FR3110242A1 - Système miniaturisé de détermination de coefficient d'échange thermique et procédé de fabrication associé - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un système de détermination de coefficient d'échange thermique entre un fluide (F) et une paroi (P) comprenant :- un dispositif de mesure de température (10) comprenant un corps principal (11); des fils métalliques (121, 122) en un premier matériau métallique constituant l’un des deux matériaux d’un thermocouple ; une structure interne (13) en un second matériau métallique constituant l’autre matériau du thermocouple, formant des premier et deuxième thermocouples (Th1, Th2) mesurant des première et deuxième valeurs de température paroi ; et un capteur de température fluide (ThF) mesurant une température fluide ; et- un calculateur (C) comprenant des premiers moyens pour calculer, à partir des valeurs de température paroi, une valeur de température moyenne paroi et un flux thermique ; et des seconds moyens pour calculer, à partir de la température fluide, de la température moyenne paroi et du flux thermique, un coefficient d'échange thermique h. Figure pour l’abrégé : Fig. 7A

Description

Système miniaturisé de détermination de coefficient d'échange thermique et procédé de fabrication associé
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un système de détermination de coefficient d'échange thermique et un procédé de fabrication associé.
Etat de la technique
La connaissance du coefficient d'échange thermique entre un fluide qui s'écoule dans une canalisation et la paroi de la canalisation est une donnée essentielle, dans le domaine de la physique, pour calculer les échanges de chaleur entre le fluide et la paroi.
Dans le domaine industriel, le coefficient d'échange thermique est couramment utilisé, en conception, pour dimensionner les surfaces des échangeurs thermiques et pour calculer les puissances thermiques transmises par un fluide. En détection, la connaissance du coefficient d'échange thermique peut caractériser un dysfonctionnement tel que, par exemple, l'apparition d'un assèchement, l'apparition de cavitations ou la présence d'incondensables.
Le coefficient d'échange thermique ne se mesure pas directement à l'aide d'un capteur. Pour le déterminer, on utilise des modèles mathématiques de corrélation d'échange (modèle de Colburn, de Dittus-Bolter ou de Rosenhow) qui nécessitent la connaissance de certaines caractéristiques du fluide, telles que la vitesse, la viscosité, la température, etc.
La difficulté, voire l'impossibilité, qu'il y a à obtenir un coefficient d'échange thermique à l'aide des modèles de corrélation se manifeste dans de nombreuses applications industrielles comme, par exemple, les mélanges de fluides turbulents à grands écarts de température (fatigue thermique), la présence d'incondensables, la présence de singularités, par exemple quand une paroi fait face à des tourbillons de fluide pouvant conduire à de l'assèchement.
La demande de brevet français FR2940435A1 intitulée « Dispositif de détermination de coefficient d'échange thermique et procédé associé » répond de façon particulièrement avantageuse au besoin des applications industrielles dans lesquelles les modèles de corrélation d'échange sont inadaptés.
La demande de brevet français FR2940435A1 décrit un dispositif de détermination de coefficient d'échange thermique entre un fluide et une paroi en un point PNd'une surface de la paroi en contact avec le fluide comprenant :
- un dispositif de mesure de température qui comprend :·
-- deux capteurs de température de paroi, un premier capteur de température mesurant une première valeur de température TC1de la paroi en un point P1et un deuxième capteur de température mesurant une deuxième valeur de température TC2de la paroi en un point P2sensiblement aligné avec le point P1selon une droite normale à la surface au point PN, le point P1étant le plus proche de la surface de la paroi, et
-- un capteur de température de fluide mesurant une valeur de température TFdu fluide en un point PFdu fluide sensiblement aligné avec les points P1et P2, et
- un calculateur qui comprend :·
-- des premiers moyens pour calculer, à partir des valeurs de température TC1et TC2, une valeur de température Tpde la paroi et un flux thermique Φ donné par l'équation :

où λ est la conductibilité thermique de la paroi,
-- et des seconds moyens pour calculer, à partir de la température de fluide TF, de la température TPet du flux thermique Φ le coefficient d'échange thermique h sous la forme :
La température Tpest calculée, par exemple, selon une méthode inverse basée sur l'exploitation du flux déterminé à chaque instant. Cette méthode est présentée dans le document intitulé «Thermal load determination in the mixing tee impacted by a turbulent flow generated by two fluids at large gap of temperature» (Olivier Braillard, Yvon Jarny, Guillaume Balmigere ; 13th International Conference on Nuclear Engineering ; Pékin, Chine ; 16-20 Mai 2005 ; ICONE 13-50361).
La correspond à la de la demande de brevet FR2940435A1 et elle illustre un dispositif de mesure de température DT comprenant deux thermocouples D1, D2 placés dans la paroi P de la canalisation au plus près du fluide et aptes à prélever la température en des points respectifs P1 et P2 de la paroi (qui correspondent aux extrémités libres des thermocouples D1 et D2) et un thermocouple fluide DF débouchant dans le fluide F et apte à prélever la température en un point PF du fluide qui correspond à l’extrémité libre dudit thermocouple fluide. Les points P1, P2 et PF sont alignés selon une droite normale, en un point PN, à la surface de la paroi qui est au contact du fluide. Les thermocouples D1, D2 et DF sont placés à proximité de la surface de la paroi P, et le thermocouple fluide DF est orienté pour faire face à l'écoulement S du fluide F (direction OX).
Les thermocouples D1 et D2 sont fixés dans une structure cylindrique formée par l'assemblage de deux demi-lunes L1, L2, cette structure étant elle-même fixée dans un corps principal 1, et la droite reliant les points P1, P2et PFest confondue avec l'axe de la structure cylindrique formée par les deux demi-lunes L1, L2. Les thermocouples D1 et D2 traversent le corps principal 1 par une gaine G formée dans le corps principal 1 jusqu’à une ouverture qui est configurée pour recevoir la structure cylindrique tandis que le thermocouple fluide DF traverse le corps principal 1 par un trou 4 débouchant de très faible diamètre formé dans ledit corps principal jusqu'à atteindre l’intérieur de la canalisation où le fluide F circule.
Chaque thermocouple D1, D2 et DF est formé par deux fils métalliques (de deux matériaux différents), le diamètre de chaque fil étant au moins égal à 25 µm.
Le thermocouple fluide DF est situé à une distance df de la surface de la paroi P typiquement comprise entre 10µm et 1cm, par exemple 2000µm. Le thermocouple D1, qui est le plus proche du fluide, est situé à une distance d1 de la surface de la paroi P typiquement comprise entre 10µm et 3mm, par exemple 300µm. Le thermocouple D2, qui est le plus éloigné du fluide, est situé à une distance d2 de la surface de la paroi P typiquement comprise entre 100µm et 1cm, par exemple 1400µm.
Le corps principal 1 du dispositif de mesure de température est intégré dans une cavité de la paroi P formée à cet effet, grâce à la mise en place de cales 5 afin d'ajuster la position de la face du dispositif de mesure destinée à être au contact du fluide et d’un moyen de fixation tel un écrou E, l’étanchéité du dispositif de mesure étant assurée par un joint torique 3.
Les figures 2A et 2B illustrent un dispositif de mesure de température particulier. La correspond à une coupe selon la direction OXZ de la , à la différence près qu’il comprend en outre un troisième thermocouple D3 à l'intérieur de la paroi P dont l'extrémité P3 est alignée avec les points P1, P2 et PF. Le troisième thermocouple D3 est encore plus éloigné du fluide F que le second thermocouple D2. Il est placé à une distance d3 de la surface de la paroi P typiquement comprise entre 1mm et 3cm du fluide, par exemple 2400µm. La correspond à une coupe de la structure cylindrique formée par les deux demi-lunes L1, L2 selon le plan OXY dans laquelle on voit les soudures entre les deux demi-lunes et les soudures de chaque demi-lune avec le corps principal 1.
