formation de gels et d'émulsions dans le circuit de blow

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Submitted on 5 Apr 2013

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FORMATION DE GELS ET DMULSIONS DANS LECIRCUIT DE BLOW-BY DES MOTEURS A

COMBUSTION INTERNEMirindra Tsitohaina Randimbisoa

To cite this version:Mirindra Tsitohaina Randimbisoa. FORMATION DE GELS ET DMULSIONS DANS LE CIRCUITDE BLOW-BY DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE. Autre. Universit Pierre et MarieCurie - Paris VI, 2011. Franais.

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Sommaire

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Introduction

INTRODUCTION GENERALE

Introduction

Introduction

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INTRODUCTION GENERALE Les gaz de blow-by sont les gaz sortant des carters des moteurs combustion interne. Ils proviennent essentiellement de la fuite des gaz de la chambre de combustion travers les segmentations du piston qui ne sont pas totalement tanches. La lgislation exige que ces gaz pollus ne soient pas rejets dans latmosphre. Cest pourquoi ils sont partiellement purifis dans des dshuileurs et rintroduits vers la ligne dadmission dair du moteur travers des sries de tuyaux et de raccords. Lensemble de ces conduites constitue le circuit de blow-by.

Les gaz de blow-by contiennent non seulement du gaz mais aussi de la vapeur deau provenant de la combustion. Il arrive que dans des conditions climatiques froides, cette vapeur finisse par condenser et se solidifier lintrieur des circuits de blow-by conduisant ainsi au bouchon du circuit. Ce phnomne correspond au gel de blow-by. En outre, sachant que le gaz de blow-by contient aussi des particules dhuile provenant du bas carter et des segmentations, on peut assister la formation dune mulsion. Il sagit dun mlange intime deau et dhuile capable de saccumuler certains endroits des conduites et ventuellement de sy cristalliser. On appelle communment ce mlange une mayonnaise ou une mulsion de blow-by.

Les gels et les mulsions de blow-by sont susceptibles de boucher les tuyaux de blow-by et de conduire la surpression dans le carter. A terme, cela entraine ljection de la jauge dhuile suivie dune vidange voire mme une casse moteur. Un risque dincendie est aussi possible lorsque lhuile est jecte sur des parties chaudes du moteur.

Aussi, les problmes de formation de gels et dmulsions dans le circuit de blow-by des vhicules constituent un enjeu important au niveau du groupe PSA. Ces pannes et risques dincendie peuvent avoir des consquences catastrophiques vis--vis de limage du groupe. Les approches adoptes actuellement sont trs coteuses puisque bases sur des essais systmatiques des vhicules sur banc climatique. De plus, les solutions techniques qui en dcoulent sont souvent difficiles mettre en uvre compte tenu de leur dploiement tardif vis--vis du cycle de dveloppement des moteurs.

Lobjectif de cette thse est de comprendre le droulement des phnomnes mis en jeu dans la formation de gels et dmulsions de blow-by, de mettre en vidence les paramtres influents et finalement de construire des outils prdictifs appropris.

Le gel et lmulsion de blow-by sont des problmes assez rcents qui sont causs par lvolution des normes environnementales. Ceci explique pourquoi ils nont jamais t traits dans la littrature. En outre, les problmes sont trs complexes compte tenu de la multiplicit des phnomnes mis en jeu (qui sont souvent lis entre eux) ainsi que du nombre important des paramtres concerns.

Afin de comprendre le contexte du phnomne tudi, nous avons prsent ltat de lart sur la formation de gels et dmulsions de blow-by, dans le chapitre 1. Le circuit de blow-by est essentiellement compos de conduites cylindriques lintrieur desquelles circule un mlange de gaz humide et de particules dhuile. De plus, les proprits thermiques, hydrodynamiques et chimiques du gaz ne sont pas constantes mais voluent avec de nombreux paramtres dont la nature du moteur et du vhicule, lambiance extrieure et le fonctionnement du vhicule. A lheure actuelle, la connaissance sur le gel et lmulsion de blow-by repose sur des bases purement empiriques dont des observations visuelles effectues lors des diffrents essais sur vhicules ainsi que des modles empiriques spcifiques chaque vhicule. Chacun de ses rsultats dessais ainsi que les paramtres caractristiques des circuits de blowby concerns ont t runis dans une base de donnes unique afin de faciliter le choix des paramtres et du phnomne dintrt.

Les divers phnomnes mis en jeu dans la formation de gels et dmulsions de blow-by relvent de plusieurs domaines scientifiques, qui sont rarement traits simultanment dans la littrature, nous avons donc choisi, dans le chapitre 2, de rappeler les diffrentes approches thoriques concernant

Introduction

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ces divers phnomnes lmentaires. Les phnomnes en question sont la condensation, la formation de givre, la formation de lmulsion et la solidification de leau ou de lmulsion. Pour chaque phnomne, nous avons numr les diffrents paramtres physicochimiques et regard leur impact sur la morphologie, le droulement ainsi que la proprit des produits obtenus (stabilit, temprature de cristallisation, etc.). La condensation de lair humide est troitement lie au phnomne de convection du gaz sur une paroi froide, nous avons dcid de prcder lanalyse de ce phnomne par une brve prsentation du phnomne de convection et du coefficient de transfert massique et thermique. Dans la mesure o les condensats qui se forment lintrieur des tubes peuvent affecter les phnomnes de transferts thermiques et massiques, nous avons considr les particularits de la condensation en film et de la condensation en gouttes.

Il nest pas possible dtudier sparment chacun des paramtres mis en jeu dans le cadre de cette tude, mais il est important davoir un minimum dinformation concernant les phnomnes attendus et leurs interactions pour mieux orienter ltude. Nous avons donc choisi, dans le chapitre 3, de mener une analyse qualitative de ces divers phnomnes mis en jeu de manire identifier les paramtres pertinents. En se basant sur les diffrentes thories du chapitre 2 ainsi que sur des essais prliminaires sur des dispositifs simples de laboratoire, nous avons dabord rappel les diffrents phnomnes thoriquement attendus et exprimentalement constats. Puis, nous avons expliqu leurs conditions dexistence respectives et rappel les phnomnes physiques considrer. Ensuite, nous avons considr un un les diffrents paramtres concerns et estim leur importance respective vis--vis des diffrents phnomnes envisageables. Dans le cadre de cette tude, nous avons retenu comme pertinents les paramtres suivants : lhumidit du gaz qui est caractrise par le point de rose, la temprature du gaz, le dbit du gaz, le diamtre du tuyau, la temprature de la paroi et le dbit en particules dhuile. En sappuyant sur la base de donnes que nous avons construite, nous avons tabli par la suite la plage de variation de chaque paramtre en vue de construire un banc dessai.

Les paramtres dordre un tant choisis, les tudes qualitatives ont t ensuite compltes, dans le chapitre 4, par des tudes quantitatives travers des essais de gel sur le banc prvu cet effet. Les essais consistent envoyer de lair humide lintrieur dune conduite extrieurement refroidie par un bain froid, observer les phnomnes qui en rsultent et mesurer les diffrentes proprits caractristiques du gaz et de la paroi aux diffrents endroits (humidit, tempratures). La pression lintrieur de lchantillon dessai a aussi t suivie afin de caractriser la formation et lvolution des bouchons lintrieur des tubes. Un banc a donc t spcifiquement conu pour ces essais. Il comprend une unit de purification du gaz, une unit pour contrler le dbit, lhumidit et la temprature du gaz et une unit permettant dintroduire une certaine quantit de particules dhuile lintrieur du gaz pour les essais mulsions.

Lobjectif de ces essais est de comprendre les phnomnes mis en jeu ainsi que didentifier leurs domaines de prdominance respectifs. Aussi, la matrice exprimentale et la conduite des essais ont t choisies de manire identifier le plus rapidement possible la frontire entre les conditions opratoires givrantes et les conditions opratoires condensantes. Notre tude a t mene sur trois chantillons de diamtre diffrent. A partir des rsultats collects, nous avons constat quil est possible didentifier les zones de risque de bouchon et les phnomnes prpondrants en fonction de la temprature moyenne de paroi et du dbit total de condensation. Toutefois, les critres de givre ou de condensation ainsi que les critres de risque de bouchon ne sont pas identiques pour les trois diamtres de tube tests. Quand le diamtre du tube augmente, la temprature moyenne de paroi requise pour la formation de bouchon diminue et le dbit de condensation ncessaire augmente.

Des corrlations exprimentales des coefficients de transfert avec les conditions opratoires ont t proposes. Elles ont permis de constater qualitativement limpact des divers paramtres ainsi que leurs interactions sur le phnomne de transfert. En outre, en se servant dune corrlation de lnergie change en fonction du gradient denthalpie entre les gaz dans la veine et le gaz au voisinage de la

Introduction

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paroi du tube, nous avons pu mettre en vidence les diffrentes formes dchange dnergie entre le gaz et la paroi froide.

Dans le chapitre 5, nous avons tabli des modles physiques des transferts de masse et de chaleur en se basant sur la thorie et en tenant compte des phnomnes possibles suggrs par les corrlations exprimentales. Le principe consiste reprsenter chaque morceau de tube par un lment de surface sur lequel seffectue un transfert de chaleur compos par la convection de lair humide cause par le gradient de temprature entre le gaz et la paroi ainsi que la condensation de la vapeur induite par le gradient dhumidit entre les deux milieux. Ainsi, dans une condition sursature, deux phnomnes de stabilisation par condensation ont t proposs : la stabilisation par condensation adiabatique et la stabilisation par condensation isothermique. Les modles proposs ont permis de dterminer la distribution spatiale de la temprature de paroi interne et de retrouver le dbit total de condensation. Ceci a permis par la suite de prdire les phnomnes prpondrants et les risques de bouchons partir des conditions opratoires puis deffectuer des analyses de sensibilits.

