Essais avec l’évaporateur EVAP1

Pour l’évaporateur EVAP1, 52 essais en régime permanent ont pu être obtenus. Chaque essai a été validé et dépouillé suivant la méthode décrite au Chapitre 2. L’objectif de ce paragraphe est de montrer l’ensemble des conditions de fonctionnement qui ont pu être explorées pour EVAP1. L’inconnue principale que l’on souhaite étudier ici est le coeffi-cient d’échange à l’extérieur des tubes (côté ammoniac en évaporation). Sur cet évapora-teur, nous ne disposons de mesures qu’à l’entrée et à la sortie côté eau et côté ammoniac, l’approche de l’étude sera donc globale, n’ayant pas d’informations mesurées sur les per-formances locales. Les paramètres qui ont pu être variés lors du pilotage du PAT ETM et susceptibles d’influencer les performances thermiques sont alors les suivantes :

• La température de l’eau chaude Tec, e • Le débit de l’eau chaude

m

• Le débit d’ammoniac circulant dans la boucle ZP

m

=m

• L’état de l’ammoniac liquide à l’entrée du GV, principalement son sous-refroi-dissement T1 - Tsat(P1), qui dépend de la différence de pression entre les deux échangeurs de la boucle ZP.

Les trois premières variables ci-dessus sont directement pilotables sur le banc d’essai. En revanche, le sous-refroidissement du liquide à l’entrée de l’évaporateur dépend de la pression dans le condenseur, de celle de l’évaporateur et du fonctionnement de la pompe. En effet, la pompe aspire le liquide à la température de saturation de la pression du con-denseur (en s’assurant une colonne de liquide suffisante pour éviter la cavitation) et l’amène à la pression du GV. Le sous-refroidissement obtenu dépend alors de l’écart de pression et de la forme de la courbe de saturation dans le diagramme P -h. Dans les faits, la pression dans le condenseur étant relativement constante, le sous -refroidissement de

l’ammoniac à l’entrée du GV dépend alors surtout de la pression de l’évaporateur, comme le montre la Figure 91. Cette variable peut donc ici être vue comme une conséquence des trois autres paramètres de fonctionnement de l’évaporateur.

De plus, par la méthode donnée au Chapitre 2, la puissance totale échangée dans l’évapo-rateur peut être déterminée par les bilans côté eau et côté ammoniac, en comparant les deux valeurs pour s’assurer de la cohérence entre les différentes mesures. Cette compa-raison des puissances thermiques pour chacun des deux fluides de l’évaporateur est alors fournie en Figure 92. L’écart obtenu entre les deux valeurs est systématiquement inférieur à 4 %, ce qui confirme la précision du calcul de puissance. Les puissances ainsi calculées sont déterminées lors du fonctionnement du banc d’essai principalement par le pilotage du débit d’ammoniac circulant dans la boucle ZP, via l’ouverture de la VRP. En effet, le débit d’ammoniac est quasiment proportionnel à la puissance de l’évaporateur, le coeffi-cient de proportionnalité étant alors approximativement égal à la chaleur latente d’évapo-ration de l’ammoniac ; puisque la réchauffe de l’ammoniac liquide ne constitue qu’une petite partie de la quantité de chaleur totale échangée (moins de 4 %), même si le sous -refroidissement de l’ammoniac à l’entrée du GV varie entre -10 et -6 °C (cf. Figure 91).

Figure 92. Comparaison des puissances échangées dans l’évaporateur EVAP1 côté eau et côté ammoniac

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Puissance côté ammoniac Puissance côté eau Ecart relatif Puissance thermique (kW) Ecart relatif Numéro d'essai -11,00 -10,00 -9,00 -8,00 -7,00 -6,00 8 8,5 9 9,5 Pression P₂(bar) Sous-refroidissement T₁-T_sat(P₁) (°C)

Figure 91. Mesure du sous-refroidissement de l’ammoniac à l’entrée du GV en fonction de la pression

Figure 93. Evolution de la puissance thermique de l’évaporateur EVAP1 en fonction du débit d'ammoniac évaporé

La Figure 93 illustre cette relation obtenue expérimentalement entre puissance thermique et débit d’ammoniac qui correspond au profil linéaire attendu. La variation du débit d’am-moniac entraine alors systématiquement la variation de la puissance totale de l’échangeur. Dans la littérature, les performances de ce type d’échangeurs sont représentées plutôt en fonction de la puissance échangée que du débit. Nous considérerons ainsi dans notre es-pace d’expérimentation la puissance comme un paramètre de fonctionnement à la place du débit d’ammoniac. Les débits d’ammoniac ont été testés entre 0,32 kg/s et 0,38 kg/s par pas de 0,02 kg/s, avec un point supplémentaire à 0,35 kg/s. Les puissances dans chaque cas sont les suivantes :