La illustre plus précisément une demi-lune L1 dans laquelle des cheminements ont été gravés pour accueillir les six fils métalliques des trois thermocouples. Les deux fils D11 et D12 forment le thermocouple D1, les deux fils D21 et D22 forment le thermocouple D2 et les deux fils D31 et D32 forment le thermocouple D3. Les fils des thermocouples passent dans la gaine G puis dans les cheminements L11 et L12 gravés de part et d’autre d’une zone centrale L13 de la demi-lune pour déboucher au niveau d’une cavité L14 également gravée dans la demi-lune. Ainsi les fils de chaque thermocouple sont acheminés de manière à être disposés au bord de la cavité gravée L14 en vis-à-vis dans la direction OX, de manière symétrique par rapport à la direction OZ. Cette configuration permet que les deux fils de chaque thermocouple soient orientés perpendiculairement au flux thermique Φ, qu’ils soient précisément placés l’un en face de l’autre et que les distances d1, d2, d3 soient précisément respectées (ce que ne permettrait pas une configuration avec des fils placés droits dans la direction OZ). Cette configuration est nécessaire pour mesurer un gradient de température très précis dans la direction OZ, comme requis dans les applications privilégiées de l’invention.
Dans la mesure où les deux fils de chaque thermocouple ne sont pas soudés entre eux directement mais via la pièce intermédiaire formée par la demi-lune et sa cavité, la distance entre les deux fils doit être faible pour capter la même température et ne pas former de biais de mesure, mais suffisamment importante pour canaliser vers les thermocouples le flux thermique Φ perpendiculaire à la circulation de fluide F. Ainsi la distance d4 entre les deux fils de chaque thermocouple (correspondant à la largeur de la cavité gravée), déterminée par l’inventeur, est de l’ordre de 1 millimètre.
Cette configuration nécessite que chaque fil de thermocouple suive un rayon de courbure r qui est a minima de 0,5 millimètre. Afin de permettre de respecter ce rayon de courbure pour tous les fils de thermocouples (chaque fil ayant un diamètre d’au moins 25 µm), l’inventeur a déterminé que la largeur d5 dans la direction OX de chaque zone comprise entre la cavité L14 et le bord de la demi-lune en contact avec le corps 1, qui correspond à la zone où sont acheminés les fils, est au moins égale à 1,5 millimètre.
Ainsi, le diamètre d’une demi-lune, et par là-même de la structure cylindrique formée par les deux demi-lunes L1, L2 est au moins égal à 4 millimètres.
En outre, dans le corps principal 1 est formé un trou débouchant 4 pour permettre de faire passer le thermocouple fluide DF dans ledit corps principal jusqu'à l’intérieur de la canalisation. Le diamètre du thermocouple DF étant typiquement de 0,5 millimètre, le trou 4 doit avoir un diamètre au moins égal à 0,5 millimètre.
Ainsi il a été déduit que le diamètre extérieur du corps principal 1 et donc du dispositif de mesure doit être au moins égal à 6 millimètres. Ceci nécessite d’avoir dans la paroi de la canalisation un piquage d’au moins ce diamètre pour pouvoir y insérer le dispositif.
Cependant, il est parfois nécessaire de mesurer un flux thermique et/ou un coefficient d’échange thermique dans des zones très exiguës et de petites dimensions, comme ceci est illustré dans les figures 3A et 3B qui représentent des piquages (Pi) respectivement à 90° ou 45° d’une canalisation de faible diamètre sur une canalisation principale de plus grand diamètre, ou au niveau d’un Te entre deux canalisations de même diamètre comme illustré en .
Par exemple, il est nécessaire dans ces cas de mesurer les transferts thermiques (flux thermiques, coefficients d’échanges thermiques) dans le piquage à proximité de la connexion avec la canalisation principale comme représenté en . Les fluctuations de température étant responsables de la sollicitation mécanique (dilatation différentielle), mesurer les transferts thermiques dans ces zones permet d’évaluer la fatigue thermique au niveau du piquage, voire d’en évaluer la durée de vie.
Dans ces zones très restreintes, le dispositif de mesure de température DT connu, dont le diamètre est au moins égal à 6 millimètres n’est pas adapté au diamètre de paroi P. Comme cela ressort des figures 5A et 5B, il devient impossible en deçà d’un certain diamètre de canalisation de loger le dispositif de mesure de température DT même en réduisant au maximum ses dimensions externes pour loger les fils des thermocouples paroi et le thermocouple fluide qui traverse le corps principal. L’intrusivité et le biais thermique créé n’est pas acceptable pour la mesure des paramètres thermiques avec un tel dispositif pour des canalisations de petit diamètre.
Comme illustré en figures 6A, des tuyauteries de type DN50 (diamètre interne de 50 mm) peuvent utiliser un dispositif de mesure standard (diamètre de 6 mm), en revanche en deçà de ce diamètre et notamment dans les piquages en DN18 (diamètre interne de 18 mm) voire plus petits, il est nécessaire de réduire le diamètre du dispositif de mesure pour éviter de créer un biais thermique qui affecte les résultats des mesures de flux de chaleur.
En outre, il est recherché au moins la même précision de mesure que pour un système de détermination de coefficient d'échange thermique standard.
L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur.
L’invention vise à disposer d’un système de détermination de coefficient d'échange thermique de taille réduite, tout en conservant la même précision de mesure, voire en l’améliorant.
Un système permettant de remédier à ces inconvénients est un système de détermination de coefficient d'échange thermique entre un fluide et une paroi en un point PNd'une surface de la paroi en contact avec le fluide, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un dispositif de mesure de température comprenant :
-- un corps principal destiné à être intégré dans la paroi ;
-- au moins deux premiers fils métalliques traversant au moins une partie du corps principal ;
-- une structure interne assemblée au corps principal et dans lequel sont logés les premiers fils métalliques, lesdits premiers fils métalliques étant en un premier matériau métallique constituant le premier des deux métaux d’un thermocouple et la structure interne étant en un second matériau métallique différent du premier matériau métallique et constituant le second des deux matériaux d’un thermocouple, une des extrémités de chacun desdits premiers fils métalliques étant soudée à la structure interne formant ainsi une jonction de mesure d’un thermocouple ;
-- au moins un second fil métallique en le second matériau métallique, ledit au moins un second fil métallique traversant au moins une partie du corps principal et étant connecté à la structure interne ;
la structure interne et les premiers fils métalliques formant ainsi au moins deux thermocouples de paroi, dont un premier thermocouple mesure une première valeur de température TP1de la paroi en un premier point P1situé à une distance d1 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 10µm et 3mm et un deuxième thermocouple mesure une deuxième valeur de température TP2de la paroi en un deuxième point P2sensiblement aligné avec le premier point P1selon une droite normale à la surface au point PN, le deuxième point P2étant situé à une distance d2 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 300µm et 1cm, la distance d2 étant supérieure à la distance d1, et
-- un capteur de température de fluide placé en un point PFdu fluide sensiblement aligné avec les premier et deuxième points P1et P2, le point PFétant situé à une distance dF de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 10µm et 1cm, et
- un calculateur comprenant :
-- des premiers moyens pour calculer, à partir des première et deuxième valeurs de température TP1et TP2, une valeur de température moyenne de paroi TPet un flux thermique Φ donné par l'équation :

où λ est la conductibilité thermique de la paroi ; et
-- des seconds moyens pour calculer, à partir de la température de fluide TF, de la température moyenne de paroi TPet du flux thermique Φ, le coefficient d'échange thermique h sous la forme :
.