Dans le chapitre 6, limpact de la prsence de particules dhuile sur le phnomne de gels et dmulsions a t trait. Lobjectif est de comprendre linfluence de la formation dmulsions sur le droulement des phnomnes et de dterminer la modification apporter aux critres de bouchon ainsi quau modle tabli pour tenir compte de la prsence dhuile. Lanalyse des rsultats dessais sur banc en prsence dhuile montre que leau liquide se transforme systmatiquement en mulsion. Bien que les mulsions puissent avoir une temprature de cristallisation plus faible (solidification plus difficile) compare celle de leau, elles nempchent pas le bouchon des tubes. Leurs impacts se limitent de lgres rductions de la pression en fin dessai. Au contraire, pour les conditions condensantes, les mulsions ont tendance saccumuler et empcher le libre parcours de leau et dentrainer le bouchon partiel ou le bouchon total de la conduite. En analysant la composition des rsidus pigs lintrieur des tubes, on constate que les givres pigent beaucoup plus de particules dhuile que les glaces et les condensats. Nanmoins, les particules nont aucun impact notable sur la formation du givre. Enfin, du point de vue thermique, la prsence de particules ne modifie pas les phnomnes dchange de chaleur. Ainsi, les modles labors sont toujours valides dans la mesure o la quantit de particules mise en jeu ne dpasse pas la quantit qui a t teste (2,5 g/h).

Introduction

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Chap.1: Gels et Emulsions de blow-by : Etats de lart

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Chapitre 1 :

GELS ET EMULSIONS DE BLOW-BY : ETAT DE LART


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CHAP. 1: GELS ET EMULSIONS DE BLOW-BY : ETATS DE LART

ABC

Le gel et lmulsion de blow-by font intervenir des phnomnes multiples qui varient la fois avec le temps, lendroit du circuit considr et lenvironnement externe et interne des moteurs. Pour pouvoir laborer une feuille de route pour la recherche entreprendre, il est important de bien dfinir le contexte exact dans lequel les phnomnes se droulent et de prendre en compte ltat de lart actuel aussi bien chez PSA que chez les autres constructeurs automobiles.

Pour cela, nous allons dabord rappeler ce quest le circuit de blow-by dun moteur. Ensuite nous allons dtailler la composition du gaz de blow-by qui est le principal lment mis en jeu dans la formation de gels et dmulsions de blow-by. Puis, nous dcrirons les phnomnes observs dans divers endroits du circuit et enfin nous exposerons ltat de lart actuel.

Chacune de ces diverses tapes nous permettra de cadrer les tudes thoriques et bibliographiques entreprendre et par la mme occasion dorienter la stratgie et lapproche adopter pour la suite.

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La figure suivante reprsente le schma simplifi dun moteur combustion. Dans la partie suprieure on distingue la chambre de combustion qui est spare du carter basse pression (circuit de lubrification) par les pistons. Lors dun cycle moteur, cause du dfaut dtanchit de la segmentation, la pression qui rgne dans la chambre de combustion gnre une fuite de gaz vers le bas moteur. On lappelle gaz de carter ou gaz de blow-by .

Figure 1 : Le circuit de blow-by

Comme lexige la lgislation, le gaz de blow-by ne doit pas tre rejet dans latmosphre cause du risque de pollution. Ainsi le gaz est recycl vers le circuit dadmission travers des conduites et un systme de dcantation appels circuit de blow-by.

Le circuit de blow-by comprend :

Des tubes (durites) servant transporter le gaz de blow-by. Des dshuileurs, qui sont des volumes quips majoritairement de chicanes, permettant de

rcuprer la majeure partie des gouttelettes dhuile transportes dans le gaz de blow-by. Des piquages sur la ligne dadmission dair permettant dinjecter le gaz de blow-by dans la

ligne.


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Selon la position de la durite par rapport au dshuileur, on distingue le tube de blow-by amont et le tube de blow-by aval. Le gaz de blow-by est rcupr soit travers des piquages situs sur le bas carter, soit par des couvre-culasses avec dshuileurs intgrs qui sont monts sur la culasse. Les couvre-culasses en question sont quips de chemines permettant la rcupration des gaz et de siphons permettant le retour des huiles piges vers le carter (voir Figure 4). Pour certains moteurs essence, afin de maintenir la possibilit dinjecter le gaz de blow-by malgr la fermeture du papillon aux faibles charges, le circuit de blow-by comporte un circuit de radmission ct amont papillon et un autre circuit ct aval papillon (voir Figure 4).

EFCCFCC

Afin de comprendre la formation de gels et dmulsions de blow-by, il est important de rappeler les caractristiques du gaz de blow-by. On mettra laccent sur la source, la composition, laspect hydrodynamique et laspect thermique du gaz.

AFC

Comme il a t mentionn prcdemment, le gaz de blow-by provient essentiellement de la fuite au niveau de la segmentation. Parmi les autres sources, citons aussi :

La fuite au niveau du palier du turbocompresseur, depuis les corps de la turbine et du compresseur vers le carter moteur par le retour dhuile.

La fuite par les joints de queue de soupape depuis la chambre de combustion vers la culasse.

La fuite de gaz de la pompe vide, depuis le circuit de freinage vers la culasse.

D BBC

Compte tenu de son origine, le gaz de blow-by est essentiellement compos par de lair et du gaz de combustion. Parmi les composs du gaz de combustion, on distingue le dioxyde de carbone (CO2), le diazote (N2) et la vapeur deau. On peut trouver en quantit moins importante les polluants rsiduels de combustion tels que le monoxyde de carbone (CO) et des hydrocarbures gazeux. Parmi les composs provenant de lair, on a essentiellement du N2 et du dioxygne (O2) mais aussi une certaine quantit deau. Le gaz de blow-by est aussi charg en particules dhuile par effet dentranement. Ces particules sont essentiellement produites par des effets arodynamiques engendrs par les diffrentes pices en mouvement (piston, vilebrequin), mais galement par la mise en pression du film dhuile, des paliers vilebrequin ainsi que par lalimentation en huile de la culasse pour la lubrification de la distribution. En outre, compte tenu de son sjour dans la chambre de combustion, le gaz peut contenir une quantit plus ou moins importante de carburant (essence ou gasoil) ltat vapeur. Ce dernier est constitu par un mlange complexe dhydrocarbures, daromatiques, dolfines, ou de composs oxygns. Comme le rgime de fonctionnement et la charge des vhicules ne sont pas toujours uniformes, la composition du gaz de blow-by peut changer avec le point de fonctionnement. De plus, non seulement la composition du gaz nest pas identique dun moteur un autre mais aussi elle est susceptible dvoluer avec lge du moteur. Enfin, la composition du gaz de blow-by volue le long du circuit de blow-by. En effet, le dpt progressif le long de la ligne provoque une diminution de la quantit et de la granulomtrie des gouttes dhuile avec le dplacement du gaz. Dautre part, la condensation de leau travers les circuits de blow-by peut engendrer une diminution le long de la ligne de la quantit de vapeur deau dans le gaz.

FACB FC

En fonctionnement normal, compte tenu de laspiration par le circuit dadmission, le circuit de blow-by est en permanence en dpression. Ce qui nest plus le cas quand les conduites sont bouches par le gel ou lmulsion.

A cause du mouvement cyclique du piston, le gaz de blow-by adopte un dbit et une pression pulss. La frquence de pulsation est lie directement au mouvement des pistons alors que lamplitude varie


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la fois avec la course du piston, la gomtrie du circuit dans son ensemble et la position du point considrer. De mme, le dbit moyen du gaz nest pas constant, il change avec la condition de fonctionnement et varie aussi dun moteur lautre. Enfin, lcoulement dans un circuit de blow-by est gnralement polyphasique. En effet, part la circulation du gaz, on a aussi le mouvement des gouttelettes dhuile qui sont entraines ainsi que le mouvement des films deau, des films dhuile ou des films dmulsion qui se sont dposs sur les parois.

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Issu du bas carter, le gaz de blow-by est naturellement chaud. Comme le dbit, sa temprature varie avec le type de moteur, lge du moteur et les conditions de fonctionnement. Etant donn que le transport du gaz se fait lintrieur des circuits exposs extrieurement lambiance sous capot, le gaz de blow-by se refroidit avec son dplacement le long de la ligne, des degrs diffrents selon lexposition des circuits concerns. La temprature varie donc avec lambiance sous capot dpendant lui-mme de la temprature externe, du vhicule, de larchitecture et de la vitesse du vhicule.

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Le gel et lmulsion de blow-by sont des phnomnes rencontrs essentiellement dans les pays froids o la temprature ambiante peut rester trs faible (en dessous de 0C) pendant plusieurs semaines. Le phnomne est accentu par le comportement client dans les rgions concernes : parking ciel ouvert dans des conditions climatiques froides, roulage de faibles distances ne permettant pas de chauffer suffisamment les moteurs.

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Quand le circuit de blow-by est expos extrieurement de basses tempratures, les parois des tubes se refroidissent et leur temprature descend en dessous de la temprature de condensation du gaz de blow-by (voire en dessous de 0C), ce qui entraine la condensation et la solidification dune partie de la vapeur deau contenue dans le gaz. Cest le Gel de blow-by.

La condensation ou le gel de leau peuvent se prsenter sous diverses formes. Dans certains endroits du tube, il peut tre sous forme de givre poreux tapissant la paroi ou sous forme de glaons compacts, mlangs ou non avec de lhuile.

(A) Givre poreux (B) Glace compact Figure 2 : Gel de blow-by

La prsence simultane deau liquide et de gouttelettes dhuile dans le circuit de blow-by entraine la formation dune mulsion qui est un mlange intime deau et dhuile appele communment mayonnaise. Cest lmulsion de blow-by.


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Figure 3 : mulsion de blow-by

Le gel et lmulsion de blow-by peuvent engendrer des problmes non ngligeables sur le fonctionnement du moteur. En saccumulant aux divers endroits du circuit de blow-by, le gel ou lmulsion peuvent conduire une obturation du circuit de blow-by entrainant la monte en pression du carter suivi de ljection de lhuile (vidange). A terme, cela peut conduire une casse moteur voire un incendie si lhuile est jecte sur une partie chaude du moteur.

