Le gaz naturel, en tant que combustible fossile relativement propre, émet beaucoup moins de dioxyde de carbone et d'autres polluants lors de sa combustion que le charbon et le pétrole. Lors de la transition mondiale vers des systèmes d'énergie renouvelable, le gaz naturel est souvent considéré comme un « carburant de transition » en raison de sa capacité à maintenir la stabilité et la fiabilité de l'approvisionnement énergétique1. Par liquéfaction, le gaz naturel à l'état gazeux est refroidi jusqu'à devenir un liquide cryogénique (GNL), ce qui réduit son volume d'un facteur d'environ 600, facilitant ainsi grandement son transport et son stockage2. L'échangeur de chaleur en spirale est un composant central du procédé de liquéfaction du gaz naturel. Ce type d'échangeur de chaleur se compose d'une série de tubes en spirale fixés à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique, enroulés couche après couche en sens opposés autour d'un mandrin central, des entretoises séparant les couches afin d'assurer un espace suffisant pour l'échange thermique. En raison de sa configuration en spirale, l'échangeur en spirale offre une grande surface d'échange thermique dans un faible encombrement3. Cette conception compacte le rend particulièrement adapté à l'intégration dans de grandes installations, notamment sur les plates-formes flottantes de production en mer où l'espace est strictement limité. Dans les procédés de liquéfaction à mélange frigorigène, couramment utilisés dans la production de GNL, des hydrocarbures non azéotropiques circulent vers le haut à l'intérieur des tubes, tandis que le fluide froid côté enveloppe s'écoule vers le bas de manière contracourant à travers les espaces entre les tubes. Dans ces conditions, le processus principal côté tube est la condensation des hydrocarbures non azéotropiques à l'intérieur des tubes en spirale, impliquant un écoulement diphasique complexe gaz-liquide4,5.
Afin de prédire avec précision les caractéristiques d'écoulement et de transfert de chaleur lors de la condensation à l'intérieur des tubes, de nombreuses recherches ont été menées. Pour les alcanes à composant unique, Fries et al.6 ont mesuré les caractéristiques de transfert de chaleur lors de la condensation du propane dans des tubes horizontaux, constatant que la chute de pression augmentait lorsque le diamètre du tube et la pression de saturation diminuaient. Ils ont également noté que la gravité faisait que le coefficient de transfert de chaleur au bas du tube était inférieur à celui du haut. Zhuang et al.7,8 ont étudié la condensation du méthane et de l'éthane dans des tubes horizontaux, montrant que le coefficient de transfert de chaleur et la chute de pression due aux frottements augmentaient avec le débit massique et la qualité de la vapeur. Une étude antérieure9 a analysé le processus de condensation du propane dans des microcanaux, confirmant que les tendances de transfert de chaleur et de chute de pression étaient similaires à celles observées dans les canaux conventionnels. Pour les frigorigènes mixtes, Smit et al.10 ont étudié la condensation de mélanges R22/R142b dans des tubes horizontaux, constatant qu'à faibles flux massiques, l'augmentation de la fraction massique de R142b réduisait significativement le coefficient de transfert de chaleur. Berrada et al.11 ont étudié un mélange R134a/R23 et ont trouvé que le glissement de température avait peu d'effet sur le transfert de chaleur pour différents rapports de composition. Neeraas a réalisé des expériences sur des mélanges d'éthane/propane dans des tubes en spirale, notant que l'effet de mélange influençait fortement le calcul du coefficient de transfert de chaleur par condensation12. Dans des simulations numériques, Li et al.13 ont simulé le processus de condensation éthane/propane, montrant que le coefficient de transfert de chaleur et la chute de pression due aux frottements diminuaient avec l'augmentation de la pression de saturation. Qiu et al.14 ont pris en compte l'effet d'entraînement vapeur-liquide lors de la simulation de la condensation du propane dans des tubes en spirale ; leurs résultats ont montré que la prise en compte de cet effet réduisait l'écart entre les résultats de simulation et les données expérimentales à moins de 25 %.
Malgré des recherches approfondies sur divers fluides de travail et configurations de canaux, un écart important persiste entre les fluides purs ou binaires généralement étudiés dans la littérature et les mélanges multiconstituants utilisés dans la production industrielle de GNL. Plus précisément, les études numériques portant sur des mélanges hydrocarbonés non azéotropiques à trois composants ou plus dans des canaux d'écoulement complexes restent remarquablement limitées15. De plus, en ce qui concerne l'application spécifique des plates-formes offshore de GNL, une compréhension globale fait encore défaut quant à la manière dont les mouvements des équipements, causés par l'environnement marin, modifient l'écoulement de condensation et le comportement de transfert de chaleur. Pour combler ces lacunes, cette étude associe des simulations de dynamique des fluides numériques (CFD) à des données expérimentales existantes afin d'élaborer un modèle détaillé tridimensionnel d'écoulement diphasique en condensation. Comparer et analyser le coefficient de transfert de chaleur simulé et la chute de pression due aux frottements à partir de données expérimentales classiques. Sur la base de ce modèle, l'article se concentre sur la simulation du processus de condensation de compositions typiques de gisements gaziers dans des tubes en spirale, notamment en conditions de roulis, afin d'explorer les mécanismes sous-jacents de l'influence des mouvements complexes sur le transfert de chaleur en condensation multiconstituant. Cette étude fournit une base théorique fiable et des orientations pratiques pour la conception et l'optimisation des échangeurs de chaleur performants dans les procédés de liquéfaction de gaz naturel offshore.