Afin de différencier les fils métalliques, il est convenu que les premiers fils métalliques sont les fils métalliques en le premier matériau métallique et que le(s) second(s) fil(s) métallique(s) est (sont) le(s) fil(s) métallique(s) en le second matériau métallique et est (sont) connecté(s) à la structure interne. Chaque premier fil métallique forme le premier des deux métaux d’un thermocouple, et la structure interne, avec le(s) second(s) fil(s) métallique(s), forment le second des deux métaux d’un thermocouple.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de mesure de température comprend un premier fil métallique complémentaire en le premier matériau métallique constituant le premier des deux matériaux d’un troisième thermocouple, une des extrémités dudit premier fil métallique complémentaire étant soudée à la structure interne formant ainsi une jonction de mesure du troisième thermocouple qui mesure une troisième valeur de température TP3de la paroi en un point P3sensiblement aligné avec les points P1, P2et PF, le point P3étant situé à une distance d3 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 1mm et 3cm, la distance d3 étant supérieure à la distance d2. Un troisième thermocouple permet donc de mesurer une troisième valeur de température TP3qui peut être utilisée comme condition aux limites dans les calculs mis en œuvre par le calculateur, et ainsi affiner la mesure.
En particulier, la connaissance de la température TP3délivrée par le troisième thermocouple Th3 permet, avantageusement, de calculer un flux thermique supplémentaire Φa(t, x). Ainsi dans ce cas, le calculateur peut comprendre des troisièmes moyens pour calculer, à partir de la première valeur de température TP1, ou de la deuxième valeur de température TP2, et de la troisième valeur de température TP3, un flux thermique supplémentaire Φadonné par l'équation :
;
ou par l’équation :
.
Ce flux thermique supplémentaire Φa peut être comparé avec le flux thermique Φ: si ces flux sont sensiblement égaux, il est possible de conclure que la mesure du flux thermique n’est pas perturbée (par un puits de chaleur ou une source de chaleur extérieure par exemple).
Selon un mode de réalisation particulier, au moins certains des fils métalliques (premiers et second(s)) sont recouverts d’un isolant électrique hormis leurs extrémités de jonction, par exemple d’une couche de Kapton®.
De préférence, le diamètre des fils métalliques (premiers et/ou second(s)) est inférieur ou égal à 100µm, de préférence inférieur ou égal à 50 µm, et encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 25µm. Cela permet de réduire d’autant plus le diamètre du dispositif de mesure.
Selon un mode de réalisation, le capteur de température de fluide (ThF) est un thermocouple.
Selon un mode de réalisation particulier, le diamètre du capteur de température de fluide (ThF) est inférieur ou égal à 0,5 mm, de préférence inférieur ou égal à 0,3 millimètre. Cela permet de réduire le diamètre du corps principal et donc le diamètre du dispositif de mesure de température.
De préférence, le corps principal est en le même matériau que la paroi de la canalisation, afin de ne pas perturber le flux thermique.
De préférence, le corps principal comporte une cavité ouverte interne destinée à recevoir la structure interne.
Selon un mode de réalisation préféré, la structure interne est une structure en forme de cylindre droit formée par un assemblage de deux demi-cylindres, la droite normale à la surface de la paroi au point PNétant un axe central dudit cylindre droit, une face du cylindre droit au contact avec le fluide (F) étant destiné à affleurer la surface de la paroi.
En particulier, les premiers fils métalliques peuvent être disposés dans des cheminements prévus dans un premier demi-cylindre, lesdits cheminements consistant en un usinage de la face latérale intérieure dudit premier demi-cylindre.
Le premier matériau métallique et le second matériau métallique peuvent être choisis pour former des thermocouples de paroi de type E, J, K, N, T, M (ou NiMo/NiCo) ou encore de type R, S, B, C (ou W5), G (ou W), D (ou W3).
Selon un mode de réalisation particulier, l’un parmi le premier matériau métallique et le second matériau métallique est du chromel ou du fer tandis que l’autre parmi le premier matériau métallique et le second matériau métallique est de l’alumel®ou du constantan®, formant ainsi des thermocouples de paroi de type K ou de type J.
Sauf indication contraire ou contradiction évidente, les différents modes de réalisation peuvent être combinés entre eux.
Le système de détermination de coefficient d'échange thermique selon l'invention permet des mesures locales précises de température dans une paroi et dans un fluide par l'intermédiaire d'un dispositif de mesure de température dont la dimension est significativement réduite, et ce dispositif de mesure est associé à un algorithme de traitement du signal qui calcule un ensemble de grandeurs physiques et détermine, ainsi, un coefficient d'échange thermique expérimental local entre la paroi et le fluide. En exploitant le matériau d’une structure interne du dispositif de mesure de température pour en faire un des deux matériaux d’un thermocouple, l’invention permet de se passer de la moitié des fils des thermocouples, et notamment de l’espace nécessaire pour respecter les rayons de courbure de ces derniers. Cela permet de réduire significativement le diamètre du dispositif de mesure.
Ainsi le dispositif de mesure selon l’invention a des très faibles dimensions, par exemple un diamètre externe de 2,5 millimètres à comparer aux dimensions du dispositif de mesure de l’art antérieur qui a un diamètre de 6 millimètres au moins. Le dispositif de mesure selon l’invention s'intègre dans des zones très exiguës et de petites dimensions tel un piquage de petit diamètre, un T de canalisation de petit diamètre, zones dans lesquelles on cherche à étudier les phénomènes thermiques, et ce, en mesurant un flux thermique et un coefficient d’échange thermique. Le dispositif de mesure de l’invention permet de s’intégrer dans une canalisation sans perturber le flux thermique dans celle-ci et dans le fluide. L’intégration est ainsi thermiquement non intrusive.
Le procédé de fabrication du dispositif de mesure de température selon l’invention comprend les étapes suivantes :
- réalisation de cheminements dans la structure interne, lesdits cheminements étant adaptés pour acheminer les premiers fils métalliques en le premier matériau métallique ;
- introduction des premiers fils métalliques dans le corps principal ;
- acheminement des premiers fils métalliques dans les cheminements ;
- soudage des extrémités libres des premiers fils métalliques dans la structure interne (aux distances d1, d2 et éventuellement d3 spécifiées) de manière à former les jonctions des thermocouples ;
- introduction du (des) second(s) fil(s) métallique(s) dans le corps principal ;
- réalisation de la liaison du (des) second(s) fil(s) métallique(s) sur la structure interne ;
- assemblage de la structure interne au corps principal (de préférence de manière étanche) ;
- introduction du capteur de température fluide à travers le corps principal (dans un orifice traversant préalablement réalisé dans ledit corps principal) jusqu'à ce que l'extrémité libre dudit capteur de température fluide débouche au-delà du corps principal ;
- et, de préférence, pliage de l'extrémité libre du capteur de température fluide dans une position destinée à l'orienter face à l'écoulement du fluide dans la canalisation.
De préférence, une soudure d’étanchéité est effectuée à la base du capteur de température fluide pour éviter la remontée du fluide à l’intérieur du corps principal.
