Partie II : Échanges thermiques air-gouttes/condenseur
Chapitre 4 - Dispositif expérimental
4.5 Influence de la distance et des débits d’eau et d’air sur le refroidissement
4.5.1 Influence de la distance
L'évaporation d'un spray dans un écoulement d'air se produit tout au long de son parcours. Cette évaporation dépend du temps de séjour du spray et de l'augmentation correspondante de l'humidité dans l'air. On cherche donc dans cette partie à déterminer la distance en aval du point d'injection du spray, à partir de laquelle le refroidissement de l'air est optimal. Pour déterminer cette distance, des mesures de la température de l'air sont réalisées sur des sections de la veine du pilote expérimental situées entre 5 et 60 cm en aval du point d'injection du spray. Les conditions de température, d’humidité et de débit sont les mêmes que pour les mesures de refroidissement de la section 4.4.2 et sont rappelées dans le tableau 4.5.
Débit d'eau [l.h-1] Débit d'air [m3.s-1] Tambiant [K] HRambiant [%] wambiant [g/kg] Thumide [K] whumide [g/kg] fsat [%] 1,4 0,1 298,2 35,0 7,0 288,4 10,9 84,6
tableau 4.5 - Propriétés d’entrée de l’air et du spray
La figure 4.32 présente l'évolution de la température de l'air en fonction de la distance entre la surface de mesure et le point d'injection du spray. Comme précédemment, on observe que la diminution de température n'est pas homogène sur l'ensemble de la section et qu'elle est plus importante au centre de la veine, dans la zone où le spray est plus dense. Cependant, cette hétérogénéité diminue en s'éloignant du point d'injection. Le tableau 4.6, où sont présentées la température minimale et la moyenne des températures pour chaque distance de mesure, illustre bien cette homogénéisation. En effet, l'écart entre la température moyenne et la température minimale diminue lorsqu’on s’éloigne du point d’injection.
(a) 5cm (b) 20cm
(c) 40cm (d) 60cm
figure 4.32 - Évolution de la température de l'écoulement d'air en fonction de la distance entre le point de mesure et le point d'injection du spray
On constate également que les quantités d’eau évaporées, les températures et les humidités moyennes varient faiblement : entre 5 et 60 cm la température de l’air diminue de 0,2 K. L'évaporation du spray est donc réalisée principalement dans la zone où le spray est à contre-courant. Pour l'application de la brumisation sur un condenseur cela permet de positionner les buses proches du condenseur et de limiter ainsi l'entraînement du spray par des rafales de vent dans le cas d’un condenseur placé en extérieur. Dans la suite de la thèse, on placera donc les buses à une distance comprise entre 5 et 20 cm du condenseur.
Température [K] HR [%] Distance
[cm] Moy Min Moy Min
% d'eau évaporée Débit restant [l.h-1] % de refroidiss. 5 295 291,8 50,3 70,9 49,4 0,71 32,6 20 295,1 293,2 49,8 61,2 47,1 0,74 31,6 40 294,9 293,2 50,9 61,2 51,0 0,69 33,6 60 294,8 293,2 51,5 61,2 51,3 0,68 34,7
4.5.2 Influence du débit d’eau
Nous cherchons à déterminer, à présent, l’influence de la quantité d’eau injectée sur le refroidissement de l’air. Les conditions expérimentales pour l’air, présentées dans le tableau 4.7 sont les mêmes que précédemment. Les débits d’eau étudiés sont de 1,12, 1,4 et 1,68 l.h-1 soit +/- 20 % par rapport à 1,4 l.h-1. Les fractions d’eau injectée fsat sont respectivement de 68, 85 et 101a% et les pressions d’alimentation de la buse de 45, 60 et 80 bar. Les mesures de température de l’air sont effectuées à 5 et 20 cm en aval du point d’injection.