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Le gel et lmulsion de blow-by concernent des degrs variables tout le circuit de blow-by. Ils peuvent tre retrouvs lintrieur dune durite, au niveau des dshuileurs ou au niveau des piquages sur la ligne dair.

En se basant sur les rsultats des essais sur banc climatique des vhicules essence, le schma ci-dessous rsume les divers endroits concerns par la formation de gels et dmulsions de blow-by. Le cas des moteurs Diesel est dtaill dans la rfrence [1].

(A) Localisation des mulsions (B) Localisation des gels

Figure 4 : Localisation des gels et mulsions dans les moteurs essence

Les frquences dapparition du gel et de lmulsion sur les diffrentes portions du circuit sont assez comparables entre elles sauf pour les cas des piquages ligne dair o lapparition du gel est quasi-systmatique (bien quen faible quantit pour certains cas).

De mme, en se rfrant au nombre de cas de gel, dmulsion ou dmulsion gele observ sur chaque pice par rapport au nombre total des pices inspectes, on a pu constater que la frquence des phnomnes est assez similaire entre un moteur essence et un moteur Diesel (23% et 26%


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respectivement). Toutefois, pour le cas de gel seulement, la frquence semble tre lgrement suprieure pour les moteurs Diesel.

En ce qui concerne la svrit (risque de bouchon), les moteurs Diesel semblent tre plus pargns que les moteurs essence. Notons aussi que pour un mme moteur, la svrit des phnomnes varie dun vhicule un autre.

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Afin de tenir compte de la problmatique de gel de blow-by dans la conception et la validation des architectures, PSA a mis en place des essais permettant de prdire les risques de gel pour les vhicules destins aux pays froids. Bien que ces outils aient certaines limites et dsavantages en terme de cot en dveloppement, ils sont largement utiliss lheure actuelle. Ils comprennent la modlisation thermique du circuit de blow-by, les gammes dessais sur banc rouleaux climatique et les essais sur route.

1.5.1.1 La modlisation thermique

ABB

La modlisation thermique du circuit de blow-by se fait essentiellement de manire unidimensionnelle (1D). Pour cela on a recours lanalogie entre lectricit et thermique pour caractriser la conduction et la convection travers les parois et les fluides. Les divers points des circuits sont modliss par des nuds qui sont relis entre eux par des lments rsistifs ou capacitif caractristiques des matriaux. Les convections internes et externes aux parois sont assimiles des lments rsistifs dont les caractristiques font intervenir le coefficient de convection.

Parmi les paramtres dentre du modle, on a le dbit des gaz ainsi que les coefficients de transfert.

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Les modles thermiques 1D trouvent leur utilisation dans le dimensionnement des rchauffeurs et isolants pour le circuit de blow-by ainsi que lvaluation des risques de gel pour un circuit donn avec pour critre une temprature de paroi suprieure 0C. Ils permettent destimer la temprature des parois et des gaz en fonctionnement normal (sans bouchon) mais ncessitent la connaissance des coefficients de transfert total. Ce qui ncessite dimportants travaux de recalage par rapport aux vraies tempratures mesures sur les pices lors des essais sur banc rouleaux. Compte tenu de limportance du recalage, ces modles ne peuvent tre utiliss quen relatif. C'est--dire que la modlisation dun circuit se fait partir des essais effectus sur un moteur similaire. De mme, bien que les rsultats de ces modles soient exacts, le critre de gel 0C nest que qualitatif vu quune temprature suprieure 0C peut toujours conduire la condensation et donc la formation de glaon quand le moteur se refroidit. Notons que pour des pices plus complexes tel que le dshuileur, on utilise aussi une modlisation 3D. Cette dernire se fait avec des codes de type FIRE en utilisant des maillages relativement fins.

1.5.1.2 Les gammes de validation

Les essais de validation sur banc rouleaux constituent un lment majeur des outils de validation des vhicules vis--vis du gel et de lmulsion de blow-by. Les essais seffectuent sur les vhicules, ils tiennent donc compte la fois de laspect architecture moteur et arodynamique sous capot.

Actuellement, PSA dispose de deux gammes dessais : une gamme pour tester la sensibilit lmulsion, une autre pour tester la sensibilit au gel. Les deux gammes dessais sont appliques successivement au vhicule en intercalant une priode de macration.


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C FABB

La condition climatique de la gamme mulsion a t choisie de manire favoriser lapparition des mulsions. Elle se fait temprature moins basse o leau tend rester ltat liquide et devient plus favorable la formation de condensat sans transformation en glace. La gamme mulsion est effectue sur un cycle de type ville. Il est illustr sur la figure ci-dessous :

Lessai se droule sur un banc rouleaux climatique. Comme le montre la figure, la vitesse nest pas constante mais suit un profil bien particulier qui est assez reprsentatif de la ralit sur terrain.

Figure 5 : Gamme mulsion

Ce profil est appliqu plusieurs reprises sur le vhicule dans une ambiance de -10C sous soufflerie. Entre deux cycles, lhuile est refroidie par soufflerie -10C avant dentamer le cycle suivant. La temprature aux diffrents endroits du circuit de blow-by ainsi que la pression carter sont suivies en temps rel pendant lessai. A la fin, si cela savre techniquement possible, les diffrents endroits du circuit de blow-by sont examins.

CC FABAB

La gamme mulsion est suivie de la gamme gel. Lessai seffectue sous soufflerie dans une ambiance -18C, -25C ou -30C respectivement pour une validation type climat tempr, climat froid et climat grand froid.

La gamme comprend une srie de points stabiliss pendant quelques minutes, spars de lchs de pied . Ce qui permet de simuler la fois le cas dun papillon ferm et le cas dun papillon ouvert pour les moteurs essence.

Comme dans le cas des essais mulsion, les tempratures et la pression carter sont suivies en permanence pendant lessai. A la fin de lessai, on effectue des inspections visuelles des diffrents endroits du circuit de blow-by.

Les essais gel et mulsion font partie des incontournables et sont tests systmatiquement sur tous les vhicules PSA. Les essais sont valids par labsence de monte en pression du carter ainsi que labsence de glace dans le circuit.

C BBABFAB

Bien que les gammes gel et mulsion soient trs intressantes en termes de fiabilit, ils sont coteux et doivent tre appliqus sur tous les vhicules. De plus ils ninterviennent que tardivement sur le processus de dveloppement et rendent complique la prise de mesures relatives au gel et mulsion de blow-by (prise en compte de lemplacement des modernisations, choix des dimensions et emplacement du circuit de blow-by).

Enfin, les rsultats dessais sont spcifiques pour chaque vhicule et ne peuvent tre exploits comme outils prdictifs.


13

(D EFCFCFC",FBC

1.5.2.1 Les clapets de surpression

Les clapets de surpression sont des dispositifs de scurit permettant dviter la surpression excessive dans le carter (donc dviter la vidange dhuile) en cas de bouchon des conduites de blow-by. Ils sont constitus par des membranes dchappement munies de ressorts de rappel monts sur les dshuileurs ou les couvre-culasses. PSA sest fix une pression douverture aux environs de 135 mbar au-dessus de la pression atmosphrique. Ainsi, quand la pression du carter augmente au-del de cette limite, le clapet souvre et le gaz de blow-by est vacu vers latmosphre.

1.5.2.2 Les modernisations

Les modernisations sont les principales mesures techniques pour limiter le problme de bouchon de gels et dmulsions dans les conduites de blow-by. Elles peuvent tre de type actif tels que des rchauffeurs locaux ou de type passif tels que les isolations externes des conduites.

CC ABFAB

Les rchauffeurs sont utiliss pour maintenir la temprature de paroi au-dessus de 0C. Ils permettent dviter la formation locale de gel et dmulsion. Ils agissent localement mais ne permettent pas de chauffer le gaz de blow-by. Les rchauffeurs sont dimensionns en utilisant le modle thermique dcrit prcdemment. Leur dveloppement peut tre de type prventif en les intgrant sur les vhicules pendant la phase de dveloppement ou curatif (post production) en faisant des rattrapages clientle si les vhicules sont dj sur le march.

CCC ABFB

Les isolants servent empcher le refroidissement des tubes sous limpact de lcoulement dair froid sous le capot. Ils sont sous forme de mousse disolation thermique monte autour des tuyaux protger. Lpaisseur est dimensionne de manire obtenir un fonctionnement optimal c'est--dire le minimum de volume avec un degr disolation ncessaire. Les paisseurs disolants sont aussi dimensionnes en se servant du modle thermique. Comme les rchauffeurs, leurs utilisations sont valider par les essais sur banc rouleaux.

Figure 6 : Mousse disolation et rchauffeurs

CC BBABAFB

Les modernisations sont dj appliques sur certains vhicules destination des pays froids. Faute doutils assez prdictifs, les rchauffeurs et les isolants sont difficiles dimensionner (justification de ncessit, choix du rchauffeur, dimension et puissance de chauffe) pendant la phase initiale du dveloppement des moteurs.

Leur intgration dans la phase finale de dveloppement pose des difficults sils ne sont pas prvus assez tt. Cela est dautant plus vrai que les rchauffeurs sont trs coteux en nergie lectrique et que lencombrement des isolations induit parfois des difficults dimplantation.

La mise en place des isolations est trs coteuses quand il sagit de rattrapage clientle. En 2005 par exemple, le cot dun rattrapage clientle relatif au gel et mulsion de blow-by atteignait plusieurs millions deuro.


14

1.5.2.3 Les autres solutions

La formation de gels et dmulsions au milieu dun tuyau de blow-by peut tre radique si on arrive limiter le refroidissement des parois par lair froid sous capot. Pour cela, dans la mesure du possible, on essaie de placer les tubes de blow-by dans des endroits moins exposs ou plus chauds sous capot. Dans certains cas, on met aussi des caches de protection autour des pices protger.

