Grâce à la caractérisation des surfaces, on a pu constater qu’une buse mouille jusqu'à près de 600 cm2 de surface, soit 30 % de la surface frontale de l'échangeur de chaleur. On a montré que 55 % de cette surface était réellement utile à l’échange, soit 16 % de la surface frontale. On étudie à présent les résultats obtenus avec plusieurs buses. L’implémentation de plusieurs buses doit a priori augmenter l'efficacité de l'échangeur de chaleur car la surface impactée est plus élevée. Cependant, l’emplacement de ces buses sur l'échangeur de chaleur doit être étudié pour déterminer si le
recoupement des sprays est un phénomène à éviter. La partie suivante présente les résultats d'un système équipé de 2 ou 3 buses pour évaluer l'efficacité et les effets de recoupement. L'effet de bouchage est discuté, basé uniquement sur les résultats obtenus avec l’ECS. En effet, comme expliqué en partie II.5.2.3, il n'y a pas de méthode idéalement appropriée pour déterminer la TSS - et donc le taux de bouchage - pour plusieurs buses.
On commence donc par récapituler l’ensemble des gains de performance maximaux obtenus (donc observé en début de brumisation) en fonction de la surface efficace de refroidissement pour 1, 2 et 3 buses sur la Figure 95.
Figure 95 – Gain de performance maximal en fonction de la surface efficace de refroidissement pour l’étude à long terme (Tihex = 70 °C, pwnz = 10 bar, ṁa = 450 kg.h-1)
On observe ainsi sur cette figure une proportionnalité entre le gain de performance et la surface efficace de refroidissement, montrant ainsi la nécessité de maximiser la surface impactée. On peut augmenter cette surface impactée en augmentant le nombre de buses. Il y a ainsi un intérêt à passer de 1 à 2 buses car le gain est multiplié par 2 environ. En effet, pour une buse, le gain ne dépasse pas 11 % dans les conditions opératoires testées avec une surface efficace de 300 cm2 environ. Avec 2 buses, la surface efficace augmente de 400 à 600 cm2 environ pour un gain proche de 20 %. En revanche, l’ajout d’une troisième buse n’a pas un effet aussi significatif sur le gain, qui plafonne à 25 % pour une surface ne dépassant pas 700 cm2. L’explication d’un tel manque de performance pour les configurations à 3 buses pourrait provenir des phénomènes de recoupement de spray et de bouchage additionnel : cela est étudié dans la suite.
La Figure 96 fournit le gain de performance (Figure 96a) et l’ECS (Figure 96b) pour 1, 2 et 3 buses situées de la manière décrite sur la représentation schématique dans la Figure 96a.
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Figure 96 – Evolution temporelle du gain de performance et de l’ECS pour 1, 2 et 3 buses (Tihex = 70 °C, ṁwhex = 285 kg.h-1, ṁwnz = 1,4 kg.h-1, pwnz = 10 bar et ṁa = 450 kg.h-1)
Pour 1 buse, les deux configurations de la Figure 83 (cf. partie III.2.1.2) sont données : avec bouchage (1) et sans bouchage (1'). La configuration 1' sans bouchage est meilleure – 11 % d'amélioration du flux thermique au lieu de 7 % pour la buse 1 (cf. Figure 96a) – car la surface de refroidissement efficace est plus élevée – 350 cm2 au lieu de 200 cm2 à la fin de l'essai (cf. Figure 96b) – et ne se stabilise pas dans l'expérience.
Pour 2 buses, la configuration 1+3 correspond à doubler la buse 1. En effet, les buses 1 et 3 ont la même orientation : parallèles à la surface de l’échangeur et horizontales (cf. schéma Figure 96a). Ces 2 buses impactent donc l'échangeur thermique de la même manière mais la buse 1 sur la passe 2 et la buse 3 sur la passe 1. Ainsi, les surfaces impactées par ces buses ne se chevauchent pas. Dans la configuration 1+1’, les 2 buses touchent l'échangeur de chaleur au même endroit : leurs pulvérisations se chevauchent complètement. La configuration 1+2’ est similaire à la configuration 1+1’ car leurs 2 buses ont les mêmes orientations par rapport à l’échangeur. Mais les buses de la configuration 1+2’ ne touchent pas la même zone de l’échangeur donc leur spray ne se recoupent pas.
Pour 3 buses, la configuration 1+1’+3 permet d’observer simultanément le bouchage additionnel de la buse 3 et le recoupement de la buse 1 avec la buse 1’. On observe ainsi si ces deux phénomènes sont indépendants ou si au contraire ils interagissent entre eux.