Dans le cas où la structure interne est une structure en forme de cylindre droit formée par un assemblage de deux demi-cylindres, un cheminement étant prévu dans un premier demi-cylindre, le procédé de fabrication du dispositif de mesure de température comprend les étapes suivantes :
- fourniture des deux demi-cylindres aptes à former la structure interne en le second matériau métallique ;
- réalisation de cheminements dans la face latérale plate du premier demi-cylindre, lesdits cheminements étant adaptés pour acheminer les premiers fils métalliques en le premier matériau métallique;
- introduction des premiers fils métalliques dans le corps principal ;
- acheminement des premiers fils métalliques dans les cheminements ;
- soudage des extrémités libres des premiers fils métalliques (aux distances d1, d2 et éventuellement d3 spécifiées) sur la face latérale plate du premier demi-cylindre de manière à former les jonctions des thermocouples ;
- introduction du (des) second(s) fil(s) métallique(s) dans le corps principal ;
- réalisation de la liaison du (des) second(s) fil(s) métallique(s) sur la face latérale courbée du premier demi-cylindre ;
- assemblage du premier et du second demi-cylindre de manière à former la structure interne cylindrique ;
- assemblage de la structure interne cylindrique formée dans le corps principal ;
- réalisation de l’étanchéité entre le premier et du second demi-cylindre, et entre la structure interne cylindrique et le corps principal ;
- introduction du capteur de température fluide à travers le corps principal (dans un orifice préalablement réalisé dans le corps principal) jusqu'à ce que l'extrémité libre dudit capteur débouche au-delà du corps principal ;
- et, de préférence, pliage de l'extrémité libre du capteur de température fluide dans une position destinée à l'orienter face à l'écoulement du fluide dans la canalisation.
De préférence, une soudure d’étanchéité est effectuée à la base du capteur de température fluide pour éviter la remontée du fluide à l’intérieur du corps principal.
Les deux demi-cylindres peuvent être préfabriqués par usinage.
La face latérale plate du premier demi-cylindre correspond à la face destinée à être assemblée à la face latérale plate du second demi-cylindre de manière à former la structure cylindrique interne. Elle peut également être désignée par face latérale intérieure. La face latérale courbée du premier demi-cylindre correspond à la face latérale opposée à la face latérale interne et peut être désignée par face latérale extérieure.
Lorsque les deux demi-cylindres sont assemblés et que la structure cylindrique ainsi formée est introduite dans le corps principal, tous les fils métalliques doivent être tirés depuis l’ouverture par laquelle ils avaient été préalablement introduits dans le corps principal.
En outre, le système de détermination de coefficient d'échange thermique peut être utilisé selon le même procédé que pour un système de détermination de coefficient d'échange thermique de l’état de la technique, et l’inventeur a démontré qu’il permettait de conserver au moins la même précision de mesure.
Ainsi, le procédé de détermination du coefficient d'échange thermique entre un fluide et une paroi en un point PNd'une surface de la paroi en contact avec le fluide, utilisant le système de détermination de coefficient d'échange thermique selon l’invention, comprend :
- une mesure d'une première valeur de température TP1de la paroi en un point P1situé à une distance d1 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 10µm et 3mm,
- une mesure d'une deuxième valeur de température TP2de la paroi en un point P2sensiblement aligné avec le point P1selon une droite normale à la surface au point PN, le point P2étant situé à une distance d2 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 300µm et 1cm, la distance d2 étant supérieure à la distance d1,
- une mesure d'une valeur de température TFdu fluide en un point PFdu fluide sensiblement aligné avec les points P1et P2, le point PFétant situé à une distance dF de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 10µm et 1cm,
- un calcul d'une température moyenne de paroi TPà partir des première et deuxième valeurs de température TP1et TP2,
- un calcul de flux thermique Φ tel que :

où λ est la conductibilité thermique de la paroi, et
- un calcul du coefficient d'échange thermique h tel que :
Selon un mode de réalisation, la température moyenne de paroi TPest calculée par la méthode de Beck.
Selon un mode de réalisation, lorsque le dispositif de mesure de température comprend un premier fil métallique complémentaire pour former un troisième thermocouple de paroi, le procédé comprend la mesure d’une troisième valeur de température de paroi TP3en un point P3sensiblement aligné avec les points P1, P2et PF, le point P3étant situé à une distance d3 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 1mm et 3cm, la distance d3 étant supérieure à la distance d2, la troisième valeur de température de paroi TP3étant une valeur de température utilisée comme condition aux limites pour le calcul du coefficient d'échange thermique.
Selon un mode de réalisation particulier, la troisième valeur de température de paroi TP3est utilisée pour un calcul de flux thermique supplémentaire Φatel que
; ou
.
Selon un mode de réalisation, une fonction de cohérence qui estime une incertitude de la valeur calculée du coefficient d'échange thermique est calculée.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquelles
illustre un dispositif de mesure de température compris dans un système de détermination du coefficient d'échange thermique de l’art antérieur.
et
illustrent un dispositif de mesure de température particulier compris dans un système de détermination du coefficient d'échange thermique de l’art antérieur.
et
représentent des piquages respectivement à 90° ou 45° d’une canalisation de faible diamètre sur une canalisation principale de plus grand diamètre.
représente un T entre deux canalisations de même diamètre.
schématise de manière très simplifiée un phénomène fluide et thermique dans un piquage de faible diamètre sur une canalisation principale.
et
représentent un dispositif de mesure de température compris dans un système de détermination du coefficient d'échange thermique de l’art antérieur et installé dans une canalisation de faible diamètre.
représente une canalisation de diamètre DN50 dans lequel est installé un dispositif de mesure de température compris dans un système de détermination du coefficient d'échange thermique de l’art antérieur.
représente une canalisation de diamètre DN18 dans lequel est installé un dispositif de mesure de température compris dans un système de détermination du coefficient d'échange thermique selon l’invention.
représente une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de mesure de température qui participe à un système de détermination du coefficient d'échange thermique conforme à l'invention.
représente une vue en coupe transversale d’un détail du dispositif de mesure de température de la .
représente une implantation d’un dispositif de mesure de température selon l’invention dans une paroi de canalisation.
représente un dispositif de mesure de température selon l’invention comparé avec un dispositif de mesure de température de l’art antérieur.
représente un schéma de principe de système de mesure du coefficient d'échange thermique conforme à l'invention.
représente un exemple de mesures de températures fluide et paroi délivrées par un dispositif de mesure de température d’un système de détermination du coefficient d'échange thermique de l’art antérieur.
représente un exemple d’évolution temporelle du coefficient d'échange thermique délivré par un système de détermination de coefficient d'échange thermique de l’art antérieur.
représente un exemple de mesures de températures fluide et paroi délivrées par un dispositif de mesure de température d’un système de détermination du coefficient d'échange thermique conforme à l'invention.
représente un exemple d’évolution temporelle du coefficient d'échange thermique délivré par un système de détermination de coefficient d'échange thermique conforme à l'invention.
Description détaillée de l’invention
Les figures 1 à 6A ont été décrites dans la partie « Etat de la technique » de la présente description et ne seront pas reprises ici.
Les figures 7A et 7B représentent une coupe longitudinale selon la direction Z d’un dispositif de mesure de température qui participe à un système de détermination du coefficient d'échange thermique selon l’invention. La direction X correspond à la direction principale d’écoulement du fluide F. La direction Z correspond à la direction du flux thermique Φ dans la paroi P d’une canalisation.
Le dispositif de mesure de température 10 représenté comprend un corps principal 11 et trois thermocouples Th1, Th2, Th3 destinés à être intégrés dans la paroi P et un capteur de température ThF destiné à être placé dans le fluide F. Les thermocouples Th1, Th2 et Th3 sont aptes à prélever la température en des points respectifs P1, P2et P3de la paroi et le capteur de température ThF est apte à prélever la température en un point PFdu fluide.