Rcemment, PSA a brevet un moyen de rduire le risque de gel et dmulsion en quipant le moteur dun piquage de dilution. Le principe consiste rduire la pression partielle de leau et donc rduire sa temprature de condensation en diluant le gaz de blow-by par de lair sec rchauff, provenant de latmosphre. Laspiration de ce dernier se fait de manire naturelle sans lutilisation dune pompe extrieure puisque le carter est en permanence en dpression.

Un autre brevet a aussi t dpos par PSA dont le principe consiste maintenir la temprature de paroi suffisamment chaude en faisant passer les tuyaux de blow-by lintrieur des tuyaux acheminant le fluide de refroidissement. Toutefois, ces mesures ont des limites cause du problme dimplantation et parce quil nest pas toujours possible de lappliquer sur toute la longueur des tuyaux.

1.5.2.4 Gel et mulsion de blow-by vis--vis des autres constructeurs

Le gel et lmulsion de blow-by ne sont pas spcifiques aux vhicules PSA. Pour certaines marques, la solution se fait directement par les garages locaux qui mettent en place eux-mmes les dispositifs de rchauffage ou disolation thermique dans les circuits de blow-by. Notons aussi que dautres constructeurs tels que BMW disposent de gammes dessais similaires PSA.

- ABCBFFC

A travers ce chapitre, nous avons vu que le circuit de blow-by est compos par des durites ainsi que des dshuileurs monts bout bout. Bien que linterconnexion entre les diffrents lments diffre dun circuit lautre, le principe est unique, il consiste rcuprer le gaz de blow-by dans les diffrents endroits du bloc moteur, liminer la majorit des particules quil contient et le renvoyer sur la ligne dadmission via un piquage.

Nous avons aussi vu que le gaz de blow-by est compos essentiellement par un mlange de vapeur deau, de gaz inerte et de particules dhuile. Du point thermique, il a sa propre temprature et ses propres caractristiques hydrodynamiques (vitesse, dbit) qui peuvent varier avec le temps et lespace.

Malgr la multiplicit et la complexit apparentes des phnomnes en jeu, nous avons vu que la formation de gels et dmulsions de blow-by est rgi par le changement dtat de leau contenue dans un gaz incondensable (de ltat vapeur vers ltat liquide ou solide) dans un environnement froid et en prsence de film et de particules dhuile.

Les dpts observs lintrieur des tubes peuvent tre uniquement de la glace ou du givre issus dune simple cristallisation de leau. Mais ils peuvent aussi tre constitus dmulsions liquides ou solides provenant dun mlange intime deau et dhuile. Dans tous les cas, les phnomnes concernent des degrs variables presque la totalit du circuit de blow-by, en particulier ils sont systmatiquement prsents au niveau du piquage de radmission du gaz dans la ligne dair.

Enfin nous avons rappel quau niveau de PSA et les autres constructeurs, lapproche actuelle repose sur des essais vhicules sur banc climatique ainsi que la mise en uvre de modles purement empiriques recals partir de ces essais. Du point de vue pratique, les solutions actuelles sont la dilution du gaz de blow-by par des chauds ainsi que lutilisation de rchauffeurs ou disolants sur les parois protger.

.

Chap.2: Aspects thoriques et Rappels bibliographiques

15

Chapitre 2 : ASPECTS THEORIQUES ET

RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES


16


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CHAP. 2: ASPECTS THEORIQUES ET RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES

D ABC

A lheure actuelle, malgr son ampleur, le phnomne de gels et dmulsions dans le circuit de blow-by, proprement dit, na jamais t tudi dans la littrature. Toutefois, les diffrents phnomnes lmentaires conduisant la formation de ces deux tats ont t largement traits dans des contextes, certes, totalement diffrents. Les phnomnes en question sont la condensation de leau, la formation de givre, la formation des mulsions et la cristallisation de leau ou des mulsions. Aussi, comme la formation de gels et dmulsions dans le circuit de blow-by est un phnomne tout fait nouveau dans les applications moteurs , il est important de comprendre dabord la thorie et la physique qui dcrivent ces phnomnes lmentaires avant daborder le problme dans sa globalit. Ce qui nous permettra par la suite de mieux dfinir lapproche adopter, les paramtres prendre en compte et intressants tudier pour les diffrents cas de figures. Dans la premire partie du chapitre, nous allons dabord rappeler la physique lie lair humide ainsi que les diffrents phnomnes associs au changement dtat de lair humide. Ensuite, nous allons considrer les phnomnes de condensation. Enfin, nous dtaillerons la formation des mulsions et leur comportement en fonction de leur environnement.

Pour plus de clart, les phnomnes physiques lis la formation de givre ainsi quun bref rappel sur la composition des lubrifiants, lments essentiels dans la formation dmulsions sont dcrits en annexe.

DD E$BCBFC

Nous avons vu que le gel et lmulsion de blow-by sont essentiellement lis au changement dtat de la vapeur deau dilue dans une matrice de gaz incondensable (CO2,N2,O2,CO) en prsence de gouttelettes dhuile et de carburant. Lair est en proportion majoritaire dans le gaz de blow-by. Les autres gaz prsents en faible quantit (14% de CO2 au maximum) dans le gaz de blow-by seront considrs comme des gaz parfaits et insolubles dans leau pour les conditions de pressions et de tempratures qui nous intressent. Ainsi, il est possible dtudier les phnomnes de gels et dmulsions de blow-by en assimilant le gaz de blow-by lair humide contenant des particules dhuile.

Dans ce paragraphe, nous allons dabord rappeler les diffrents tats de leau en nous focalisant sur le cas de la vapeur deau pure puis nous considrerons le cas de lair humide qui est un mlange de vapeur et dair sec.

DD EFCB''"FC"CFC$FC2.2.1.1 Diagramme dtat de leau

Selon les conditions de temprature et de pression, leau peut tre sous trois formes diffrentes: A ltat vapeur (gaz) pour les faibles pressions et/ou les tempratures leves, A ltat liquide pour des pressions plus leves et/ou des tempratures plus basses. A ltat solide, si la temprature diminue davantage.

Le diagramme suivant rsume ltat de leau dans ces diverses conditions de pression et de temprature.


18

Figure 7 : Diagramme dtat de leau

Le diagramme montre que le changement des conditions de temprature et de pression peut entrainer le changement dtat de leau. Selon ltat initial et final de leau lors de la transformation, on peut observer :

Une condensation : cest--dire le passage de ltat vapeur vers ltat liquide ou une vaporisation si on a linverse.

Une solidification : cest--dire le passage de ltat liquide ltat solide ou une fusion si on a linverse.

Une ablimation ou le passage direct de ltat vapeur vers ltat solide sans passer par le liquide. Le phnomne inverse est appel sublimation.

Ces divers tats monophasiques de leau sont spars par des frontires sur lesquelles les deux phases mises en jeu coexistent (domaines diphasiques). Ainsi, pour les frontires liquide-gaz et solide-gaz, la vapeur deau est en quilibre avec la phase liquide ou solide. La pression correspondante est appele pression de vapeur saturante Psat la temprature considre (Figure 7). On peut aussi distinguer sur le diagramme le point triple de leau o les trois phases coexistent simultanment.

Le domaine solide peut tre subdivis en quinze types de glace dont les structures cristallines sont diffrentes les unes des autres [2]. En ce qui nous concerne, nous nous intresserons la glace type I cubique qui est la seule phase solide pouvant exister dans les conditions de temprature et de pression qui nous intressent. Les autres types de glace napparaissent qu des tempratures extrmement faibles (-200C) et/ou des pressions de lordre quelques centaines de MPa.

2.2.1.2 Aspect nergtique

La courbe de refroidissement de la vapeur deau la pression atmosphrique permet de tracer les variations de lentropie dune mole deau en fonction de son tat (figure suivante) :

Figure 8 : Diagramme nergtique de leau

Les lignes verticales correspondent la chaleur latente et les lignes obliques reprsentent la chaleur spcifique. La figure montre que lnergie cde lors du changement dtat de leau (chaleur latente) est beaucoup plus importante compare la chaleur spcifique contribuant au refroidissement. En outre, on peut aussi constater que lnergie est cde, majoritairement, au cours de la phase de


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condensation de la vapeur deau (~2500 kJ/kg 0C) et non pendant la phase de solidification (~335 kJ/kg 0C). Cette quantit de chaleur est encore plus importante dans le cas de lablimation (~2835 kJ/kg 0C). Dans tous les cas, les processus sont endothermiques et absorbent de la chaleur du milieu environnant. Rappelons que la condensation et la solidification sont isothermiques. Ils permettent donc de maintenir la temprature du systme, respectivement, 0C ou 100C, pendant ces deux tapes malgr lextraction de la chaleur.

2.2.1.3 Diagramme dtat pour un mlange

En prsence dautres lments condensables, tels que des vapeurs dhydrocarbure, le diagramme dtat de leau est susceptible dtre modifi selon la proportion de lautre lment condensable. Cette drive est dautant plus significative que la fraction deau est moins importante dans le mlange.

En particulier, pour un mlange de deux vapeurs donnes, le point de condensation et de vaporisation ne sont plus identiques pour une mme composition du mlange. Sil ny a pas dazotrope, la temprature de condensation (ou dvaporation) du mlange se situe entre les tempratures de condensation des deux lments purs. Dans certains cas, elle peut aussi tre suprieure aux tempratures de condensation des deux lments purs (azotrope ngatif), ou infrieure (azotrope positif) [3].

DDD &BFC$"CFC$FC.CBABCC*C$BCBFC2.2.2.1 Prsentation du diagramme

Le diagramme dtat de leau pure est reprsent sur la Figure 7. Pour lair humide, la phase gaz contient en plus de la vapeur deau dautres gaz tels que le dioxyde de carbone (CO2), le dioxygne (O2) et le diazote (N2). La pression partielle de leau est dans ce cas dduite partir de sa proportion dans le gaz selon :

Totvapvap P x= p (2-1) avec PT la pression totale soit p + p + p + p = P CO2O2N2vapT

Ainsi, pour lair humide on retrouve le mme diagramme que celui de la Figure 7 mais la pression totale est remplace par la pression partielle de leau. Cela veut dire que la temprature de changement de phase une pression donne nest plus unique mais varie avec la quantit de vapeur dans lair : plus lair contient de leau plus la temprature de condensation est leve (mais majore 100C la pression atmosphrique). Autrement dit plus la temprature est leve, plus la quantit maximale deau pouvant tre contenue dans lair augmente. Cette quantit maximale est caractrise par la pression de vapeur saturante la temprature considre.

