L’effet de turbulence dans la mesure du débit de gaz

Dans cet article, parlons des débitmètres massiques thermiques avec un capteur à by-pass et l’effet que le débit turbulent a sur ces débitmètres.

Allard OVERMEEN
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Les instruments de mesure du débit thermique fonctionnent mieux avec un débit laminaire, du moins si l’on considère les débitmètres massiques et les régulateurs de débit massique thermiques équipés d'un capteur by-pass. Pour effectuer une mesure précise avec cet instrument de débit, le débit laminaire est privilégié.

Toutefois, dans la pratique, vous rencontrerez un débit turbulent assez souvent. Un débit turbulent peut être causé par des restrictions dans une installation, comme des vannes ou des adaptateurs, en combinaison avec une haute vélocité du fluide utilisé. Cet effet est connu sous le nom de turbulence. Un débit turbulent peut affecter la précision de votre mesure, chose que vous préféreriez éviter.

« La turbulence est un sujet dangereux, qui est souvent à l’origine de débats houleux lors de réunions scientifiques en la matière, car elle représente des points de vue très différents, tous ayant en commun la complexité et l’incapacité à résoudre le problème. » Marcel Lesieur, 1987

Comment empêcher cet effet de turbulence ? Commençons par expliquer ce qu’est un débit turbulent :

Débit turbulent versus débit laminaire

D’une manière générale, on peut dire qu'il existe deux types de débit : le débit laminaire et le débit turbulent. La photo 1 permet de visualiser un débit laminaire dans le cadre d’une expérience avec de l’encre dans un tube cylindrique. L’encre a été injectée dans le centre d’un tube en verre dans lequel s’écoule de l’eau. Lorsque la vitesse de l’eau est faible, l’encre ne se mélange pas avec l’eau, les lignes d’écoulement sont parallèles; c’est ce que l’on appelle un débit laminaire.

Si la vitesse de l’eau augmente, un changement soudain surviendra à une certaine vitesse. Le débit se perturbe complètement, et l’eau se mélange de manière homogène avec l’encre. Les lignes d’écoulement sont chaotiques au lieu de linéaires, c’est ce que l’on appelle un débit turbulent.

Ecoulement turbulent et laminaire

En théorie, le type de débit dépend de quatre variables :

  • Le diamètre du tube
  • La vitesse du fluide
  • La densité du fluide
  • La viscosité dynamique du fluide

Les facteurs combinés fournissent ce que l’on appelle le nombre Reynolds (Re), un paramètre important décrivant si les conditions de débit résultent en un débit laminaire ou un débit turbulent. En général, un débit laminaire survient avec un nombre Reynolds faible (≤ env. 2300), et un débit turbulent survient avec un nombre Reynolds élevé (≥ env. 3000). Entre ces deux nombres (Re 2300-3000), vous obtenez un débit 'de transition', ce qui signifie que le débit peut être laminaire ou turbulent (les nombres mentionnés concernent un tube cylindrique).

Quand est-ce qu’un effet de turbulence peut survenir ?

Comme nous l’avons déjà dit, l’effet de turbulence survient fréquemment dans les installations utilisant (outre mesure) des restrictions, comme des vannes ou des adaptateurs, en combinaison avec une haute vélocité du fluide utilisé. A chaque restriction, le débit va être interrompu et la vitesse du gaz changera (comme visualisé sur la photo 2). En plus de l’usage de restrictions, la longueur de la conduite doit être prise en compte. Comme il faut un certain temps pour qu’un débit turbulent redevienne laminaire, il est important d'utiliser la bonne longueur de conduite.

Vous préférerez éviter un débit turbulent à l’entrée de votre instrument de mesure du débit, car cela peut affecter la précision de votre mesure. Il est préférable d’avoir un débit laminaire juste avant l’appareil de mesure du débit. Toutefois, l’appareil utilisé comme régulateur de débit, avec une vanne derrière le débitmètre, peut causer à nouveau un flux turbulent. Cela n'est pas un désavantage pour tous les types de débitmètres. Ce sont principalement les débitmètres massiques thermiques reposant sur le principe du by-pass qui sont sensibles à cet effet. Les débitmètres basés sur le principe de Coriolis, de CTA (Constant Temperature Anemometry ou anémométrie à température constante) ou à ultrasons sont insensibles à la turbulence.

Pourquoi les débitmètres massiques thermiques avec capteur by-pass sont-ils plus sensibles ?

Le fonctionnement des instruments avec un capteur by-pass est basé sur un débit principal passant par une restriction et une petite partie du débit passant par le capteur. Le ratio entre ces deux débits est déterminé par la chute de pression dans le capteur et la restriction du débit laminaire. L’effet de turbulence perturbera ce ratio. Comme les instruments avec capteur by-pass sont souvent utilisés pour des mesures très précises, l’effet de turbulence peut être considérable sur les résultats de mesure.

Que pouvez-vous faire pour réduire les effets néfastes des débits turbulents ?

Lors de l’utilisation de débitmètres massiques thermiques avec capteur by-pass, nous recommandons de procéder comme suit :

1) Essayez d’éviter les restrictions dans le procédé, telles que vannes, adaptateurs et coudes.

  • Ne montez pas directement le débitmètre juste après une restriction, comme une vanne. Toutefois, s'il n’est pas possible de faire autrement, vous pouvez utiliser un filtre de turbulence entre la vanne et le débitmètre, ou utiliser un débitmètre avec filtre de turbulence intégré.
  • L’utilisation d’un coude près d'un débitmètre devrait être évitée autant que possible.

2) Limitez la vitesse de votre débit en utilisant la bonne longueur de conduite. En général, il est recommandé d’utiliser une longueur minimale de :

  • 10X le diamètre de la conduite à l’entrée de l'instrument
  • 4X le diamètre de la conduite à la sortie de l'instrument (débitmètre uniquement)
  • Pour les taux de débit de gaz > 100 l/min, on utilise habituellement une conduite de 12 mm (1/2’’).

3) Utilisez un tranquilisateur de flux dans votre procédé. Le tranquilisateur de flux filtrera le débit avant qu'il n’arrive au capteur et le rendra à nouveau laminaire. A l’heure actuelle, les débitmètres sont souvent équipés d'un tel filtre intégré (comme la série EL-FLOW de Bronkhorst) ou disposent d'un circuit d’écoulement étendu (comme les débitmètres Low delta P de Bronkhorst).

LFE-Elément laminaire

Tranquillisateur de flux intégré (LFE)

Ecoulement étendu du débit dans un débitmètre

Ecoulement étendu du débit dans le débitmètre

Applications

Les conséquences des turbulences dépendent grandement de l’application. Par exemple, dans les procédés pour semi conducteurs, et en particulier dans les procédés de revêtement tels que la pose de couche, le débit turbulent est à éviter à tout prix. Un procédé stable est essentiel ici. Toutefois, dans d’autres procédés de revêtement, comme les techniques de projection à la flamme, l’impact des turbulences sera moindre, en raison de la haute pression du débit. Tout dépend du procédé et de l’application. Si vous avez besoin d’aide pour l’installation de votre débitmètre, contactez notre service clientèle à l’aide du formulaire de contact.

Pour de plus amples informations sur le principe de fonctionnement des appareils Bronkhorst, consultez les différents principes de fonctionnement des débitmètres utilisés chez Bronkhorst.

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