De préférence, le corps principal est en le même matériau que la paroi de la canalisation, afin de ne pas perturber le flux thermique. Le corps principal peut être en acier inoxydable, par exemple en 304L.
Chaque thermocouple Th1, Th2 et Th3 est formé respectivement par un premier fil métallique 121, 122 et 123 et par une structure interne 13 logée dans le corps principal 11 du dispositif de mesure et dans laquelle sont logés les premiers fils métalliques. Chaque premier fil métallique est en un premier matériau métallique constituant un des deux métaux d’un thermocouple et la structure interne est en un second matériau métallique différent du premier matériau métallique et constituant l’autre des deux matériaux d’un thermocouple. Une des extrémités de chacun des premiers fils métalliques est soudée dans ladite structure interne 13 formant une jonction de mesure d’un thermocouple. Ces extrémités formant jonction de mesure sont placées aux points respectifs P1, P2et P3.
Les points P1, P2et P3sont préférentiellement sensiblement alignés selon une droite normale, en un point PN, à la surface de la paroi qui est au contact du fluide. Ils sont aussi sensiblement alignés avec le point PFdu fluide. La droite normale n telle que représentée en correspond sensiblement à la direction Z.
L’autre extrémité de chacun des premiers fils métalliques 121, 122 et 123 est connectée à des moyens de mesure, comprenant typiquement un voltmètre et/ou un convertisseur, de manière connue de l’homme du métier pour tout thermocouple (non représentés).
Les premiers fils métalliques 121, 122 et 123 en le premier matériau des thermocouples de paroi Th1, Th2 et Th3 sont maintenus dans la structure cylindrique 13 qui est formée par deux demi-cylindres 131, 132. La droite normale selon laquelle sont alignés les points P1, P2et P3est confondue avec l'axe de la structure cylindrique 13 formée par les deux demi-cylindres 131, 132, et est dans la direction Z. Cela correspond également à l’axe principal du corps principal 11 qui est également en forme de cylindre droit.
Plus précisément, dans le dispositif de mesure représenté, les premiers fils métalliques 121, 122, 123 sont disposés dans des cheminements prévus 131A à 131E (formés par usinage, par exemple fraisage, gravure …) dans un premier demi-cylindre 131. Les cheminements sont représentés de manière plus précise dans la . Ils sont réalisés par un usinage de l’ordre de 50µm à 150µm de profondeur (de manière plus générale la profondeur d’usinage est adaptée au diamètre des fils), sauf au niveau des jonctions qui sont dans les cheminements 131C, 131D et 131E où l’usinage est plus profond, de l’ordre de 300µm (de manière plus générale, la profondeur d’usinage est ici adaptée au diamètre des fils et surtout de la soudure de jonction).
Par ailleurs, la structure interne 13 est reliée, par exemple par soudure, au niveau d’une de ses surfaces extérieures à un second fil métallique 124 de même matériau métallique que ladite structure interne (c’est-à-dire en le second matériau métallique), permettant de prolonger ledit second matériau métallique en dehors du corps principal (et de le relier, comme les premiers fils métalliques 121, 122 et 123, aux moyens de mesure à l’extérieur dudit corps principal). Ainsi, le second fil métallique 124 est relié à l’une de ses extrémités sur la structure interne 13, et est connecté via son autre extrémité aux moyens de mesure. Avec une structure interne en deux demi-cylindres, le second fil métallique 124 est relié sur le même demi-cylindre que celui dans lequel sont soudés les premiers fils métalliques 121, 122 et 123 (c’est-à-dire ici le premier demi-cylindre 131).
De manière avantageuse, la structure interne peut être reliée à plusieurs seconds fils métalliques en le second matériau métallique, par exemple deux ou trois seconds fils métalliques. Cela permet de parer à une éventuelle dégradation d’un second fil métallique, ou d’une soudure entre un second fil métallique et ladite structure interne. Chacun de ses seconds fils métalliques est relié à l’une de ses extrémités sur la structure interne 13, et est connecté via son autre extrémité aux moyens de mesure. Avec une structure interne en deux demi-cylindres, tous les seconds fils métalliques sont reliés à l’une des faces extérieures du même demi-cylindre que celui dans lequel sont soudés les premiers fils métalliques (c’est-à-dire ici le premier demi-cylindre).
Les premiers fils métalliques 121, 122 et 123 sont préférentiellement recouverts d’un isolant électrique hormis leurs extrémités de jonction, par exemple d'une unique et fine couche de Kapton®de quelques microns d'épaisseur (absence de magnésie et de gaine).
De même, le second fil métallique 124 (ou les seconds fils métalliques) est (sont) préférentiellement recouvert(s) d’un isolant électrique hormis leurs extrémités de jonction, par exemple d'une unique et fine couche de Kapton®de quelques microns d'épaisseur (absence de magnésie et de gaine).
Les premiers fils métalliques 121, 122 et 123 des thermocouples ont un diamètre typiquement compris entre 20µm et 200µm. Préférentiellement le diamètre des fils métalliques est égal à 25µm.
De même, le second fil métallique 124 (ou les seconds fils métalliques) prolongeant la structure cylindrique 13 a (ont) un diamètre typiquement compris entre 20µm et 200µm. Préférentiellement le diamètre du (des) second(s) fil(s) métallique(s) est égal à 25µm.
Les premier et deuxième thermocouples de paroi Th1 et Th2 sont placés à proximité de la surface de la paroi P.
Le premier thermocouple Th1, qui est le plus proche du fluide, est situé à une distance d1 de la surface de la paroi P typiquement comprise entre 10µm et 3mm, par exemple 300µm.
Le deuxième thermocouple Th2, qui est plus éloigné du fluide que le premier thermocouple Th1, est situé à une distance d2 de la surface de la paroi P typiquement comprise entre 100µm et 1cm, par exemple 500µm.
Le troisième thermocouple Th3 a pour fonction de délivrer une température qui est utilisée comme condition aux limites dans les calculs mis en œuvre par le calculateur C décrit plus après en relation avec la . La température délivrée par le troisième thermocouple Th3 est alors considérée comme la température d'un mur semi-infini.
Le troisième thermocouple Th3 est monté dans le dispositif de mesure en même temps que les premier et deuxième thermocouples Th1 et Th2. Du fait de sa fonction, contrairement aux autres capteurs, le troisième thermocouple Th3 n'est pas placé de façon préférentielle à proximité de la surface de la paroi P en contact avec le fluide.
Ainsi, le troisième thermocouple Th3, qui est le plus éloigné du fluide, est placé à une distance d3 typiquement comprise entre 1mm et 3cm du fluide, par exemple 2,5mm.
Selon un mode de réalisation alternatif non représenté, le troisième thermocouple peut être omis. Dans ce mode de réalisation alternatif, le dispositif de mesure de température comprend deux premiers fils métalliques en le premier matériau métallique et au moins un second fil métallique en le second matériau métallique relié, par exemple soudé, sur la structure interne.
De préférence, le capteur de température de fluide ThF est un thermocouple. Son diamètre est typiquement compris entre 0,2 et 0,5 millimètre. Le thermocouple ThF est par exemple un thermocouple standard comprenant deux fils de thermocouple isolés entre eux et contenus dans une gaine en acier inoxydable.
De façon générale, le diamètre du thermocouple ThF est choisi en rapport avec la bande passante en fréquence que l’on souhaite obtenir.