Débit d'air [m3.s-1] Tambiant [K] HRambiant [%] wambiant [g/kg] Thumide [K] whumide [g/kg] 0,1 298,2 35 7,0 288,4 10,9
tableau 4.7 - Propriétés d’entrée de l’air et du spray
La figure 4.33 présente les températures mesurées sur les demi-sections de la veine à 5 et à 20acm du point d’injection pour les trois débits étudiés. Une synthèse de ces résultats est faite dans le tableau 4.8. L’augmentation du débit d’eau injectée a pour effet une baisse de la température de l’air. Cette température moyenne passe de 295,3 K pour un débit de 1,12 l.h-1 à environ 293 K pour un débit de 1,68 l.h-1. On a vu dans la section 4.4 que l’augmentation de pression avait peu d’influence sur la granulométrie à partir de 40 bar. Ainsi en augmentant le débit d’eau injectée, la surface d’échange entre le spray et l’air augmente. Le débit d’évaporation et le refroidissement s’en retrouvent améliorés. Un second paramètre est responsable de cette tendance, il s’agit de la vitesse d’injection du spray. Ce paramètre influe sur la dispersion du spray et le temps de séjour du spray avant d’atteindre le point de mesure. En effet, un spray injecté à une plus grande vitesse va remonter l’écoulement d’air sur une distance plus grande (environ 50 cm à 80 bar et inférieure à 20 cm à 45 bar) augmentant son temps de séjour et sa dispersion. On constate cette augmentation de la dispersion sur les figures (e) et (f) avec une plus forte diminution de température au bord de la veine (entre 12 et 18 cm de largeur). Pour quantifier la surface d’influence du spray dans les différents cas étudiés, on a représenté par un trait noir une isotherme qui marque la zone à l’intérieur de laquelle 85 % du spray s’évapore (on détermine dans un premier temps la température moyenne. On évalue ensuite la température qui correspond à 85% de la variation entre conditions d’entrée et température moyenne atteinte, marquant ainsi la zone où 85% du spray s’évapore). Cette zone est présentée dans le tableau 4.8 de façon normalisée en divisant par la surface de mesure. Débit inj. [l.h-1] Distance [cm] Surface Refroidie [%] T moy [K] HR moy [%] % d'eau évaporée Débit restant [l.h-1] % de Refroidiss. 5 54,5 295,3 48,8 55,9 0,49 30,6 1,12 20 61,6 295,3 48,8 55,7 0,50 30,6 5 65,9 295,0 49,9 47,2 0,74 32,6 1,4 20 66,5 295,1 49,3 49,4 0,71 31,6 5 72,7 293,0 62,0 65,5 0,58 53,1 1,68 20 75,6 293,0 62,0 65,2 0,58 53,1
L’augmentation de ce paramètre avec la pression confirme que la dispersion du spray est plus importante à 80 bar et que le refroidissement dans ce cas est plus homogène. On constate aussi à cette pression, une diminution du débit d’eau non évaporé.
En conclusion, on améliore le refroidissement de l’air en augmentant le débit d’eau injecté. Le débit non évaporé diminue soit pour un faible débit injecté car la quantité d’eau est initialement faible, soit pour un fort débit car l’évaporation est importante.
5cm 20cm
(a) Débit d’eau brumisée : 1,12 l.h-1 (b) Débit d’eau brumisée : 1,12 l.h-1
(c) Débit d’eau brumisée : 1,4 l.h-1 (d) Débit d’eau brumisée : 1,4 l.h-1
(e) Débit d’eau brumisée : 1,68 l.h-1 (f) Débit d’eau brumisée : 1,68 l.h-1
figure 4.33 - Evolution de la température de l’écoulement d’air en fonction du débit d’eau et de la distance au point d’injection
4.5.3 Influence du débit d’air
Les mêmes mesures de refroidissement ont été effectuées pour des débits d’air de 0,15 et 0,2am3.s-1 correspondant à des vitesses de 1,7 et 2,2am.s-1. Pour conserver les mêmes débits d’eau injectées et les mêmes fractions fsat, les humidités relatives ont été placées respectivement à 55 et 65 %. Les résultats de ces mesures sont présentés en Annexe D. La surface dans laquelle 85 % du spray s’évapore est représentée par un trait noir sur la figure D.1 et la figure D.2. On observe pour chaque vitesse d’air étudiée que comme précédemment, plus le débit d’eau injectée est important, plus la diminution de la température de l’air est importante. Notons qu’ici, la surface refroidie par le spray augmente faiblement avec le débit d’eau. C’est la diminution de température de l’air dans cette zone qui est plus importante.
La comparaison des résultats obtenus pour les trois débits d’air étudiés montre que la surface diminue de façon significative avec l’augmentation du débit d’air. En effet, l’augmentation de la vitesse de l’air a pour effet d’entraîner plus rapidement le spray diminuant d’autant le temps de séjour et la dispersion des gouttes dans l’écoulement. La fraction d’eau évaporée s’en retrouve alors directement diminuée.
En conclusion, la disposition des buses sur une application réelle dépendra essentiellement de la vitesse de l’air en amont du condenseur. Plus cette vitesse sera élevée, plus le nombre de buses pour couvrir la surface à refroidir sera important. Un compromis sera également nécessaire entre l’amélioration du refroidissement en brumisant avec une pression élevée et la diminution de la quantité d’eau non évaporée en brumisant avec une pression plus faible afin d’éviter le ruissellement. Enfin la distance entre l’échangeur et la position de la buse peut donc être réduite à 5 cm. Cependant, comme on le verra dans les deux chapitres qui vont suivre, les systèmes étudiés sont équipés de thermocouples en amont de l’échangeur. Ainsi, les buses ne peuvent donc pas être placées à 5 cm et sont positionnées au plus près de l’échangeur (ou condenseur) soit à 10 cm de l’échangeur.