• m_liq= 0,32 kg/s → Q_evap = 394 kW (11 points) • m_liq = 0,34 kg/s → Q_evap = 419 kW (15 points) • m_liq = 0,35 kg/s → Q_evap = 431 kW (1 point) • m_liq = 0,36 kg/s → Q_evap = 443 kW (12 points) • m_liq = 0,38 kg/s → Q_evap = 468 kW (13 points)

Figure 94. Représentation des différents points d'essai de l'EVAP1 da ns l'espace d'expérimentation à trois dimensions 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4 Puissance (kW) Débit (kg/s) liq m

L’espace d’expérimentation à explorer sur le banc d’essai pour déterminer les perfor-mances de l’évaporateur possède alors trois dimensions : la température de l’eau chaude, son débit et la puissance de l’évaporateur. Afin de se rendre compte des conditions de fonctionnement de l’EVAP1 qui ont pu être réalisées sur le PAT ETM lors de cette cam-pagne, nous avons représenté l’ensemble des points d’essai dans l’espace

(

)

en Figure 94. Le domaine atteint pour chaque paramètre est alors :

• Q_evap : 390 à 470 kW • Tec, e : 26 à 28,10 °C •

m

En ce qui concerne les températures de l’eau chaude, la majorité des points sont situés à 27 °C et à 28 °C, deux températures de fonctionnement représentatives de l’ETM. Un unique point d’essai a été réalisé à 26 °C et un autre à 27,5 °C. Des températures plus basses n’avaient pas pu être atteintes lors de cette campagne d’essai en raison notamment de la température extérieure et de l’humidité élevée qui empêchait une évacuation correcte du surplus de chaleur de la PAC par le condenseur-évaporatif en dessous de 26 °C. Les débits d’eau chaude ont quant à eux été testés pour trois niveaux : 36 kg/s, 41 kg/s et 45 kg/s.

La puissance de fonctionnement étant donnée, les deux autres paramètres restants, la température et le débit de l’eau chaude déterminent alors la température de changement d’état de l’ammoniac, et donc la pression P2. La Figure 95 montre les pressions qui ont été atteintes dans l’évaporateur en fonction de la température de l’eau chaude et de la puissance de fonctionnement pour les essais de la campagne réalisés avec un débit d’eau chaude de 45 kg/s. La pression de l’ammoniac augmente bien avec la température de l’eau chaude, et diminue avec la puissance, car une plus grande puissance thermique implique un plus grand écart de température entre les deux fluides dans l’échangeur. Les pressions obtenues vont de 8,2 à 9,1 bar sur cette campagne d’essais, ce qui correspond aux condi-tions de fonctionnement envisagées pour l’ETM avec l’ammoniac comme fluide de tra-vail.

Figure 95. Réprésentation des pressions mesurées sur l’EVAP1 pour les essais à 45 kg/s d’eau chaude

en fonction de la température d’eau chaude et de la puissance

Figure 96. Evolution de la surchauffe mesurée en sortie de l'EVAP 1 en fonction du débit

d'ammoniac circulant dans le GV.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 Surchauffe T₂- Tsat(P₂) (°C) Débit (kg/s) liq m 8,2 8,4 8,6 8,8 9 9,2 25,5 26 26,5 27 27,5 28 28,5 < 400 [400;415] [415;425] [435;445] [445;455] > 455 Température T_ec,e (°C) Pression P₂(bar) Puissance (kW) Débit d'eau 45 kg/s

Une dernière vérification à faire pour s’assurer de la cohérence du système de mesure et de la maîtrise des conditions de fonctionnement est celle de l’état de l’ammoniac en sortie de l’évaporateur. Cette dernière se fait par une mesure de pression et de température en aval de l’évaporateur et par la comparaison de la température mesurée de la vapeur avec la température de saturation calculée à la pression du GV, comme cela est représenté en Figure 96. On constate alors que la température représente une surchauffe inférieure à 0,16 °C par rapport à la température de saturation. Cette surchauffe est donc inférieure à l’incertitude du capteur et la vapeur à la sortie de l’EVAP1 peut être considérée comme saturée sur l’ensemble des points de la campagne.