La variation de la température de l’eau

Conception et principe de fonctionnement du pilote

Tout d’abord, avant d’arriver à la mise en place concrète d’un pilote opérationnel apte à réaliser des expériences pertinentes quant à la dissolution de l’oxygène dans l’eau, un premier banc d’essai préliminaire et exploratoire a été construit. Les nombreuses expériences ont été réalisées afin d’obtenir des informations sur les variables importantes à considérer initialement. Elles ont permises de se familiariser avec certains aspects techniques concernant les appareils de mesures, la technique de désoxygénation de l’eau et une prévisualisation du protocole d’expérience utilisant l’oxygène de l’air comprimé comme gaz servant aux expérimentations. Il fallait être en mesure de désoxygéner un certain volume d’eau, de le faire passer dans le pilote tout en lui ajoutant de l’air et de mesurer la quantité d’oxygène qui était alors dissous durant ce passage. Bref ce premier contrôle a permis de définir les balises initiales de conception du pilote qui se résume à travers la schématisation de la figure 3.1.

Le pilote est donc construit suivant ce schéma général. La figure 3.2 en est une représentation physique. Son fonctionnement, en lien avec les figures précédentes se résume ainsi. Tout d’abord, le réservoir est initialement rempli de l’eau d’essai à utiliser suivant le cas. Les deux réservoirs et la pompe constitue la zone de propulsion sur le schéma. En démarrant la pompe, un débitmètre situé après celle-ci sur le circuit d’eau permet de mesurer le débit qui pourra varier entre 3 L/min et 15 L/min. Cette mesure sert à établir le ratio G/L de la phase gazeuse sur la phase liquide alors que le débit de gaz est également mesuré pour ce faire. En effet, la zone de production est la partie associée au circuit de gaz de sa source jusqu’à l’injecteur. Sur le circuit du gaz, trois débitmètres offrant des échelles de mesures allant de 0 à 36 mL/min, 30 à 300 mL/min et 600 à 6000 mL/min sont installés. L’ANNEXE III présente la méthode de calibration utilisée en raison d’un intérêt pratique.

Il y a également deux manomètres qui sont installés; l’un à la sortie de la ligne d’air comprimé et l’autre à l’entrée de l’injecteur. Le premier mesure la pression de sortie du gaz qui est maintenue à un bar. Le dernier est un témoin de l’aspiration présente ou non à l’injection du gaz. Il y a aussi un thermomètre présent pour mesurer la température. Par la suite, l’eau et le gaz vont se rencontrer dans la zone de diffusion qui est celle constituée d’un injecteur venturi, du tuyau entrant dans la colonne d’eau, de cette même colonne et du circuit d’eau retournant dans les réservoirs. La pression d’eau est mesurée tout le long du circuit à l’aide de cinq manomètres. Ils permettent d’établir la perte de charge à l’entrée de l’injecteur, à sa sortie, au sommet de la colonne d’eau et sur les deux lignes d’eau sortant de la colonne avant de revenir aux réservoirs. La zone de diffusion est divisée en quatre zones d’intérêt technique. Il y a la rencontre initiale des deux phases qui se fait à travers la zone d’injection. Elle se poursuit avec la zone de contact primaire qui relie l’injecteur à la zone du diffuseur. Finalement, l’intérieur de la colonne d’eau constitue principalement la zone de contact secondaire.

La transparence de la zone de contact secondaire est nécessaire afin de rendre possible l’utilisation de la caméra à capture rapide afin d’observer le comportement des bulles et de leur mélange. Par la suite, c’est le retour de l’eau dans la zone de propulsion. Cependant, une fraction de cette dernière est dérivée vers les sondes de mesures. Ces dernières sont introduites dans des cylindres ouverts contenant l’eau en circulation. Le positionnement de ces cylindres doit être ajusté à chaque expérience pour s’assurer de l’équilibre hydrique et d’une prise de mesure adéquate. Une caméra numérique est utilisée pour filmer en continu le cadran des divers appareils mesurant le taux en oxygène, la conductivité, le pH et la température de l’eau. Finalement, le pilote permet de ramener l’eau d’essai initialement pompée soit dans le même réservoir, ce qui est appelé un circuit fermé, ou bien dans un second réservoir qui est appelé un circuit ouvert. Une description plus exhaustive du matériel important utilisé et de quelques caractéristiques associées à l’utilisation du pilote lors des expérimentations est faite au tableau 3.1.

