Étude de la brumisation d'un condenseur à air sur un pilote exploratoire

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Étude de la brumisation d’un condenseur à air sur un

pilote exploratoire

A. Arfaoui

To cite this version:

A. Arfaoui. Étude de la brumisation d’un condenseur à air sur un pilote exploratoire. Sciences de l’environnement. 2009. �hal-02592188�

Mention: Mécanique, Energie, Procédés et produits (MEPP)

Spécialité: Mécanique, Energie, Procédés industriels

Option : Energie et environnement

Arfaoui Akila

Mars 2009 – Août 2009

Responsables de stage: Hélène

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En premier lieu, je tiens à remercier Hélène Macchi-Tejeda et Jacques Guilpart de m'avoir accueilli au sein de l'équipe de l'unité de recherche en Génie des Procédé Frigorifiques d'Antony (GPAN) Cemagref. De m'avoir fait confiance, orienté et encadré durant mon stage.

Ma reconnaissance s'adresse à Hélène Macchi-Tejeda ; elle a constamment porté un regard critique, ouvert et constructif sur mon travail. Son aide a été extrêmement précieuse notamment lors de la rédaction de ce mémoire.

Un grand merci à François Trinquet pour ses idées lumineuses, son encadrement, sa présence et pour tous ce qu'il à fait pour moi.

Merci à Laurence Fournaison, responsable du thème de recherche (ENERFRI), pour ses conseils, sa confiance et ses discours. Toujours présente pour remonter le moral des troupes.

Je J'exprime ma gratitude à Jérôme Gahartian et Christophe Jouquin pour avoir grandement participé à la réalisation du dispositif expérimental.

J'exprime toute ma reconnaissance aux membres de l'unité pour leur accueil, leur gentillesse qui ont rendu mon travail très agréable.

Tous les enseignants qui ont contribué positivement à ma formation trouveront ici l’expression de ma gratitude. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Nomenclature……….6

Introduction………....8

I. État de l’art ………...9

I.1 Bibliographe et documentation technique sur la condensation ………....9

1. Principe d’une machine frigorifique ………...9

2. Les différents types des condenseurs usuels ………...9

a. Les condenseurs à air ……….9

b. Les condenseurs à eau………10

c. Les condenseurs évaporatifs………..11

3. Technologies récentes de condenseurs avec système de brumisation …....11

a. Brumisation à contre courant du flux d'air à l'amont du condenseur.11 b. Brumisation directe sur la batterie du condenseur……….12

I.2 Le phénomène de brumisation ………13

1. Problématique………..13

a. Principe de la brumisation……….13

b. Différentes appellations de la brumisation………...14

c. Intérêt de la brumisation………14 2. Techniques d'atomisation ………...15 a. Pneumatique ………...16 b. Hydraulique……….16 c. Ultrasonique ………17 d. Centrifuge……….17

3. Grandeurs caractéristiques du l'air brumisé (DMN, DMV, DMS)……….18

II. Étude granulométrique de l’air brumisé ………..21

1. Dispositif expérimental (Welas)………..21

a. Granulomètre Welas………21 b. Système d’acquisition………...22 2. Protocole expérimental………23 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

3. Résultats expérimentaux ………23

a. Condition d’isocinécité………23

b. Études paramétriques de l'air brumisé……….24

4. Comparaison avec les résultats de Nancy………..33

a. PDA de Dentec……….33

b. Mesures granulométriques et comparaison………..34

5. Conclusion……….36

III. Étude expérimentale sur pilote………38

1. Mécanisme de transfert de chaleur et de matière sur les échangeurs en régime humide………..38

2. Présentation du pilote expérimental ………...44

3. Calibration, étalonnage et positionnement des instruments de mesure..49

4. Objectifs et choix………....51

a. Contraintes théoriques et technologiques……….52

b. Choix……….52 5. Protocole expérimental……….53 6. Résultats ………55 a. Gain énergétique……….55 b. Granulométrie 7. Conclusion……….56 Conclusion et perspectives Référence CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Résumé:

La plupart des installations frigorifiques utilisent des condenseurs à air du fait de la gratuité et de l'abondance de l'air. Néanmoins leurs performances sont variables et dépendent de la météo, c'est pourquoi dès lors que l'air dépasse une certaine température, ces machines frigorifiques fonctionnent moins bien. Il en résulte une moindre production frigorifique et une hausse de consommation électrique, comme cela a été le cas lors de la canicule de 2003.