Le capteur de température de fluide ThF est orienté pour faire face à l'écoulement du fluide F (représenté par la flèche horizontale) afin de ne pas perturber cet écoulement.
Le capteur de température de fluide ThF est situé à une distance dF de la surface de la paroi P typiquement comprise entre 10µm et 1cm, par exemple 2000µm.
De façon plus générale, le capteur de température ThF présent dans le fluide F doit être, à la fois, suffisamment éloigné des premier et deuxième thermocouples Th1 et Th2 qui sont placés dans la paroi P afin de ne pas perturber la mesure de flux thermique mise en œuvre par le procédé de l'invention et suffisamment proche de ces mêmes thermocouples pour que puisse s'établir une bonne corrélation entre la mesure de température du fluide et les mesures de température dans la paroi.
En outre, la conductibilité thermique de la paroi est un paramètre essentiel qui conditionne le choix des valeurs qui sont données aux distances d1 et d2.
Par ailleurs, pour une configuration donnée d'un dispositif de mesure de l'invention quant aux distances dF et d1, il a été montré que la corrélation entre la température TFdu fluide mesurée par le thermocouple ThF et la température TP1de paroi mesurée par le premier thermocouple Th1, qui est le plus proche du fluide, doit être supérieure à un seuil afin d'obtenir un résultat de calcul fiable du coefficient d'échange thermique. Ce seuil de corrélation peut être égal, par exemple, à 80%. En dessous du seuil de corrélation, il existe une incertitude quant à la fiabilité du résultat obtenu.
Avantageusement, le procédé de l'invention prévoit le calcul d'une fonction de cohérence (fonction d'inter-corrélation dans la représentation spectrale) qui estime l'incertitude de la valeur du coefficient d'échange calculé
La représente une implantation du dispositif de mesure de température selon l’invention dans une paroi P de canalisation.
Comme représenté en , la position du corps principal 11 dans la paroi P et, partant, des thermocouples Th1 et Th2 (et Th3 le cas échéant) par rapport au fluide F est mécaniquement ajustée, par exemple à l'aide d'une cale 16. Le corps principal 11 est fixé à la position choisie dès lors que la face de la structure cylindrique interne 13 qui est au contact du fluide affleure la surface interne SP de la paroi P. Un écrou 18 peut contribuer à fixer le corps principal 11 dans la paroi P. L'étanchéité est généralement assurée par un ou plusieurs joints toriques 17 judicieusement disposés.
Le montage du dispositif de mesure comprend, tout d'abord, la formation du dispositif de mesure, puis son intégration dans la paroi de la canalisation.
La formation du dispositif de mesure 10 comprend les étapes suivantes :
- les premiers fils métalliques 121 et 122 (et éventuellement 123) qui forment les premiers matériaux métalliques des premier et deuxième thermocouples Th1 et Th2 (et éventuellement du troisième Th3) sont acheminés dans un passage 14 formé dans le corps principal 11, et ceci, jusqu'à ce que ces fils débouchent au-delà d'une cavité 111 ouverte formée dans le corps principal et destinée à recevoir la structure cylindrique 13 qui sera formée par l'assemblage des deux demi-cylindres 131, 132 et qui constitue le second matériau métallique des thermocouples ;
- le(s) second(s) fil(s) métallique(s) 124 est (sont) acheminé(s) dans le passage 14 formé dans le corps principal 11 jusqu’à déboucher dans la cavité 111 ouverte formée dans le corps principal et destinée à recevoir la structure cylindrique 13 ;
- les premiers fils métalliques 121 et 122 (et éventuellement 123) en le premier matériau sont guidés dans des premiers cheminements 131A, 131B préalablement usinés dans un premier demi-cylindre 131 (la profondeur de ces premiers cheminements est entre 50µm à 150µm, et de manière plus générale est adaptée au diamètre des premiers fils) et les extrémités desdits premiers fils métalliques sont disposés jusqu’à des seconds cheminements 131C, 131D (et éventuellement 131E lorsqu’il y a un troisième fil métallique 123) disposés en partie centrale du premier demi-cylindre : les seconds cheminements sont usinés plus profondément que les premiers cheminements de manière à ce que le point de soudure formant jonction ne dépasse pas le plan de joint du premier demi-cylindre (la profondeur est de l’ordre de 300µm et de manière plus générale, est adaptée au diamètre des premiers fils et de la soudure de jonction) ;
- une fois disposés dans tous les cheminements usinés, les premiers fils métalliques en le premier matériau sont fixés dans les premiers cheminements (par exemple les corps desdits fils sont fixés par des points de colle) et chacune des extrémités desdits premiers fils métalliques est soudée au niveau des seconds cheminements au premier demi-cylindre pour former les jonctions des thermocouples ;
- le capteur de température fluide ThF pour la mesure de température du fluide est introduit dans un perçage 15 formant un trou débouchant de faible diamètre dans le corps principal 11 jusqu'à ce que l'extrémité libre du capteur de température fluide débouche au-delà du corps principal 11 ;
- une soudure d’étanchéité est effectuée à la base du capteur de température fluide pour éviter la remontée du fluide à l’intérieur du corps principal via le perçage 15 ;
- le(s) second(s) fil(s) métallique(s) 124 est (sont) soudés sur le premier demi-cylindre 131 ;
- le deuxième demi-cylindre 132 (non usiné) est assemblé en face du premier demi-cylindre 131 afin de constituer la structure cylindrique 13 dans lequel sont fixés les premiers fils métalliques (assemblage par exemple par soudure) ;
- la structure cylindrique 13 ainsi formée est introduite dans la cavité ouverte 111 formée dans le corps principal 11 mentionnée précédemment (par exemple par ajustement glissant serré) de telle sorte que la structure cylindrique 13 affleure la face du corps principal qui délimite l'ouverture de la cavité ouverte;
- la structure cylindrique 13 est assemblée au corps principal 11 puis une soudure d’étanchéité est effectuée entre le corps principal 11 et la structure cylindrique 13, et également entre les 2 demi-cylindres 131 et 132 de manière à ce qu’aucune remontée de fluide ne passe à l’intérieur du dispositif de mesure ;
- le thermocouple ThF est replié dans une position destinée à l'orienter face à l'écoulement du fluide F.
L'intégration du dispositif de mesure 10 dans la paroi P de la canalisation comprend les étapes suivantes :
- le dispositif de mesure 10 est introduit dans une cavité de la paroi P formée à cet effet, l'introduction dudit dispositif s'accompagnant de la mise en place, au contact de la paroi P, de cales 16 adaptées pour ajuster la position de la face dudit dispositif destinée à être au contact du fluide (la face du dispositif de mesure destinée à être au contact du fluide est ainsi positionnée de façon à affleurer la surface interne SP de la paroi P) ;
- l'étanchéité du dispositif de mesure est formée à l'aide d’au moins un joint torique 17 disposé de manière adaptée entre ledit dispositif et la paroi pour assurer l’étanchéité entre le dispositif de mesure 10 et la paroi P ; et
- le dispositif de mesure est fixé dans la paroi P, par exemple à l'aide d'au moins un écrou 18.
La représente un dispositif de mesure de température de l’état de la technique DF comparé avec un dispositif de mesure de température 10 selon l’invention.
Cette figure permet de voir en quoi l’invention permet de réduire le diamètre du dispositif de mesure en supprimant au moins la moitié du diamètre de la structure cylindrique formée par l'assemblage des deux demi-cylindres. On peut réduire ainsi le diamètre de chaque demi-cylindre d’au moins 2 millimètres. On peut réduire davantage le diamètre du dispositif de mesure en réduisant le diamètre du capteur de température fluide, par exemple du thermocouple fluide, par exemple à 0,3 millimètre au lieu de 0,5 millimètre (et par là même on réduit le diamètre du trou débouchant qui le fait traverser dans le corps principal).