Plan d’expérimentation Tout d’abord, la réalisation d’une expérience est orientée de la façon suivante : il faut être en mesure de dissoudre de l’oxygène dans l’eau comme critère de base pour évaluer la performance du pilote suivant des conditions fixées appelées configuration. Une configuration du pilote consiste au sens large à fixer toutes les variables physiques de ce dernier lors d’une expérience; de sa conformation physique à sa mécanique interne jusqu’à chaque variables thermodynamiques d’intérêts. La configuration du pilote peut être vue un peu à la manière d’un état thermodynamique; pour le pilote c’est comme une unité de base. Ensuite il faut tester différentes configurations, appelées modes, modifiant physiquement la zone de diffusion du pilote. Le mode est un ensemble de configurations caractérisées par une propriété spécifique et commune; c’est donc un sous-ensemble de l’ensemble des configurations possibles du pilote. Pour bien comprendre, en fixant chaque variable jugée utile ou indépendante pour définir une configuration du pilote, cela définit simultanément autant de modes à lesquelles appartient cette configuration. Dans ce projet, l’appellation cible en priorité celles quant à la conformation physique ou à la structure mécanique interne du pilote pour laquelle de l’information pertinente et technique est recherchée pour fin de comparaison.

L’idée est que deux configurations différentes du pilote, testées suivant deux expériences différentes, peuvent appartenir à un même mode. Le plan se définit à travers 14 expériences répétées minimalement trois fois. Cinq modes spécifiques ciblant la zone de diffusion sont testés. Il y a d’abord le mode jet libre qui est choisi comme le mode de référence pour le pilote. Il est la configuration la plus simple utilisée alors que la zone de contact primaire est un tuyau d’une longueur de 94,0 ± 0,5 cm inséré dans la colonne. Par la suite, les modes subséquents en constituent des variantes. Le mode LTCP est une configuration affectant la « Longueur du Tuyau de Contact Primaire ». Le tuyau est ramené à une longueur de 25,25 ± 0,05 cm. Le mode avec buse est l’ajout d’une buse dans la zone du diffuseur, soit à l’extrémité du tuyau de la zone de contact primaire. Le mode avec mélangeurs statiques consiste à ajouter les mélangeurs dans le tuyau du mode jet libre. Enfin, le mode avec anneaux de Rachig modifie la zone de contact secondaire de la colonne d’eau en lui ajoutant des plaques en aciers inoxydables typiques, appelées anneaux de Rachig. Les détails techniques de ces modifications ont été fournis au tableau 3.1. Les sept premières expériences consistent à faire varier le ratio G/L accessible dans le mode jet libre de référence. Il est nécessaire de préciser qu’il n’y a aucune restriction d’appliquée sur le débit d’eau; ce dernier est le maximum fournit par la pompe dans ces conditions. L’expérience #1 est appelée acquisition du bruit de fond alors que le ratio G/L fixé est nul; c’est-à-dire qu’il n’y a pas de gaz d’ajouté.

La huitième expérience planifiée demeure dans le mode jet libre de référence mais cherche à obtenir de l’information lorsque le ratio G/L de la phase gazeuse sur la phase liquide est conservé; mais que les débits d’eau et de gaz sont différents et nécessairement à la baisse. Cette fois une restriction est appliquée sur le débit d’eau à l’aide de la valve prévue à cette fin. Le ratio G/L ciblé est celui de l’expérience #6 à 0,08 qui est choisie comme base comparative. Ceci explique la notation utilisée dans le titre de ces expériences présentant des fractions dont les numérateurs et dénominateurs déterminent des débits différents, mais que le ratio demeure cependant le même. Le mode buse sert ensuite à définir la neuvième et la dixième expérience. La neuvième est réalisée de sorte que le débit d’eau soit le même que celui de l’expérience #6, obligeant le ratio G/L à tourner autour de 0,05; tandis que la dixième est conçue de sorte d’obtenir le même ratio G/L de 0,08. L’objectif derrière ces expériences est de tirer de l’information concernant l’avantage de modifier la zone du diffuseur. Concernant la onzième et douzième expérience définie, c’est le mode avec mélangeurs statiques qui s’applique. Cette fois, l’information recherchée concerne l’effet de modifier l’intérieur de la zone de contact primaire. Le ratio G/L de 0,08 est visé pour la onzième expérience alors que pour la douzième, c’est le même débit de gaz que l’expérience #6 donnant un ratio G/L tournant autour de 0,098. La treizième expérience est celle avec anneaux de Rachig à un ratio de 0,08. Cette fois la modification concerne la zone de contact secondaire et son remplissage afin d’en évaluer l’importance. Enfin, la quatorzième expérience mesure l’effet de la variation de la longueur de la zone de contact primaire. C’est le mode LTCP évalué pour le ratio G/L de 0,08.