Nous présentons dans ce rapport une étude sur un pilote exploratoire visant à optimiser et à améliorer les rendements énergétiques des appareils frigorifiques de moyenne et grande puissance (> 10 kW) grâce au procédé de brumisation sur condenseur. En d'autres termes, nos recherches portent sur l'optimisation, de la brumisation (débit d'eau, taille des gouttes, distribution granulométrique, vitesse d'air) afin d'apporter la quantité d'eau juste nécessaire à l'amélioration des performances, tout en évitant la présence de l'eau stagnante qui permettrait la prolifération de bactéries (légionellose…).

Une partie importante de ce rapport est dédiée à l'étude granulométrique d'un jet d'eau atomisé à l'aide de buses pneumatique. Les premiers résultats montrent l'influence de certains paramètres (débit d'eau, distance de la buse d'injection…) sur la taille des diamètres de gouttes observés par le granulomètre. Enfin l'étude sur le pilote permet de comparer l'influence de la brumisation sur les transferts de chaleur entre l'air et l'échangeur dans nos conditions d'expériences la puissance échangée avec brumisation peut atteindre, pour certaines températures, 2,5 fois la valeur obtenue sans brumisation.

Abstract:

Most refrigeration process use air condensers from the free of air. However their performances are variable and depend on the weather, so when the air exceeds a certain temperature, the refrigerating work less well. This result gives lower refrigerating production and higher power consumption, as was the case during the scorching heat in summer of 2003.

We present in this report a study on an exploratory pilot to optimize and improve the energy efficiency of refrigerators of medium and high power (> 10 kW) through the process of fogging on the condenser. This research is focused on the optimization of the mist (water flow, droplet size, size distribution, air velocity) to provide the right amount of necessary water quantity to improve fogging performance, while avoiding the presence of standing water which would allow the proliferation of bacteria ( Legionella ...).

An important part of this report is dedicated to study the size-distribution of atomized water jet using pneumatic air nozzles. Initial results show the influence of certain parameters (such as water flow, distance from the nozzle ...) on the size of the droplet observed using aerosol spectrometer. Finally, the pilot is used to study and compares the influence of the mist on the heat transfer between air and the heat exchanger, in our experiments conditions the power exchanged with misting can reach for certain temperatures values, 2.5 times the value obtained without misting.

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NOMENCLATURE

NOTATIONS LATINES

h Coefficient d'échange de l'air en régime diphasique W/(m2 K) h0 Coefficient d'échange de l'air en régime monophasique W/(m2 K)

I Facteur d'intensification thermique -

m Masse kg

.

m Débit massique kg/s

N Nombre de gouttelettes -

C Concentration des gouttes cm3/m3

Φ Flux de chaleur W Q Puissance échangée W g Gain énergétique - HR Humidité relative % r Rayon - P Pression Bar

NOTATIONS GREQUES

ω Humidité absolue gair/kgairsec

INDICES

ev évaporé h humide l liquide max maximum moy moyen p paroi sat saturé tot total

0 indice relatif à l'écoulement monophasique E Sec Brum Échangeur Régime sec Avec brumisation

Nombres adimensionnels

' Exposant relatif à l'écoulement diphasique

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Les technologies du froid apportent une contribution majeure à l'humanité dans de multiples domaines, tels que la conservation des denrées alimentaires, la maîtrise de la qualité de l'air intérieur, la liquéfaction des gaz, la maîtrise des procédés industriels, la production des denrées alimentaires et des boissons, le refroidissement des équipements informatiques... Environ 15% de la consommation mondiale d'électricité est utilisée pour l'alimentation des systèmes frigorifiques et de conditionnement d'air. Une utilisation peu efficace de l'énergie constitue un véritable gaspillage de ressources précieuses et contribue au réchauffement de la planète. L'impact des systèmes frigorifiques sur le réchauffement planétaire est principalement dû à la production de l'énergie requise pour les alimenter. Cette étude présente et analyse une technique qui permet d’optimiser l’efficacité énergétique des systèmes frigorifiques afin de minimiser leur impact sur l’environnement.

Aujourd’hui la recherche de performances énergétiques accrues de tels systèmes est placée, plus que jamais, au cœur des préoccupations sociétales, politiques et économiques.