Les résultats des configurations avec plusieurs buses sont résumés dans le Tableau 28. Il y a ainsi pour 2 buses les trois configurations 1+3, 1+1' et 1+2' et pour 3 buses, la configuration 1+1'+3. Par ailleurs, le Tableau 28 donne les flux massiques locaux basés sur les débits de spray et les surfaces efficaces pour les combinaisons à 2 et 3 buses. On s’appuie pour cela sur la partie III.2.2.4 où la valeur de flux critique de bouchage avait été estimée être entre 50 et 68 kg.m-2.h-1. Toutes les valeurs du Tableau 28 suggèrent qu’il y a du bouchage car elles sont toutes comprises dans cette gamme. Cependant, ce paramètre de flux massique local ne permet pas de discriminer les phénomènes de recoupement et de bouchage. Ainsi, les configurations 1+3 et 1+1’ ont la même valeur de flux massique local alors que leurs gains de performance sont différents et que dans un cas il y a un bouchage additionnel induit par la buse 3 et que dans l’autre le spray de la buse 1’ recoupe celui de
la buse 1. On revient donc vers une analyse temporelle du flux thermique adimensionné en gain de performance pour distinguer le recoupement du bouchage.
Tableau 28 – Résumé des configurations multi-buses testées
Configuration 𝑚̇𝑤𝑛𝑧 (kg.h-1) ECS (cm2) 𝑚̇𝑤′′ (kg.m-2.h-1) Bouchage
additionnel
Recoupement F (%) Δ𝐹
1 + 3
2,8
450 62 Oui Non 15 Oui
1 + 1’ 450 Non Oui 18 Oui
1 + 2’ 550 51 Non Non 18 Non
1 + 1’ + 3 4,2 600 70 Oui Oui 21 Oui
Pour la configuration 1+3, on constate sur la Figure 96 que l'augmentation maximale du flux thermique et la valeur de stabilisation de l’ECS sont doublées à 15 % et 450 cm2 respectivement. De plus, le pic d'évaporation est également doublé en temps et en intensité. Cela est cohérent avec un comportement additif : tous les effets sont doublés, y compris l'effet de bouchage. Avec 1+1’, l'augmentation maximale du gain de performance de 1+1' a une valeur de 18 %, soit la somme des gains obtenus pour les buses prises séparément. Ainsi, au début de la pulvérisation, il y a un comportement additif. Cependant, la perte de performance est importante (Figure 96a). De plus, la valeur de l’ECS augmente faiblement après 10 minutes et n'atteint pas 550 cm2, ce qui devrait être sa valeur à la fin de la pulvérisation dans l'hypothèse d'un comportement additif. Enfin, après la fin de la pulvérisation, la période latente de la buse 1' est observée en même temps (cf. Figure 96) que dans sa configuration solitaire contrairement au pic d'évaporation de la buse 1 qui arrive plus tard. Ainsi, le recouvrement des sprays accentue le phénomène de bouchage. La configuration 1+2' est la configuration additive réelle de 1+1'. Premièrement, 1+2' a le même flux thermique maximal que 1+1’ mais aucune perte de performance n'est observée. Deuxièmement, la valeur de l’ECS augmente de la même manière pendant tout le temps de pulvérisation et atteint 550 cm2. Enfin, la période latente de la buse 1' et le pic d'évaporation de la buse 1 se produisent en même temps que dans leurs configurations en solo.
La propriété additive observée pour 2 buses n'est plus pertinente pour 3 buses. En effet, 1+3 atteint 15 %, 1' donne 12 % alors que 1+1'+3 ne donne que 21 %. Cette non-additivité peut s'expliquer par une valeur de l’ECS médiocre (600 cm2 au lieu des 750-800 cm2 si il y avait additivité). De plus, on observe un grand pic d'évaporation suggérant que la combinaison des 3 buses augmente le bouchage. Ainsi, le recoupement combiné avec un bouchage supplémentaire donne de mauvais gains de performance au vu de la consommation d’eau.
Pour conclure cette section, le bouchage a été caractérisé dans cette partie sur le court terme puis sur le long terme. Il a été montré que la surface impactée ne dépend pas du débit d’air mais qu’elle augmente quand la température de paroi de l’échangeur diminue ou quand le débit de spray augmente. En revanche, le bouchage ne dépend que du temps. Sur le court terme, le bouchage n’affecte par les performances de l’échangeur et n’augmente pas les pertes de charge. En revanche, sur le long terme, le bouchage entraîne une augmentation significative des pertes de charge et une dégradation importante des performances de l’échangeur. A la fin de la brumisation, le film d’eau s’évapore au contact de l’air d’abord en perdant de l’épaisseur à surface constante puis en diminuant en surface en absorbant de la chaleur, ce qui permet d’obtenir un pic d’efficacité de l’échangeur. Le
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séchage dure d’autant plus que le débit d’air et la température de paroi de l’échangeur sont faibles et que la durée de brumisation est élevée. De plus, le bouchage peut être bénéfique et stocker de l'énergie thermique lorsque la durée de pulvérisation ne dépasse pas 25 minutes. Au-delà, le bouchage doit être évité car il génère trop de pertes thermiques. Enfin, concernant les configurations à plusieurs buses, il y a un intérêt à implémenter une deuxième buse car les gains de performance sont additifs à condition que les sprays ne se recouvrent pas. En revanche, l’implémentation d’une 3ème buse, génère forcément du recoupement entre les sprays ce qui a pour conséquence d’intensifier le phénomène de bouchage et d’obtenir un gain limité à 25 %.