Approche expérimentale

Tout abord, un essai représentera toutes les manipulations réalisées sur le pilote lors du traitement d’un volume spécifique d’eau. Une expérience est un ensemble d’essais réalisés en vue de tirer de l’information précise d’une configuration donnée du pilote par rapport à un mode d’intérêt. Un choix est fait quant au mode de circulation de l’eau dans le pilote à chaque essai, soit celui d’utiliser un circuit ouvert qui consiste à transférer le volume d’eau entièrement d’un réservoir à un autre. Par la suite, la procédure peut être inversée. À chaque passage, les principales caractéristiques physiques mesurées sont la masse d’oxygène dissous dans l’eau, la température de l’eau, celle du gaz, le pH, la conductivité, les pressions d’eau et de gaz, les débits d’eau et d’air. L’approche générale adoptée consiste à toujours utiliser la même quantité d’eau à chaque expérience donnée, soit environ 300L. Ceci est un aspect de comparaison des expériences entre elles. L’eau d’essai utilisée est l’eau potable de la ville de Montréal. Lors du déroulement d’une expérience, la première catégorie d’essai réalisé est appelé la mesure du blanc. Cette dernière permet d’établir la teneur initiale en oxygène de l’eau et d’établir la masse en sulfite de sodium (Na2SO3(s)) qui devra être ajoutée subséquemment pour la désoxygénation de l’eau. Cette masse se situe habituellement autour de 18 g dans le cadre des expériences réalisées.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DES CONNAISSANCES
1.1 Revue de littérature
1.2 Cadre théorique
CHAPITRE 2 OBJECTIFS ET HYPOTHÈSE DE RECHERCHE
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE
3.1 Conception et principe de fonctionnement du pilote
3.2 Plan d’expérimentation
3.3 Approche expérimentale
3.4 Courbe corrective du taux d’oxygène mesuré en raison de la variation
de la température de l’eau
3.5 Intégration de la caméra haute-vitesse comme méthode de mesure
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET ANALYSE
4.1 Caractéristiques physiques
4.2 Capacité à oxygéner
4.3 Validation des résultats
4.4 Capacité à interagir
CHAPITRE 5 DISCUSSION
CONCLUSION
ANNEXE I DONNÉES BRUTES POUR L’ÉTALONNAGES DES MANOMÈTRES
ANNEXE II ÉTALONNAGE DU DÉBITMÈTRE POUR L’EAU
ANNEXE III MÉTHODE D’ÉTALONNAGE DES DÉBITMÈTRES POUR LE GAZ
ANNEXE IV NOTES SUR LA MÉTHODE DE DÉSOXYGÉNATION DE L’EAU
ANNEXE V MESURES DE CORRECTION DU TAUX D’OXYGÈNE EN RAISON DE LA VARIATION DE LA TEMPÉRATURE DE L’EAU
ANNEXE VI PROTOCOLE TYPIQUE D’UNE JOURNÉE D’EXPÉRIMENTATION
I. Préparation du pilote
II. Mesure du blanc (procédure de base)
III. Mesure du temps de résidence
IV. Mesure du zéro
V. Mesure de la réoxygénation
ANNEXE VII TRAITEMENT GRAPHIQUE DES PHOTOS
ANNEXE VIII SYNTHÈSE DES PRINCIPAUX RÉSULTATS
ANNEXE IX CARACTÉRISTIQUES DE L’EAU D’ESSAI
ANNEXE X MÉTHODE DE CALCUL POUR ÉVALUER LA CONTRIBUTION DU BRUIT DE FOND À CHAQUE UNITÉ DE TRAITEMENT
ANNEXE XI COURBES EXPÉRIMENTALES DU SIGNAL ENGENDRÉ PAR LE PASSAGE DU TRACEUR
ANNEXE XII GLOSSAIRE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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