Reprenons le diagramme dtat de leau en plaant en ordonne la pression partielle de leau (vapeur) (Figure 9) :

Figure 9 : Diagramme dtat appliqu lair humide

pair


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Considrons un air humide la temprature T contenant de la vapeur deau la pression partielle pvap. Il est possible de dterminer ltat de leau en positionnant le couple (pvap, T) sur le diagramme :

Si le couple (pvap, T) se trouve dans la zone du gaz, la totalit de leau est ltat gazeux, on parle alors dun air humide surchauff.

Si le couple (pvap, T) se trouve dans la zone liquide, il y aura de leau ltat liquide en prsence dair humide satur.

Si le couple (pvap, T) se trouve dans la zone solide (< 0C), il y aura de la glace en prsence et dair humide satur.

Si le point se trouve sur la courbe dquilibre, on est en prsence de vapeur sature en eau.

Les courbes dquilibre du diagramme renseignent sur la pression de vapeur saturante de leau une temprature donne. Autrement dit, elle correspond la pression partielle de leau dans lair la temprature T si celle-ci est sature et coexiste avec une phase solide ou une phase liquide deau pure.

Le diagramme est beaucoup plus compliqu si en sus de la vapeur deau et de lair, sajoute une autre vapeur condensable telles que les vapeurs dessence ou dautres hydrocarbures. Dans cette tude, on se limitera au cas de lair humide pur.

2.2.2.2 Equation des courbes dquilibre

Pour une temprature T donne de gaz, la pression de vapeur saturante Psat [Pa] est donne par la formule ci-dessous [4]:

) (Tln C3+ T C2+ TC1+C0+ C/T = Ln(Psat) 2 (2-2) Les valeurs des constantes varient avec la phase (glace ou eau liquide) en quilibre avec la vapeur sature dans lair humide.

DD EFC#FCAA"BB FCFC$BCBFC

Le diagramme dtat permet de comprendre qualitativement les diffrentes transformations que peuvent subir lair humide lors dun refroidissement. Afin de pouvoir avancer davantage dans ltude, il est important maintenant de le caractriser de manire quantitative. Pour cela, il existe plusieurs paramtres caractristiques que lon doit prendre en compte. Ce sont:

- Le point de rose (Td) - Lhumidit relative (HR) - Lhumidit absolue (Y) - Lenthalpie spcifique (H)

Les diffrents paramtres caractristiques de lair humide sont expliqus dans les rfrences !", " #".

2.2.3.1 Le point de rose ou la temprature de rose

La temprature de rose (Td) est la temprature laquelle il faut refroidir lair humide pour atteindre la saturation. Cest donc la temprature laquelle la pression partielle de vapeur est identique la pression de vapeur saturante. A la saturation, on a:

satvap PTdPp =),( (2-3) 2.2.3.2 Lhygromtrie relative

Cest le rapport entre la pression partielle pvap de la vapeur deau dans lair et la pression de vapeur saturante la mme temprature :


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Psat

vap

P

pHR )(= (2-4)

2.2.3.3 Lhumidit absolue

Cest la masse de vapeur deau contenue dans un volume V dair humide rapport la masse dair sec contenu dans le mme volume.

sec.air

vap

m

mY = (2-5)

2.2.3.4 Lenthalpie

Lenthalpie H de lair humide se dfinit comme la quantit totale de chaleur fournir 1kg dair sec et deau liquide initialement la temprature de 0C pour le porter une temprature T et une humidit absolue Y. Mathmatiquement, cest la somme de lenthalpie de lair sec et lenthalpie de la vapeur quil contient.

vapvap

T

sasa HmdTCpmH += 0

,, (2-6)

On suppose que les enthalpies massiques de lair sec et de leau liquide 0C sont nulles (points de rfrence). La capacit calorifique massique de lair sec Cpa,s peut tre suppose constante dans le domaine de temprature qui nous intresse. ma,s et mvap reprsente la masse dair sec et la masse de vapeur.

Lenthalpie massique Hvap correspond la quantit de chaleur ncessaire pour vaporiser de leau liquide 0C afin dobtenir de la vapeur deau la mme temprature et pour chauffer cette vapeur de 0C la temprature T. On peut crire:

TCpLH vapvvap += (2-7)

Pour faciliter son utilisation, lenthalpie de lair humide est ramene la quantit dair sec. On parle alors denthalpie spcifique.

Lenthalpie massique spcifique Ha,h est donc :

)(,, TCpLYTCpH vapvsaha ++= (2-8)

Les constantes Cp et Lv sont calcules 0C, on a :

DD! /FBCFFCFC#FC

Ces relations permettent de passer dun paramtre un autre plus significatif selon le domaine dapplication. Le passage de la pression partielle de leau au point de rose par exemple permet de passer dune grandeur caractrisant la quantit relative en vapeur deau une grandeur exprimant la tendance la condensation.

2.2.4.1 Humidit absolue Y et pression partielle de leau pvap.

Lhumidit absolue est lie la pression partielle selon :

vap

vap

pP

pY

= (2-9)


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est gale au rapport des masses molaires Ma/Mvap

la saturation on a :

sat

sat

PP

PY

= (2-10)

2.2.4.2 Humidit relativeHR et point de rose Td

Pour un air humide la temprature T, le rapport entre lhumidit relative et le point de rose Td est :

)(

)(

TP

TdPHR

sat

sat= (2-11)

2.2.4.3 Point de roseTd et pression de vapeur saturante Psat

La temprature de rose peut tre calcule partir de la pression de vapeur saturante selon :

0.198432 Psat C4. + sat) (P C3 + (Psat)][ln C2 + (Psat)C1.ln +C0 = Td (2-12)

C0 C4 sont des constantes empiriques, leurs valeurs sont disponibles dans la rfrence [5].

DD( ECFCA"B FC2.2.5.1 Objectif

Pour des raisons pratiques, pour une pression constante P (Patm gnralement) toutes ces quations peuvent tre runies sur un seul diagramme. Ce qui permet dobtenir la table psychromtrique. Cette table servira par la suite pour :

Avoir un aperu simultan de tous les paramtres sur un mme diagramme, Dfinir facilement ltat de lair humide dans une condition donne ou pendant sa

transformation, Mieux dfinir les phnomnes de transformation de lair humide, Mieux reprsenter les domaines iso-paramtriques (isenthalpe, iso-point de rose, etc.).

2.2.5.2 Description du diagramme

La figure ci-dessous reprsente le diagramme psychromtrique de lair sous la pression atmosphrique :

Figure 10 : Diagramme psychromtrique


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Sur ce diagramme, on reporte en abscisse la temprature du gaz et en ordonne soit lhygromtrie absolue, soit le point de rose ou encore la pression partielle. Chaque courbe iso-humidit relative est trace suivant les deux axes. La courbe iso-humidit relative HR=100% reprsente la saturation. Lordonne correspondant renseigne directement sur la pression de vapeur saturante ou lhygromtrie absolue Y la saturation pour une temprature T. La partie traverse par les courbes iso-humidit HR < 100% correspond un gaz non satur (partie hachure) alors que la partie se trouvant au-del de liso-humidit 100% correspond une zone de condensation ou une zone de sursaturation. On peut aussi dterminer lenthalpie dun air humide une temprature donne T ayant une humidit absolue donne Y (ou point de rose donn) partir de laxe denthalpie plac en ordonne. Les isenthalpes sont dans ce cas reprsentes par les droites obliques traces dans les deux axes de temprature et dhygromtrie absolue.

2.2.5.3 Interprtation des courbes

En comparant la surface des losanges, on peut constater que pour une mme quantit de vapeur deau (droite horizontale diso-humidit absolue ou diso-rose), lhumidit relative change beaucoup plus vite avec la temprature pour un gaz froid que pour un gaz chaud. Inversement, pour une humidit relative donne (courbe iso-HR), la quantit totale deau (humidit absolue) varie beaucoup plus vite avec la temprature pour un gaz chaud que pour un gaz froid. En particulier, en considrant un changement de temprature donn et en prenant HR=100%, on voit que le changement dhygromtrie absolue dun gaz satur chaud est plus important que le changement dhygromtrie dun gaz froid satur.


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Glossaire Notations Noms Units p Pression partielle Pa P Pression total Pa T Temprature absolue K Td Temprature de rose C Y Humidit absolue kg/kg m Masse kg i enthalpie spcifique J/kg air Cp Chaleur spcifique isobare J/kg C Lv Chaleur latente du changement dtat vapeur/liquide J/kg eau w Fraction massique - Rapport Ma/Mvap - HR Humidit relative % x Fraction molaire - Script vap Vapeur Sat Saturation a air s sec h humide


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D EFC"BC

D &"'BBBC2.3.1.1 mulsion

Par dfinition, une mulsion est une dispersion de gouttelettes dun liquide dans une phase continue dun autre liquide dans lequel il est non miscible.

On parle dune mulsion deau dans lhuile (note E/H) si la phase continue est la phase organique, et mulsion huile dans leau (H/E) si la phase continue est le liquide polaire (eau). Gnralement, la taille des gouttelettes formant la phase disperse est de lordre du micron, ce qui leur donne un aspect blanc opaque, typique de la plupart des mulsions.

2.3.1.2 Tensioactif

Les tensioactifs sont des molcules que lon qualifie damphiphiles car elles comportent deux parties de polarit diffrente, lune polaire et hydrophile et lautre apolaire et lipophile. Une des proprits de ces molcules est de pouvoir se placer facilement aux interfaces (liquide/liquide, liquide/solide, liquide gaz) diminuant ainsi la tension interfaciale entre les deux phases.