La plupart des installations frigorifiques utilisent des condenseurs à air du fait de la gratuité et de l’abondance de l’air. Néanmoins leurs performances sont variables et dépendent de la météo, c’est pourquoi dès lors que l’air dépasse une certaine température, ces machines frigorifiques fonctionnent moins bien. Il en résulte une moindre production frigorifique et une hausse de consommation électrique, comme cela s’est passé lors de la canicule de 2003.

Dernièrement, le Cemagref s’est intéressé à l’application de la brumisation de fines gouttelettes d’eau sur les condenseurs à air. Bien que cette technologie soit déjà pratiquée et proposée par quelques fabricants reste mal maitrisée.

Objectif de l’étude

Dans ce contexte, mon étude consiste à étudier expérimentalement le comportement du spray d’eau et comprendre l’interaction entre la brume et une surface constituée de tubes et d’ailettes espacées de 1 à 3 mm, pour optimiser l’emplacement des buse de brumisation, la quantité d’eau brumisée, la taille des gouttes…en fonction de la puissance calorifique du condenseur et ses conditions opératoires.

Plan de l’étude

Ce rapport comporte 3 parties principales:

• La première partie sera consacrée à une recherche bibliographique sur le phénomène de brumisation et les nouvelles technologies de condensation à air avec système de brumisation.

• La deuxième partie sera dédiée à une étude expérimentale du jet atomisé à la sortie des buses pneumatiques et la prise en main du granulomètre.

• La troisième partie s'attardera sur la mise en place du pilote : un banc d'essai expérimental permettant de caractériser le phénomène de brumisation sur un condenseur à air avec étude de la granulométrie de la brume en amont et aval de l’échangeur. Couplée à la détermination des performances énergétiques de l’échangeur avec et sans brumisation.

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I. État de l’art

I.1 Bibliographe et documentation technique sur la condensation 1. Principe d’une machine frigorifique

Une installation frigorifique à compression de vapeur comporte inévitablement un condenseur au travers duquel la chaleur puisée à la source froide additionnée à la puissance de compression, est évacuée au milieu extérieur.

Figure I. 1: Le principe de fonctionnement d'une machine frigorifique

Le fluide frigorigène, en circulant dans l'évaporateur, s'évapore en absorbant de la chaleur du milieu qu'on veut refroidir. A la sortie, le fluide frigorigène, rendu gazeux, est alors aspiré par le compresseur. Celui-ci, animé par un moteur électrique, comprime mécaniquement le gaz et augmente ainsi sa température. Le gaz frigorigène chaud passe ensuite dans le condenseur dans lequel il se condense en cédant sa chaleur à l'air. Lors de son passage dans le détendeur, la pression du liquide frigorigène diminue jusqu'à être ramenée à la pression de l'évaporateur, afin de faciliter sa vaporisation. Et le cycle reprend.

2. Les différents types des condenseurs usuels

Sur le plan technologique, trois principaux types de condenseurs sont utilisés : condenseurs à eau, condenseurs à évaporation d'eau, appelés "condenseurs évaporatifs" et les condenseurs à air.

a. Condenseur à air

Ce type de condenseur est refroidi par l'air avec l'intermédiaire d'un ventilateur (ventilo-condenseur). Il existe deux familles de condenseur à air, les condenseurs à air à circulation naturelle utilisés pour des installations de très faible puissance et ceux qui nous intéresse particulièrement : les condenseurs à circulation d'air forcé.

Le condenseur à air est généralement composé d'un tube en forme de serpentin fixé verticalement sur une tôle et d'un ou plusieurs ventilateurs placés sur la partie supérieure du groupe de froid. Le débit d'air sur un condenseur dépend de la quantité de chaleur à évacuer. Le nombre de ventilateurs desservant un condenseur dépend de la forme de celui-ci (à surface égale, un condenseur long nécessite plus de ventilateurs qu'un condenseur court).

Il représente la catégorie la plus répondue pour les petites et les moyennes puissances car l'air est une source naturelle est gratuite. Les performances énergétiques du condenseur à air

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dépendent en premier lieu des propriétés thermodynamiques de l'air. Or ce dernier est un mauvais médium thermique, ce qui impose un débit d'air élevé associé à une surface d'échange et un volume interne importants. Autrement dit, une machine frigorifique munie de ce type de condenseur consomme plus d'énergie et contient plus de masse de frigorigène. En deuxième lieu, dépendantes de la température ambiante (Ta + 10°C< Tk< Ta + 20°C), les

performances des installations frigorifiques à condenseur à air sont variables d'une saison à l'autre. Le risque d'une production frigorifique insuffisante ou d'un dysfonctionnement du système est omniprésent lorsqu'il y a un grand écart entre la température nominale (de conception) et la température ambiante réelle. De plus l'efficacité de ce type de condenseur décroit avec l'altitude. Si elle est de 1 au sol, elle est de 0,91 à 1000 m et de 0,84 à 200 m.

