Sprays: débits et pressions II.4.3.1
Les deux paramètres de contrôle principaux concernant la brumisation sont le débit et la pression d’eau injectée. Le débit renseigne sur la dépense en eau et la pression est liée à la consommation énergétique. La pression permet également de savoir quand la buse est bouchée, ou quand la brumisation est arrêtée. Les deux paramètres sont liés.
Le débit d’eau est mesuré à l’aide d’une balance. L’eau injectée est pompée dans un réservoir. Lors de la brumisation, la masse de ce réservoir va baisser linéairement : le débit d’eau correspondra à l’opposé du coefficient directeur de la pente. La pression d’eau injectée est mesurée avec un capteur de pression situé en amont de(s) buse(s). Dans les 2 cas, il faut effectuer une calibration entre la tension du signal recueilli à la centrale d’acquisition et la grandeur souhaitée (pression ou débit).
Pour la balance, de la marque Mettler, ceci est réalisé avec des poids référence en lisant la valeur de masse m (en g) affichée par la balance tout en enregistrant la tension correspondante 𝑈𝑚(en V). La calibration de la balance s’est faite avec 24 poids différents et a donné :
m = 1587,761 ⋅ 𝑈𝑚− 657,507 (51) Le capteur de pression est étalonné avec un calibrateur en pression, qui permet par pression manuelle de calibrer les pressions entre 0 et 30 bar.
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La calibration du capteur de pression s’est faite avec 13 pressions différentes et a donné la calibration suivante, avec P en bar et Up en V :
P = 1071,453 ⋅ 𝑈𝑃+ 0,314 (52) Après la calibration en débit et en pression, trois relations débit/pression ont été établies pour trois buses sur trois plages de pressions différentes :
– la buse LECHLER 212.004 à cône creux entre 0,5 et 3 bar avec la pompe Renault. On fait varier la pression d’injection par le biais de la tension d’alimentation de la pompe. On teste ainsi 5 tensions différentes : 5, 7, 9, 11 et 12,5 V, et on regarde quelle granulométrie est obtenue avec le Spraytec (cf. partie II.4.4.2.1) ;
– la buse LECHLER 220.014 à cône creux, utilisée pour évaluer le taux d’évaporation, avec des pressions entre 3 et 20 bar, obtenues avec la pompe Prominent.
Pour les 2 buses LECHLER, les valeurs montrent que la relation entre le débit 𝑚̇ (en kg.h-1) et la pression 𝑃 (en bar) est régie par la loi de Bernouilli :
𝑚̇(𝑃) = 0,4 ⋅ 𝑃0,5 (53) Pour la buse jet plat Spraying Systems, la pression d’injection a été fixée à 2 bar. La pompe lave-glace a été utilisée comme source d’alimentation en eau.
Figure 42 – Débit mesuré en fonction du débit théorique pour la buse jet plat à P = 2 bar en fonctionnement continu et intermittent
Etant donné que la pression d’injection a été fixée à 2 bar, les différents débits de la Figure 42 ont été obtenues en saccadant le débit par intermittence (cf. partie I.3.3.5). Le débit mesuré a été comparé au débit théorique obtenu par calcul à partir du débit continu et du rapport cyclique d’ouverture. Les mesures ont été faites sur 3 buses différentes pour évaluer la reproductivité de la mesure. Les données obtenues sont présentées dans la Figure 42. En fonction de la buse, on observe une variation du débit continu entre 2,5 et 3 kg.h-1 (mesures entourées). Pour les buses 2 et 3, le débit mesuré est conforme au débit théorique : il y a une parfaite intermittence du spray. Pour la buse 1, le débit mesuré est un peu supérieur au débit théorique, ce qui peut être dû à un débit de fuite lorsque
l’alimentation en eau de la buse est coupée. Ces résultats montrent une bonne reproductibilité de la mesure et la possibilité d’abaisser le débit des buses à jet plat.
Pour l’ensemble des buses, les débits mesurés sont inférieurs aux débits donnés par le constructeur : cela peut être attribuable à un protocole de mesure différent. On peut supposer que cela soit dû à une mesure du constructeur faite sur un temps court et qui donne un débit plus élevé.
Taux d’évaporation II.4.3.2
Pour les buses Climext, Tissot (2011) avait déterminé que l’eau s’évaporait de 7,3 à 18 % à co-courant et de 70 à 80 % à contre-co-courant dans l’air avant d’entrer en contact avec la surface de l’échangeur. Afin de déterminer approximativement ce taux d’évaporation pour les buses LECHLER, une expérience a été réalisée. Une plaque métallique a été placée à 1 cm devant l’échangeur, sans boucher les ailettes de l’échangeur à mini-canaux, de telle sorte que toute l’eau non évaporée soit récupérée sur sa surface. Cette plaque sert donc à récupérer l’eau non évaporée. Comme cet obstacle modifie l’écoulement d’air autour de lui, la buse est placée à co-courant de l’écoulement d’air et à 10 cm de la surface de la plaque métallique. De cette façon, les configurations avec et sans plaque restent proches, la seule différence étant que le spray est un peu moins resserré avec la plaque. On retrouve ce simple dispositif sur la Figure 43. L’expérience est menée à plusieurs pressions d’injection P(3, 5, 10, 21 et 35 bar), à un débit d’air, correspondant à GMV1 (450 kg.h-1), à température ambiante et sans écoulement de fluide dans l’échangeur (de manière à limiter au maximum l’évaporation de l’eau qui impacte la plaque).
Figure 43 – Mesure du taux d’évaporation
Un bac situé sous la buse et la plaque métallique récupère l’eau non évaporée. Ainsi, la pesée du réservoir renseigne sur la masse injectée, celle du bac et de la plaque sur la masse non évaporée. La différence des 2 sur la masse totale injectée donne le taux d’évaporation 𝜏𝑒𝑣𝑎𝑝. Le récapitulatif des mesures est donné dans le Tableau 13.
Tableau 13 – Taux d’évaporation pour la buse LECHLER 220.014
P(bar) 𝑚̇𝑤𝑛𝑧(kg.h-1) 𝜏𝑒𝑣𝑎𝑝(%) 𝑚̇𝑒𝑣𝑎𝑝(kg.h-1)
3 0,87 19,2 0,17
5 1,03 14,2 0,15
10 1,34 12,3 0,16
20 1,88 11,8 0,22
On obtient ainsi un taux d’évaporation compris entre 10 et 20 %, autrement dit des valeurs équivalentes à celles trouvées par Tissot (2011). Comme ce taux diminue avec la pression, cela
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indique que la masse évaporée augmente moins vite que la masse injectée. Ainsi, pour les buses à cône creux, le gain de fragmentation du jet n’est pas suffisant à faible distance d’impact pour augmenter le taux d’évaporation des gouttelettes. L’augmentation de la pression ne fait donc qu’augmenter le débit et la consommation énergétique dans les conditions de notre étude, alors que l’on recherche au contraire à minimiser ces deux facteurs. Cela montre que la majorité de l’échange thermique se fera par l’évaporation du film formé suite au contact du spray sur la surface de l’échangeur et qu’il y a tout intérêt à abaisser la pression.