DD 0BCFC"BC

La formation dune mulsion ncessite la prsence de deux phases liquides non miscibles. Gnralement, cest le cas si les deux liquides sont de polarit diffrente. Pour un mlange de phases polaire et apolaire, cette non miscibilit est obtenue compte tenu de la diffrence des forces de cohsion respectives mises en jeu lintrieur de chaque phase : forces de dispersion pour la phase apolaire et cohsions de type liaisons hydrognes pour la phase aqueuse (polaire). En outre, la formation dune mulsion requiert lapport dune nergie mcanique afin dobtenir la dispersion de lune ou des deux phases partir du liquide initial. Cela peut tre apport sous forme dagitation mcanique du mlange pendant la prparation de lmulsion, mais aussi, elle peut tre mise en uvre par la pulvrisation de lune ou des deux phases liquides initiales avant leur mlange.

Enfin, lmulsion ainsi forme doit tre stabilise par des agents tensioactifs permettant de ralentir sa destruction (stabilit cintique).

D B'BABCFC"BC

Selon les paramtres et leur mode de formation, une mulsion peut avoir plusieurs types de morphologie.

2.3.3.1 mulsion simple H/E et E/H

Les mulsions simples sont caractrises par une seule phase continue lintrieur de laquelle est rpartie la phase disperse. Ce sont des mulsions eau dans lhuile E/H ou huile dans leau H/E.

Figure 11 : mulsion simple (E/H et H/E)

En gnral, la fraction volumique de la phase continue est plus importante. Dans tous les cas, selon la rgle dOswald, la fraction volumique de la phase disperse ne peut dpasser 74% [7]. Thoriquement, cela peut tre obtenu en supposant quune mulsion est un empilement alatoire de sphres identiques de la phase disperse dans la phase continue selon un motif hexagonal compact ou cubique compact. Dautre part, selon la rgle de Bancroft, la phase dans laquelle lamphiphile est


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plus soluble constitue la phase continue de lmulsion [7]. Ce qui nest pas toujours applicable pour les mulsions concentres.

2.3.3.2 mulsions concentres

Une mulsion est dite concentre si la fraction de la phase continue est suprieure 74%. Cela peut tre obtenu si les gouttes ne sont pas sphriques mais ont une structure polydrique. La fraction en question peut aussi tre dpasse dans le cas o les gouttes ne sont pas de mme taille mais sont polydisperses de manire ce que les plus petites gouttes remplissent lespace entre les grosses gouttes [7] [8].

2.3.3.3 mulsions multiples

Une mulsion multiple est une mulsion dmulsions. Une mulsion multiple H/E/H est constitue de gouttelettes dhuile disperses dans des gouttelettes deau plus grosses, elles-mmes disperses dans une phase continue huileuse. Inversement, une mulsion multiple E/H/E est constitue par des gouttelettes deau dans des gouttelettes dhuile disperses dans une phase continue aqueuse [8].

Figure 12 : mulsions multiples

Les mulsions multiples sobtiennent gnralement par mulsification de lhuile H dans leau E avec une phase huile limite 30%. Puis cette mulsion {H/E} est mulsifie dans lhuile. La quantit totale de lhuile peut alors dpasser les 30% alors quelle est ltat dispers. Un tel scenario semble possible pour les mulsions de blow-by puisque la prsence des gouttelettes dhuile favorise une mulsion H/E alors que la quantit totale de cette huile peut dpasser la limite de 30% dfinie par la rgle dOswald.

Les mulsions multiples peuvent aussi tre obtenues spontanment dans le cas dune inversion de phase dune mulsion simple E/H ou H/E.

D! EFC#FCB'CCFC"BC

Non seulement les mulsions peuvent avoir des proprits microscopiques diffrentes selon leur mode de formation mais aussi elles peuvent changer de morphologie selon leur environnement. En ce qui concerne le mode de formation, les variables influenant sont : la formulation, la composition et le procd de formation.

2.3.4.1 Influence de la formulation (ou HLD)

C! $FABB

La formulation reprsente les conditions dans lesquelles lmulsion a t forme. Elle comprend divers paramtres dont la temprature, la pression, la nature du tensioactif et celle de lhuile.

La formulation peut tre caractrise par un nombre sans dimension not HLD (hydrophilic lipophilic deviation) intgrant simultanment la contribution relative des diffrents paramtres en jeu. La valeur numrique de la HLD peut tre calcule empiriquement en fonction de la temprature, la composition du tensioactif, la nature de lhuile, la salinit, etc. [9] [10]:

C!C %AABABFB&'BBFBAB(BFBFAB&'BB

A une concentration de tensioactif constante et un mode de formation donn, il est gnralement possible de prvoir la nature dune mulsion partir des paramtres de formulation HLD et la fraction en eau. On obtient alors la carte HLD suivante " C"


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Figure 13 : Carte de formulation des mulsions (HLD)

Selon la proportion en eau, on distingue trois zones diffrentes : Une zone A pour une proportion en eau et en huile relativement comparable. Ce qui donne

une mulsion E/H ou H/E selon les paramtres de formulation HLD (en particulier selon la nature du tensioactif). On note A+ ou A- ces deux types dmulsion selon le signe de la HLD correspondant.

Une zone B pour une proportion en huile trs leve : comme le prvoit la rgle dOswald, la phase externe est dans ce cas constitue par lhuile quelque soit le paramtre de formulation. Deux cas peuvent alors tre envisags.

o Si la rgle de Bancroft est vrifie (tensioactif plus soluble dans la phase continue huileuse) on aura comme prvu une mulsion H/E simple. On est donc dans la zone B+ correspond une HLD positive.

o Par contre, si la rgle de Bancroft ne peut tre satisfaite (c'est--dire que leau ne peut pas tre la phase continue mme si le tensioactif y est plus soluble), on obtient une mulsion multiple H/E/H. La phase externe obit ainsi la rgle dOswald tandis que la phase la plus interne obit la rgle de Bancroft. On est dans la zone B - .

Une zone C pour une proportion en eau leve : comme prcdemment, la phase externe sera leau quelle que soit la formulation. On obtient une mulsion E/H si la rgle de Bancroft est vrifie (zone C -) et une mulsion E/H/E si les deux rgles sont contradictoires (zone C+).

La zone o la phase externe est leau et celle o la phase externe est lhuile sont spares par une frontire en forme de marche descalier appele ligne dinversion de phase standard. La ligne comprend une partie horizontale correspondant une HLD nulle et deux traits verticaux dont les positions dpendent de plusieurs facteurs dont la concentration en tensioactif, la viscosit, etc. La ligne dinversion est extrmement importante puisquelle dlimite les rgions o lmulsion obtenue possde une proprit ou une autre.

2.3.4.2 Influence de la temprature

Pour une concentration donne de tensioactif, il est possible de reprsenter les divers tats de lmulsion diffrentes tempratures par les reprsentations suivantes [12].

Figure 14 : Influence de la temprature sur les mulsions (Cas dun mlange 50% Eau/ Ttradcane en

prsence dun tensioactif neutre, le C12E5)


28

A faible temprature, les tensioactifs sont plus solubles dans leau que dans lhuile. Du point de vue microscopique, cela correspond des gouttes dhuile disperses dans une phase aqueuse riche en tensioactifs (WI sur la Figure 14). Du point de vue macroscopique, elle correspond une mulsion E/H. A temprature moyenne, le tensioactif est soluble aussi bien dans la leau que dans lhuile. Trois cas sont possibles :

Dans le premier cas, on obtient une phase suprieure riche en eau, une phase infrieure riche en huile et une phase intermdiaire riche en tensioactif et contenant une quantit similaire deau et dhuile.

Dans le deuxime cas, on obtient une phase unique dmulsion H/E. Enfin on peut obtenir une mulsion unique E/H.

Dans les trois cas, du point de vue microscopique, chaque phase peut tre considre comme un mlange compos de gouttes riches en huile (resp. riche en eau), dune phase continue riche en eau (resp. riche en huile), et dune interface riche en tensioactif (WIII sur la Figure 14). A temprature leve, le tensioactif est plus soluble dans lhuile. Du point de vue microscopique, on a des gouttes deau en suspension dans une phase continue dhuile riche en tensioactif (WII sur la Figure 14). Du point de vue macroscopique, cela correspond une mulsion H/E.

2.3.4.3 Influence du tensioactif

Les figures prcdentes ont t tablies pour une faible concentration en tensioactif. Avec une concentration plus leve, on observe successivement lapparition dune phase unique de micromulsion (note WIV sur la Figure 15) correspondant la dissolution des phases en excs dans une micromulsion H/E ou E/H.

Pour des concentrations en tensioactif encore plus leves, on observe lapparition de cristaux liquides suite lassociation des tensioactifs entre eux [12].

Figure 15 : Influence de la concentration en tensioactif sur les mulsions

Ainsi par exemple, pour une concentration en tensioactif de 16,6%, le diagramme de phase de la Figure 14 est modifi. La phase intermdiaire WIII de cette figure est remplace par une phase diphasique de cristaux liquides ou dune mulsion homogne WIV.

D( BB"CFC"BC2.3.5.1 Aspect nergtique

C %AFAB)F*&AB

Les phases huiles et aqueuse sont les siges de force de liaison permettant de maintenir la cohsion des molcules respectives lintrieur de chaque phase. Ainsi, comme les deux phases ne peuvent pas tablir de liaisons entre elles, tendre laire de linterface E/H correspondrait la perte de ces cohsions et ncessiterait un apport dnergie externe. Laccroissement de la surface saccompagne dans ce cas de laccroissement de lnergie libre totale.


29

Figure 16 : Accroissement dune interface Ainsi, on peut caractriser linterface H/E par son enthalpie libre Fs, qui est lnergie ncessaire lors

de la variation de laire A de linterface entre les deux phases dune quantit A [7] [13]:

A= .G intform (2-13)

int reprsente la tension interfaciale. Elle exprime la force tangentielle qui tend minimiser laire interfaciale A. En considrant ces aspects nergtiques, on peut dire quune dispersion deau dans lhuile ou dhuile dans leau est thermodynamiquement instable. Les gouttelettes dune mulsion ont donc tendance coalescer rapidement pour conduire un tat thermodynamique plus stable dans lequel les deux phases sont spares par une surface minimale : formation de deux couches bien distinctes.