En réduisant de manière optimisée le diamètre du corps principal, on peut obtenir un dispositif de mesure dont le diamètre est réduit de 6 millimètres à 2,5 millimètres, ce qui convient notamment à des canalisations par exemple de type DN18 ou moins.
Le dispositif de mesure de température qui participe au système de détermination du coefficient d'échange thermique selon l’invention peut ainsi être intégré dans des canalisations de petit diamètre, comme représenté en .
La représente un schéma de principe de système de détermination de coefficient d'échange thermique qui met en œuvre le procédé de mesure de l'invention. Le système de détermination du coefficient d'échange thermique comprend un dispositif de mesure de température 10 conforme à l'invention et un calculateur C qui calcule le coefficient d'échange thermique à partir des mesures de température délivrées par le dispositif de mesure 10 et de données telles que la conductibilité thermique de la paroi (λ), la masse volumique de la paroi fluide (ρ), et/ou la capacité thermique de la paroi (Cp).
Dans la description qui suit, le procédé de l'invention est tout d'abord décrit en référence à un dispositif de mesure qui ne comprend pas de troisième thermocouple dans la paroi P.
A un instant t, le dispositif de mesure de température 10 fournit une mesure de température de fluide TF délivrée par le capteur de température de fluide ThF et deux mesures de température de paroi TP1 et TP2 délivrées par les thermocouples de paroi respectifs Th1 et Th2. La position des capteurs de température est telle que toutes les mesures de température sont prises sensiblement à une même abscisse x selon la direction X telle que représentée dans les figures 7A ou 8. La droite normale est désignée n et est représentée dans la .
Les températures TF(t, x), TP1(t, x) et TP2(t, x) sont transmises au calculateur C. A partir des températures TP1(t, x) et TP2(t, x), le calculateur C calcule la température de paroi TP(t, x) et le flux thermique Φ(t, x).
La température de paroi TP(t, x) est calculée, de façon connue en soi, par la méthode de Beck.
Le flux thermique Φ(t, x) est donné par l'équation :

où λ est la conductibilité thermique de la paroi P, et correspond au vecteur de la droite normale n dont le sens est dirigé depuis le fluide vers la paroi.
Le coefficient d'échange thermique h(t, x) est alors déduit à l'aide de l'équation :
En sortie du calculateur C, l'algorithme est ainsi susceptible de proposer, en fonction du temps et au point considéré d'abscisse x de la paroi P :
- La température du fluide (moyenne et écart type) ;
- La température de paroi au niveau du thermocouple Th1 (moyenne et écart type) ;
- La température de paroi au niveau du thermocouple Th2 (moyenne et écart type) ;
- La température de la paroi (moyenne et écart type) ;
- Le coefficient d'échange thermique h (moyen et écart type) .
Lorsque seuls les deux thermocouples Th1 et Th2 sont placés dans la paroi P, les conditions aux limites relatives à la température sont fixées a priori, par toute valeur considérée comme apte à pouvoir être utilisée.
De façon préférentielle, les données délivrées par le calculateur C sont exprimées dans le domaine fréquentiel. C'est ainsi que le calculateur C délivre préférentiellement la densité spectrale de puissance DSP[h(ν, x)] à partir de la transformée de Fourier du coefficient d'échange h(t, x).
Le procédé de l'invention calcule alors, pour chaque pas ν de fréquence, l'expression suivante :
Avec
L'algorithme prévoit une option selon laquelle la détermination de la densité spectrale de puissance DSP[ΔT] est calculée en supposant les signaux de mesure représentatifs des températures TFet TPsans déphasage (signaux synchrones).
Dans ce cas, la densité spectrale de puissance DSP[ΔT] s'écrit :
Comme cela a été mentionné précédemment, le procédé de l'invention calcule une fonction de cohérence, ou fonction d'inter-corrélation en représentation spectrale, qui estime l'incertitude de la valeur du coefficient d'échange.
Le procédé de l'invention est maintenant décrit dans le cas où un troisième thermocouple Th3 est placé dans la paroi P, comme illustré en figures 7A et 8. Dans ce cas, la température TP3qui est mesurée par le troisième thermocouple Th3 est utilisée comme condition aux limites dans les calculs mis en œuvre par le calculateur C.
Par ailleurs, la connaissance de la température TP3délivrée par le troisième thermocouple Th3 permet, avantageusement, de calculer, en plus du flux thermique Φ mentionné précédemment, le flux thermique supplémentaire Φa(t, x) tel que :
Ou
Les flux thermiques Φ(t, x) et Φa(t, x) sont alors comparés et, si ces flux sont sensiblement égaux, il est possible de conclure que ni puits de chaleur ni source de chaleur ne perturbent la mesure du flux thermique. On dit alors que l'on se trouve dans une situation purement 1D.
Un autre avantage de l'invention est de permettre l'établissement d'une cartographie précise du coefficient d'échange thermique sur la base d'une pluralité de mesures faites, en différents points, à l'aide de différents dispositifs de mesure.
Un exemple de mesures de températures fluide (TF) et paroi (TP1, TP2, TP3) délivrées en réponse à un choc froid par un dispositif de mesure de température compris dans un système de détermination du coefficient d'échange thermique conforme à l’invention est donné en en comparaison avec des mesures de températures fluide et paroi délivrées par un dispositif de mesure de température compris dans un système de détermination du coefficient d'échange thermique de l’art antérieur données en (mesurées dans les même conditions).
Dans ces exemples, le débit de fluide est un débit d’eau de 31 m3/h. La température initiale de l’eau circulant dans la canalisation est de 62°C et à la suite d’un choc froid la température finale de l’eau circulant dans la canalisation est de 20°C.
Les deux dispositifs de mesures étaient disposés dans la tuyauterie à une vingtaine de centimètres l’un de l’autre, comme représenté de manière schématique en , mais ils étaient également sur des positions azimutales légèrement différentes.
Dans les deux cas, la température paroi (TP) est calculée par la méthode de Beck.
Les mesures du coefficient d'échange (h) en fonction du temps (s) issues des mesures de températures fluide et paroi des figures 11A et 12A sont données en figures 11B (pour un système de l’art antérieur) et 12B (pour un système conforme à l’invention). Le coefficient h(s) est exprimé en W/m2/K.104.
Ces mesures et calculs ont permis de démontrer qu’il est possible de conserver la même précision de mesure pour un dispositif de mesure de température et un système de détermination de coefficient thermique selon l’invention. En effet, compte tenu de la position relative des deux dispositifs de mesure, les écarts sur la valeur moyenne (4,5%) et l’écart type du coefficient d’échange sont tout à fait en accord avec le niveau d’incertitude admis. La dispersion des mesures de coefficient d’échange est même moins importante pour le système selon l’invention.
Les différents modes de réalisation présentés peuvent être combinés entre eux.
En outre, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation entrant dans la portée des revendications.