Figure I.2: Exemple de condenseurs à air

b. Condenseur à eau

Le condenseur à eau est refroidi par l'eau. Les parties eau et fréon sont dissociés et ne doivent en aucun cas être en contact pour que soit parfaitement déshydraté. La température de l'eau et le débit disponibles sont les facteurs qui ont la plus grande importance dans la définition de la température de condensation. En effet, l'eau absorbe le flux calorifique du fluide frigorigène sous forme de chaleur sensible qui se traduit par un échauffement de l'eau servant à la condensation. Cet échauffement de l'eau va conditionner le débit d'eau à fournir au condenseur. Cet échauffement est de l'ordre de 4 à 10°C et le pincement à la sortie est de 3 à 8°C, ce qui donne une température de condensation entre Teau + 7°C et Teau + 18°C. Pour des

contraintes technologiques et économiques, l'utilisation des condenseurs refroidis à l'eau est restreinte et se limite à quelques applications particulières. Les condenseurs à eau se présentent sous différentes technologies : les condenseurs coaxiaux, multitubulaires, à contre courant, à immersion verticaux ou horizontaux.

Figure I.3 : Condenseur à eau respectivement multitubulaire et coaxiaux

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c. Condenseur à évaporation d'eau

Le condenseur à évaporation utilise l'air et l'eau comme intermédiaire de condensation. La surface de la batterie est mouillée par l'eau pulvérisée. Au contact de la surface chaude, une partie de l'eau s'évapore ; cette vapeur est entrainée avec l'air de ventilation.

La chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau est fournie par le gaz frigorigène chaud qui circule à l'intérieur de la batterie.

La température de condensation d'un tel système peut être considérée par rapport à la température de bulbe humide (Th + 10°C) <Tk< (Th + 15°C).

Les condenseurs évaporatifs sont souvent les plus efficaces car ils rejettent la chaleur à la température de bulbe humide de l'air ambiant. Par exemple, l'air à 25°C et 60% d'humidité relative a une température de bulbe humide de 16°C. Cependant, ces condenseurs nécessitent une maintenance attentive pour éviter toute contamination par Legionella.

Les condenseurs refroidis par eau, combinés à des tours de refroidissement, se rapprochent également de la température de bulbe humide de l'air ambiant mais un écart de température supplémentaire est requis pour entraîner la chaleur du frigorigène vers l'eau, et la température de rejet de chaleur du frigorigène est donc généralement plus élevée. La consommation d'eau peut être excessive si une tour de refroidissement n'est pas utilisée.

Les condenseurs refroidis par air sont généralement les moins efficaces car ils rejettent la chaleur à la température de bulbe sec de l'air, qui est généralement plus élevée que la température de bulbe humide ou que la température de l'eau. Ils sont néanmoins couramment utilisés dans les systèmes de petite taille car ils sont peu coûteux, simples et nécessitent peu de maintenance, ce qui a retenu notre attention. L’utilisation de la brumisation sera d’autant plus valable que leur efficacité est moindre que celle des autres condenseurs.

3. Technologies récentes de condenseurs avec système de brumisation

Aujourd'hui l'utilisation de la technique de brumisation des condenseurs dans les installations frigorifiques devient de plus en plus fréquente, ou on a vu se développer quelques nouvelles techniques faisant appel à la brumisation.

a. Brumisation à contre courant du flux d'air à l'amont du condenseur

Cette méthode est basée sur le rafraîchissement de l'air à l'amont du condenseur (Figure

II.4).En considérant un rendement de 100%, la vaporisation de l'eau à l'amont du condenseur

permet de baisser la température sèche de l'air jusqu'à sa température humide. En réalité le rendement de ces systèmes varie selon les conditions météorologiques (hygrométrie et température). Par exemple pour une température sèche de l'air de 35°C (40% HR) on peut obtenir en entrée du condenseur une température de 28°C (70% HR) : un gain de 7°C sur la température de l'air à l'amont du condenseur, soit un rendement de 60%.

