieure, comportant également des capteurs aérothermiques, le tunnel (100) étant conformé pour que le gaz en provenance du dispositif de conditionnement (2) traverse simultanément les deux sous-chambres (12,13), et en ce que ladite chambre (3) comporte une cellule de vaporisation (15) qui est remplie de liquide et dont le bord supérieur est positionné dans l'ouverture (14) de la cloison (11), de manière à ce que la surface (18) du liquide affleure à la surface supérieure (32) de la cloison (11), et que sa surface libre soit au contact du flux d'air traversant la sous-chambre de vaporisation
3. 3. Tunnel selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cellule de vaporisation (15) est alimentée en permanence en liquide, au moyend'un circuit autonome externe (19), comprenant un réservoir gradué (20) et une pompe (21) à faible débit prélevant du liquide dans le réservoir gradué (20) pour l'envoyer vers la cellule (15).
4. 4. Tunnel selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une zone d'homogénéisation (4) est comprise entre la chambre de mesure (3) et la zone de prélèvement et d'analyse (5), de manière à mélanger intimement, d'une part, le flux de gaz traversant la sous-chambre de vaporisation (12) et qui est chargé en vapeur de liquide, et, d'autre part, les flux de gaz, exempt de vapeur, en provenance de la sous-chambre auxiliaire (13) .
5. 5. Tunnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le générateur de gaz (1), le dispositif de conditionnement (2) et la chambre (3) de mesure, sont délimités par des parois cylindroconiques de section profilée, ayant un axe de révolution (10) commun et horizontal.
6. 6. Tunnel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de prélèvement et d'analyse (5) est délimitée par une paroi cylindrique (28), le prélèvement du mélange de gaz et de vapeur de liquide s'effectuant en continu au moyen d'un tube radial (29) débouchant dans ladite paroi (28) et envoyant la fraction prélevée vers des appareils d'analyse des vapeurs du liquide vaporisé.
7. 7. Tunnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le prélèvement du mélange de gaz et de liquide vaporisé, dans la zone (5) prévue à cet effet, s'effectue en discontinu, à des intervalles de temps prédéfinis.
8. 8. Tunnel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé en matériau transparent.
9. 9. Tunnel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est miniaturisé, et en ce que son poids est inférieur à 10kg.
10. 10. Tunnel selon la revendication 9, caractérisé en ce que son 5 encombrement au sol est inférieur à 1 m2.