CC %AFAB)F*&ABABAABABAFBB

Bien quelle soit thermodynamiquement instable, une mulsion peut prsenter une pseudo-stabilit en prsence de composs tensioactifs. En effet, le tensioactif par nature va se placer entre les deux phases. Ainsi, les gouttes formes sont protges de la coalescence par un film interfacial de tensioactif. Ce dernier comporte une partie hydrophile et une partie lipophile et sadsorbe linterface de manire diminuer la tension interfaciale entre les deux phases et augmenter la stabilit de linterface [12].

Figure 17 : Stabilisation dune goutte dhuile dans une phase continue deau en prsence de tensioactif

En solution dilue, on montre que de la tension interfaciale int entre la phase huile et la phase eau diminue en fonction de la concentration en tensioactif dans la phase dans laquelle il est solubilis [13][14] (figure suivante) :

Figure 18 : Variation de la tension interfaciale en prsence de tensioactif

TA est lexcs de la quantit de tensioactif par unit daire de llment (Caractristiques des tensioactifs) CTA est la concentration en tensioactifs dans la phase dans laquelle il est solubilis R est la constante des gaz parfaits.


30

2.3.5.2 Processus de dstabilisation des mulsions

Comme il a t dit prcdemment, une mulsion est un systme mtastable. Elle volue avec le temps et subit des processus de dstabilisation plus ou moins importants. On distingue la coalescence, le murissement dOstwald, la floculation et la sdimentation.

CC FBBFAAAB

La coalescence est la formation dune grosse goutte par rapprochement et fusion de gouttelettes due linstabilit des interfaces [7]. Elle est irrversible et implique la rupture des films sparant les gouttes [13]. A termes, la coalescence aboutit la formation de deux phases.

Figure 19 : Coalescence

La coalescence se fait en trois tapes [13]: Lentre en contact des surfaces couvertes de tensioactifs des deux gouttes, accompagne

du drainage du liquide qui les spare, La formation dun canal entre les deux gouttes, Laccroissement du diamtre du canal aboutissant la fusion des deux gouttes en une

nouvelle goutte plus grande.

Figure 20 : Mcanisme de coalescence

La cintique de la coalescence est lie ces trois tapes et dpend essentiellement de linteraction entre les gouttes.

La stabilit cintique peut tre interprte du point de vue nergtique par lexistence dune barrire nergtique dordre lectrique ou strique sopposant la coalescence des gouttelettes. Ainsi sa cintique dpend en grande partie de la protection collodale des gouttelettes c'est--dire les proprits de la surface mise en jeu [7]. Pour la dispersion dhuile dans leau en prsence de tensioactif ionique, les gouttes sont charges lectriquement grce au tensioactif qui sadsorbe la surface. Elles se repoussent donc mutuellement do la stabilit.

Notons que la dilution dune mulsion favorise la coalescence. Les tensioactifs adsorbs la surface tant en quilibre avec la phase continue, la dilution de lmulsion dplace lquilibre dadsorption vers la diminution de la quantit de tensioactifs adsorbs ce qui affaiblit les films protecteurs. Ce phnomne mrite notre attention sachant que lmulsion de blow-by est en permanence dilue par leau de condensation fraichement forme dans les conduites.

CCC ABAAB+,-FB

Afin dexpliquer le murissement dOstwald, il est important de rappeler lexistence de la surpression de Laplace lintrieur des gouttes disperses.


31

La pression de Laplace

Lexistence dune tension interfaciale int entre les deux phases non miscibles implique que la pression lintrieur des gouttes soit suprieure la pression extrieure. Cette surpression est dduite de la tension superficielle et du rayon de la goutte selon la loi de Laplace:

RP

2= (2-14)

Plus le rayon est faible, plus la pression lintrieur de la goutte est leve.

Le murissement dOstwald

Le murissement dOstwald est la consquence de la diffrence de pression entre lintrieur et lextrieur des gouttes. La pression dans les grosses gouttes est plus faible que celle dans une petite goutte, la matire dans les petites gouttes se diffuse donc travers la phase continue vers les grosses gouttes [8] [7]. On observe une diminution de la taille des petites gouttes jusqu leur disparition complte et par la mme occasion laugmentation de la taille des grosses gouttes.

Figure 21 : Murissement dOstwald

Grce au murissement dOstwald, la granulomtrie de lmulsion volue avec le temps et le diamtre moyen des gouttes crot [13]. Le phnomne sauto-ralentit et devient trs lent au-del dun diamtre moyen de goutte suprieur 1 m.

CC FBFBB

La floculation ." /" " correspond au regroupement des gouttelettes indpendantes pour former des grappes. Un rapprochement des gouttes est favoris par lagitation thermique et si une interaction attractive suffisante existe entre les gouttes ainsi mises en contact, les gouttes restent associes sous forme dagrgats.

Du point de vue nergtique, pour deux gouttelettes identiques de rayon R, spares entre elles dune distance d, le potentiel du systme est donn par la figure suivante:

Figure 22 : Aspect nergtique de la floculation

Ceci montre que le systme prsente un puits de potentiel Umin pour lequel la distance d entraine une nergie minimale. Elle correspond la configuration optimale du systme. Trois cas peuvent alors se prsenter :

Si le mouvement brownien est assez nergique pour sortir le systme du puits de potentiel, c'est--dire si Umin


32

Si le mouvement brownien est trop faible par rapport Umin, c'est--dire si Umin>>kT, les gouttes sagrgent dans tout le volume et ne peuvent tre re-disperses par lnergie thermique seule.

En outre, du point de vue cintique, le rapprochement entre les deux gouttes peut tre ralenti par une barrire de potentiel Eb (due aux rpulsions lectrostatiques, par exemple) empchant les deux gouttes de se rapprocher la distance dquilibre correspondant Umin. Selon la valeur de cette barrire nergtique on observe trois cas:

Si Eb >> kT, le mouvement brownien nest pas suffisant pour rapprocher les deux gouttes au-del de la barrire nergtique. Il ny aura donc pas dagrgation.

Si Eb ~ kT, lagrgation est lente. Si Eb


33

2.3.5.3 Linversion de phase

Par dfinition, linversion de phase correspond au passage dune mulsion E/H vers une mulsion H/E ou le contraire. Comme le montre le diagramme de formulation de la Figure 13, une inversion de phase peut se produire lorsque les paramtres de formulation dune mulsion sont modifis (changement de la temprature ou modification de la composition).

La comprhension du phnomne dinversion de phase est importante pour nous vu que, non seulement lmulsion de blow-by peut subir un refroidissement ou un rchauffement en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, mais aussi, la composition en eau ou en huile dune mulsion de blow-by peut voluer dans le temps.

C %EABABFABAB0BFBAFABB

Pour une composition donne, une mulsion E/H peut se transformer en mulsion H/E au-dessous dune certaine temprature appele Temprature dinversion de phase (PIT). De mme une mulsion H/E peut devenir une mulsion E/H en augmentant la temprature au-del de PIT [10][12].

Sur la carte HLD, la PIT correspond une HLD=0. La PIT est indpendante de la concentration en tensioactif, mais varie avec la nature de celle-ci. Rappelons toutefois qu partir dune certaine concentration en tensioactif, tout le domaine devient monophasique quelle que soit la temprature.

Figure 24 : Inversion de phase avec la temprature

Linversion de phase avec la temprature, est un phnomne rversible. Comme il a t montr dans le paragraphe prcdent, cest une consquence directe du changement de la solubilit relative des tensioactifs dans chacun des milieux en fonction de la temprature.

CC %EABABFABABFBFAABABB

Comme prvu par le diagramme de formulation, une variation de la teneur en eau peut aussi entrainer une inversion de phase. Toutefois, la ligne dinversion ne concide gnralement pas avec la ligne dinversion standard du diagramme de formulation. Elle prsente des retards ou hystrses selon le sens de dplacement du paramtre. On parle alors dune inversion dynamique.

On distingue deux processus dinversion de phase. Le premier provient de lajout de phase interne une mulsion normale (H/E ou E/H de la zone A) conduisant dabord la formation dune mulsion de plus en plus concentre (les gouttes deviennent polydriques) jusqu une limite o les phases sinversent. Le deuxime processus correspond lajout de phase interne une mulsion de type anormale (zone B- ou C+ du diagramme de la Figure 13) et qui conduit un changement de phase ds que le contact entre les gouttes est possible.

En outre, selon la vitesse dajout de la phase interne, on peut sattendre une inversion de phase directe ou une inversion de phase passant par une mulsion multiple. Pour une addition lente, linversion de phase passe par une mulsion multiple rsultant de linclusion sous forme de gouttelettes de la phase continue dans la phase ajoute. [11]


34

Figure 25 : Inversion de phase par changement de la proportion en eau (ou en huile)

Enfin, notons que si la phase ajoute est la phase continue, on nobserve aucun changement de phase mais seulement une dilution de lmulsion.

2.3.5.4 Stabilit dune mulsion en fonction de la formulation : Carte de proprit.

La morphologie constitue un paramtre caractristique important dune mulsion. En effet, selon la nature de la phase continue ou de la phase disperse, la proprit dune mulsion peut changer de manire significative.

On peut donc tablir une carte de proprit en associant les divers domaines de la carte HLD de la Figure 13 avec les proprits communes des mulsions qui leur correspond [12]

En ce qui concerne la stabilit, la zone A- et A+ de la Figure 13 donne des mulsions H/E ou E/H relativement stable. Au voisinage de HLD=0, c'est--dire sur la ligne horizontale dinversion de phase, on a une diminution assez importante de la stabilit et lmulsion se spare assez vite.

Pour la viscosit, les domaines A- et A+ (Figure 13) correspondent une mulsion assez visqueuse alors quau niveau de la ligne dinversion de phase, la viscosit est trs faible et passe par un minimum.