Claims (10)

  1. Système de détermination de coefficient d'échange thermique entre un fluide (F) et une paroi (P) en un point PNd'une surface de la paroi (P) en contact avec le fluide (F), caractérisé en ce qu'il comprend :
    - un dispositif de mesure de température (10) comprenant :
    -- un corps principal (11) destiné à être intégré dans la paroi (P) ;
    -- au moins deux premiers fils métalliques (121, 122) traversant au moins une partie du corps principal (11) ;
    -- une structure interne (13) assemblée au corps principal (11) et dans lequel sont logés les premiers fils métalliques (121, 122), lesdits premiers fils métalliques étant en un premier matériau métallique constituant le premier des deux métaux d’un thermocouple et la structure interne (13) étant en un second matériau métallique différent du premier matériau métallique et constituant l’autre des deux matériaux d’un thermocouple, une des extrémités de chacun desdits premiers fils métalliques étant soudée à la structure interne (13) formant ainsi une jonction de mesure d’un thermocouple ;
    -- au moins un second fil métallique (124) en le second matériau métallique, ledit au moins un second fil métallique traversant au moins une partie du corps principal (11) et étant connecté à la structure interne (13) ;
    la structure interne (13) et les premiers fils métalliques (121, 122) formant ainsi au moins deux thermocouples de paroi (Th1, Th2), dont un premier thermocouple (Th1) mesure une première valeur de température TP1de la paroi en un premier point P1situé à une distance d1 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 10µm et 3mm et un deuxième thermocouple (Th2) mesure une deuxième valeur de température TP 2de la paroi en un deuxième point P2sensiblement aligné avec le premier point P1selon une droite normale à la surface au point PN, le deuxième point P2étant situé à une distance d2 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 300µm et 1cm, la distance d2 étant supérieure à la distance d1, et
    -- un capteur de température de fluide (ThF) placé en un point PFdu fluide sensiblement aligné avec les premier et deuxième points P1et P2, le point PFétant situé à une distance dF de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 10µm et 1cm, et
    - un calculateur (C) comprenant :
    -- des premiers moyens pour calculer, à partir des première et deuxième valeurs de température TP 1et TP 2, une valeur de température moyenne de paroi TPet un flux thermique Φ donné par l'équation :

    où λ est la conductibilité thermique de la paroi ; et
    -- des seconds moyens pour calculer, à partir de la température de fluide TF, de la température moyenne de paroi TPet du flux thermique Φ, le coefficient d'échange thermique h sous la forme :
    .
  2. Système selon la revendication 1 dans lequel le dispositif de mesure de température (10) comprend un premier fil métallique complémentaire (123) en le premier matériau métallique constituant le premier des deux matériaux d’un troisième thermocouple (Th3), une des extrémités dudit premier fil métallique complémentaire étant soudée à la structure interne (13) formant ainsi une jonction de mesure du troisième thermocouple (Th3) qui mesure une troisième valeur de température TP3de la paroi en un point P3sensiblement aligné avec les points P1, P2et PF, le point P3étant situé à une distance d3 de la surface de la paroi sensiblement comprise entre 1mm et 3cm, la distance d3 étant supérieure à la distance d2.
  3. Système selon la revendication 2 dans lequel le calculateur (C) comprend des troisièmes moyens pour calculer, à partir de la première valeur de température TP1, ou de la deuxième valeur de température TP2, et de la troisième valeur de température TP3, un flux thermique supplémentaire Φadonné par l'équation
    ;
    ou par l’équation
    .
  4. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’un parmi le premier matériau métallique et le second matériau métallique est du chromel ou du fer tandis que l’autre parmi le premier matériau métallique et le second matériau métallique est de l’alumel®ou du constantan®, formant ainsi des thermocouples de paroi de type K ou de type J.
  5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le diamètre des premiers fils métalliques (121, 122, 123) et/ou du au moins un second fil métallique (124) est inférieur ou égal à 100µm, de préférence inférieur ou égal à 50 µm, et encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 25µm.
  6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le capteur de température de fluide (ThF) est un thermocouple de diamètre inférieur ou égal à 0,3 millimètre.
  7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, la structure interne (13) étant une structure en forme de cylindre droit formée par un assemblage de deux demi-cylindres (131, 132), la droite normale à la surface de la paroi au point PNétant un axe central dudit cylindre droit, une face du cylindre droit au contact avec le fluide (F) étant destiné à affleurer la surface (SP) de la paroi (P).
  8. Système selon la revendication 7, les premiers fils métalliques (121, 122, 123) étant disposés dans des cheminements prévus dans un premier demi-cylindre (131), lesdits cheminements consistant en un usinage de la face latérale intérieure dudit premier demi-cylindre.
  9. Procédé de fabrication d’un dispositif de mesure de température (10) participant à un système de détermination du coefficient d'échange thermique selon l’une des revendications 1 à 8, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    - réalisation de cheminements (131A, 131B, 131C, 131D, 131E) dans la structure interne (13), lesdits cheminements étant adaptés pour acheminer les premiers fils métalliques (121, 122, 123) en le premier matériau métallique ;
    - introduction des premiers fils métalliques dans le corps principal (11) ;
    - acheminement des premiers fils métalliques dans les cheminements ;
    - soudure des extrémités libres des premiers fils métalliques dans la structure interne (13) de manière à former les jonctions des thermocouples (Th1, Th2, Th3) ;
    - introduction du au moins un second fil métallique (124) dans le corps principal (11) ;
    - réalisation de la liaison du au moins un second fil métallique sur la structure interne (13) ;
    - assemblage de la structure interne (13) au corps principal (11) ;
    - introduction du capteur de température fluide (ThF) à travers le corps principal (11) jusqu'à ce que l'extrémité libre dudit capteur de température fluide débouche au-delà du corps principal (11) ;
    - et, de préférence, pliage de l'extrémité libre du capteur de température fluide (ThF) dans une position destinée à l'orienter face à l'écoulement du fluide F dans la canalisation.
  10. Procédé de fabrication d’un dispositif de mesure de température (10) participant à un système de détermination du coefficient d'échange thermique selon la revendication 8, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    - fourniture des deux demi-cylindres (131, 132) aptes à former une structure interne (13) en le second matériau métallique;
    - réalisation de cheminements (131A, 131B, 131C, 131D, 131E) dans la face latérale intérieure du premier demi-cylindre (131), lesdits cheminements étant adaptés pour acheminer les premiers fils métalliques (121, 122, 123) en le premier matériau métallique ;
    - introduction des premiers fils métalliques dans le corps principal (11) ;
    - acheminement des premiers fils métalliques dans les cheminements ;
    - soudage des extrémités libres des premiers fils métalliques sur la face latérale intérieure du premier demi-cylindre de manière à former les jonctions des thermocouples (Th1, Th2, Th3) ;
    - introduction du (des) second(s) fil(s) métallique(s) (124) dans le corps principal ;
    - réalisation de la liaison du (des) second(s) fil(s) métallique(s) sur la face latérale extérieure du premier demi-cylindre ;
    - assemblage du premier et du second demi-cylindre de manière à former la structure interne cylindrique (13) ;
    - assemblage de la structure interne cylindrique (13) formée dans le corps principal (11) ;
    - réalisation de l’étanchéité entre le premier et du second demi-cylindre, et entre la structure interne cylindrique et le corps principal ;
    - introduction du capteur de température fluide (ThF) à travers le corps principal (11) jusqu'à ce que l'extrémité libre dudit capteur débouche au-delà du corps principal (11) ;
    - et, de préférence, pliage de l'extrémité libre du capteur de température fluide (ThF) dans une position destinée à l'orienter face à l'écoulement du fluide F dans la canalisation.
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Title
OLIVIER BRAILLARDYVON JARNYGUILLAUME BALMIGERE: "Thermal load détermination in the mixing tee impacted by a turbulent flow generated by two fluids at large gap of temperature", 13TH INTERNATIONAL CONFÉRENCE ON NUCLEAR ENGINEERING, 16 May 2005 (2005-05-16)

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