D- BB'BABCFC"BC

La solidification dune mulsion correspond au passage de ltat liquide ltat solide dun ou de tous ses constituants. En ce qui nous concerne cela correspond surtout la solidification de leau sachant que la temprature de cristallisation des lubrifiants est bien en-dessous de la temprature minimale que nous allons considrer au cours de cette tude.

2.3.6.1 Rappel : temprature de cristallisation pour un milieu infini

Pour faciliter la comprhension des phnomnes de solidification des mulsions, considrons en premier lieu la solidification de leau ltat pur.

C# FB+BAB1ABB

Considrons un volume deau de taille infinie. La solidification de ce volume dbute par lapparition de germes de cristallisation dans le volume suivi par la croissance de ces germes jusqu la solidification totale du reste du liquide. Bien que la solidification proprement dite soit exothermique, la formation des premiers germes nanomtriques ne se fait que par un apport dnergie au systme.

Thoriquement, lnergie %G ncessaire pour former un germe de taille r est donne par la somme de

lnergie pour la formation de la surface du germe (I) et lnergie ncessaire pour le regroupement des molcules deau (II) ".


35

vErrIIIG ....432 +=+=

r : Taille du germe Ev : Energie libre pour regrouper les molcules : Tension interfaciale

Figure 26 : Energie de formation dun cristal de taille r

Comme le montre la figure, lnergie G prsente un maximum local correspondant une valeur de

*r =r . r* est le rayon critique pour une condition de temprature donne. Si la taille r du germe qui se forme est infrieure r*, le germe a tendance se dtruire pour atteindre un niveau dnergie infrieur. Si r > r*, le germe volue pour atteindre une taille infinie correspondant la solidification totale de tout le liquide.

On montre que lnergie G correspondant la formation dun germe de taille r* peut tre lie la temprature selon [15]:

T

TfLf

VG Scrit

22

23

ln3

...16 = (2-16)

Lf est la chaleur latente de fusion Vs reprsente le volume molaire dun germe solide

C'est--dire que, plus la temprature T du milieu est faible par rapport la temprature de fusion Tf, plus lnergie Gcrit ncessaire pour obtenir un germe ayant la taille critique est faible. La cristallisation est donc facilite.

Inversement, en prsence dune source dnergie importante (vibration dans le moteur par exemple), le dbut de cristallisation de leau pure dans un milieu infini, peut tre trs proche de la temprature de fusion 0C. Par contre, en absence de source dnergie cette valeur peut tre beaucoup plus basse. On parle dans ce cas de phnomne de surfusion.

C#C FB+BAB1AB

Dans la pratique, la nuclation se fait essentiellement partir des impurets prsentes dans les liquides ou partir de surfaces solides. En fonction de la taille des particules dimpuret ou de laspect des surfaces, lnergie relle ncessaire la germination peut diminuer [12].

critcrit GG = ' (2-17) Le facteur est infrieur ou gal 1. On dmontre que peut sexprimer en fonction de langle de mouillage du solide cristallin dans le systme solide (surface du solide tranger) / liquide selon lquation suivante [12]

( )( )4

cos1cos2 2 += (2-18)

Langle de mouillage varie en fonction des tensions interfaciales int(cl), int(cs) et int(sl) selon le diagramme nergtique suivant :


36

Figure 27 : Dtermination de langle de mouillage du cristal en fonction des tensions interfaciales

Si le matriau tranger (solide S) prsente une affinit partielle avec les cristaux de glace (dpt cristallin c), est infrieur 1, on observe donc lacclration de la nuclation et labaissement de la temprature de dbut de cristallisation. Dans ce cas la cristallisation se fait de manire htrogne et elle se dveloppe partir de llment tranger.

2.3.6.2 Temprature de cristallisation : application aux mulsions

Concernant les mulsions, il existe deux types de cristallisation selon que lmulsion est de type H/E ou E/H.

C#C 2AFABABFFB+ABB&*)B

Si leau est la phase continue, la cristallisation est comparable la cristallisation dune phase liquide infinie. On peut donc appliquer les thories prcdentes et la solidification totale du mlange est initie par lapparition dun seul germe stable dans le volume entier.

La temprature de solidification est dans ce cas donne par la temprature de germination qui peut tre plus ou moins proche de 0C selon le volume de lchantillon :

Pour une temprature donne, plus le volume dchantillon est faible, plus la probabilit dobtenir un germe de taille suprieure la taille critique est faible, do la diminution de la temprature de cristallisation.

Par contre, si le volume est lev, la probabilit dobtenir un germe dpassant la taille critique est leve.

Ainsi, pour une gouttelette deau isole par exemple, la temprature de cristallisation peut descendre jusqu -45C alors quelle peut tre trs proche de la temprature de fusion pour un volume dchantillon plus important.

C#CC 2AFABABFFBB)*&BB

Si leau est la phase disperse, on peut considrer la solidification comme la cristallisation simultane des diffrentes gouttes disperses. Chaque goutte tant considre comme plusieurs milieux homognes isols, caractriss par leurs volumes respectifs. La taille dune goutte deau tant nettement infrieure par rapport une phase continue deau, la temprature de cristallisation dune mulsion E/H est beaucoup plus faible que celle de leau pure.

On montre que ", pour un chantillon refroidi de manire continue, la frquence de solidification (dN/N0) atteint une valeur maximale partir dune certaine temprature avant de redescendre jusqu zro ( cause de la diminution du nombre de gouttes liquides restant disponibles la cristallisation).


37

Figure 28 : Temprature probable de solidification pour les mulsions

On parle alors de la temprature probable de solidification de lensemble des gouttes. Elle est la fois fonction de la taille des gouttes et de la vitesse de refroidissement de lchantillon.


38

Glossaire Notation Noms Units A Surface cre m2 d Distance entre deux gouttes m D Diamtre dune goutte disperse m E/H mulsion Huile/Eau (not aussi W/O) - Eb Barrire de potentiel ou Energie dactivation J/mol Ev Energie libre pour regrouper les molcules dans la

formation dun germe cristallin N/m2

g Acclration de la pesanteur m/s2 H/E mulsion Eau dans lhuile (not aussi O/W) - HLD Hydrophilic Lipophilic Deviation - J Vitesse de nuclation (nombre de germes par unit de

volume et par unit de temps) s-1m-3

k Constante caractristique de lagitation thermique - Lf Chaleur latente de fusion J/mol n Nombre dlments - Nt Nombre de gouttes (cristallises linstant t) - PIT Temprature dinversion de phase C R Rayon dune goutte disperse m r Rayon dun germe m R Constante des gaz parfait J/(mol*K)]: t Temps s T Temprature C Tf Temprature de fusion C U Energie du systme dfini dans la Figure 22 J/mol v Vitesse de migration des gouttes m2 V Volume m3 Vs Volume molaire dun germe solide m3/mol WI , WII, WIII, WIV mulsion Winsor I, II, III, IV Constante - Tension interfaciale Huile/Eau N/m int(cl) Tension interfaciale germe cristallin/liquide N/m int(cs) Tension interfaciale germe cristallin /solide tranger N/m int(sl) Tension interfaciale solide tranger /liquide N/m Ai lexcs de la quantit de tensioactif par unit dair de

llment i mol/m2

G Enthalpie de formation dun germe cristallin N.m Gform Energie libre de formation dune interface J/m3 P Surpression de Laplace Pa Diffrence de masses volumiques des phases kg/m3 Angle de contact rad Viscosit dynamique Pa-s i Potentiel chimique J/mol Densit kg/m3 Facteur de rduction pour le calcul de lnergie dactivation - T* Temprature probable de solidification [C] Script c Continu crit Critique i Elment i TA Tensioactif Phase eau B Phase huile


39

D! ECAFBCFC$BCBFC

D! &"'BBBCC2.4.1.1 La condensation de la vapeur pure

Par dfinition, la condensation est lextraction de la chaleur dans un systme de manire ce quune vapeur se transforme en liquide. Pour la vapeur deau, elle se produit lorsque la vapeur est expose une temprature infrieure la temprature de vaporisation de leau qui est de 100C la pression atmosphrique.

2.4.1.2 La condensation de lair humide [16] [17]

La condensation de lair humide se produit si le gaz est expos une temprature infrieure sa temprature de rose. On observe alors le passage dune partie de leau contenue dans lair humide de ltat vapeur vers ltat liquide tout en laissant derrire lui un air de plus en plus sec.

Rappelons que, pour une pression quelconque, la temprature de rose varie avec lhumidit ou la pression partielle de leau. Pour lair humide, la temprature de rose est beaucoup plus faible que la temprature de condensation de la vapeur deau pure. (Voir Figure 9).

D!D FACFB FC

La condensation commence par la formation de particules liquides microscopiques appeles nuclus partir de la vapeur. Du point de vue thermodynamique, la formation dun nuclus de taille R ncessite une nergie G tel que [18] [19] :

+

ABBC

D

=

wvapw

S

w Rp

pkTRG ,

23

4ln3

4

(2-19) - R : Rayon dune goutte de nuclus - k : Constante de Boltzmann - Tw : Temprature du support - pw : Pression partielle de vapeur - pC : Pression partielle de vapeur valu la temprature du

support - DS : Volume dune molcule - E : Tension interfaciale liquide/paroi

Figure 29 : G = f (R)

Le premier terme de lquation (2-22) reprsente lnergie ncessaire pour passer un amas de particules de taille R de ltat vapeur ltat liquide tandis que le deuxime terme reprsente la barrire nergtique franchir pour former linterface liquide/vapeur. Comme le montre la Figure 29, le diagramme nergtique du systme passe par une valeur maximale G* qui est une barrire nergtique franchir pour quun nuclus puisse crotre au-del du rayon critique R*. Comme dans le cas de la cristallisation de leau, le rayon critique R* est le rayon minimum ncessaire pour que le germe de condensation soit stable.

Cintiquement, le taux de nuclation peut tre li lnergie dactivation G* selon la relation suivante :

Tk

G

edt

dn .*

(2-20)

formation de gels et d'émulsions dans le circuit de blow

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