Deux fabricants Afatek et LU-VE Contardo commercialisent des condenseurs mettant en œuvre ce système. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Figure I.4 : Condenseur avec système de brumisation à contre courant du flux d'air à l'amont (photo LU-VE Contardo)

b. Brumisation directe sur la batterie du condenseur

Le seul fabricant à proposer des condenseurs avec brumisation directe sur la batterie de condensation condensation est LU-VE Contardo (Figure I.5). Ce système équipe le plus souvent des tours de refroidissement d'eau (plus rarement des condenseurs) dans le but de s'intégrer à des environnements très urbanisés en réduisant l'encombrement et sans risque de légionellose. Il est désigné par "Wet and Dry" est le fruit d'un programme de recherche en partenariat avec une équipe de l'Université Polytechnique de Milan (prof. E. Macchi). Néanmoins probablement en raison du caractère confidentiel de ces travaux, aucune publicationcorrespondante n'a été trouvée.

Figure I.5 : Brumisation directe sur la batterie du condenseur (photo LU-VE Contardo)

Des détails concernant les fabricants de ces types de condenseur sont en Annexe A.

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I.2 Le phénomène de brumisation 1. Problématique

a. Principe de la brumisation

L'efficacité énergétique d'un système frigorifique est généralement exprimée à l'aide du coefficient de performance (COP), qui est le rapport entre la quantité de chaleur extraite et la quantité d’énergie consommée.

Quel que soit le type de système frigorifique utilisé, il est fondamental de minimiser l'extraction de chaleur requise et de réduire le plus possible la différence entre T

C (température

de condensation) et T

0 (température d'évaporation). On peut minimiser l'extraction de chaleur

en isolant l'enceinte frigorifique et les zones à basse température du système frigorifique, en réduisant les infiltrations d'air ambiant (dues par exemple aux ouvertures de portes et aux manques d’étanchéité). On peut réduire (T

C – T0) en maximisant la performance des transferts

de chaleur au niveau du condenseur et de l'évaporateur et en minimisant les pertes de charge du frigorigène dans les tuyauteries d'aspiration et de refoulement.

Au Cemagref, des recherches sont conduites afin d'améliorer l'efficacité énergétique des appareils en refroidissant les condenseurs par la technique de brumisation.

Le principe de la brumisation consiste à rafraichir l'air à l'amont du condenseur d'air en projetant des fines gouttelettes d’eau dont la taille est comprise entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres sous forme d'une brume extrêmement fine constituant un mélange diphasique appelé aérosol d'eau et qui a la particularité de s'évaporer instantanément. En effet la vaporisation de l'eau permet d'humidifier l'air ce qui intensifie les échanges thermiques côté air et réduit la température de condensation du fluide frigorigène. Il en résulte une baisse du taux de compression dans le cycle frigorifique au profit de la puissance électrique.

Figure I.6 : Schéma de principe de la brumisation sur un condenseur à air

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b. Différentes appellations de la brumisation

Le terme brumisation existe sous différentes désignations selon l'application, on parle souvent de l'atomisation, la pulvérisation, l'aspersion ou la nébulisation.

L'atomisation ou brumisation : se réfère à la conversion de la masse liquide en un spray ou un brouillard (c'est-à-dire la collecte de gouttes), par le biais d'une buse. Le processus peut aussi être qualifié de nébulisation. Par convention, "nébuliser", "nébulisation", et “nébuliseur” sont des termes utilisés plus souvent dans le médical ou le domaine des sciences.

La pulvérisation ou aspersion : Elle est souvent utilisée dans le domaine d'agriculture, pour différentes applications telle que la désinfection, la désinsectisation, la décontamination, ou la désodorisation. En général ’pulvérisation’ ou ‘aspersion’ signifient des gouttes plus grosses.

c. Intérêt de la brumisation Avoir un air saturé ou sursaturé

L’humidification de l’air par injection d’eau liquide est bien expliquée dans le diagramme de l’air humide (Figure I.7). Considérons un humidificateur à pulvérisation. C’est un composant qui sert de contacteur entre un flux d’air et d’eau liquide. Au cours de ce contact l’air s’humidifie jusqu’à ce que la pression partielle de vapeur d’eau soit égale à la pression de vapeur saturante de l’eau à la température de liquide.

Cette humidification de l’air s’accompagne d’une variation de température de l’air qui passe d’une température TA à la température de l’air humide Th (Figure I.7).

Figure I. 7 : Représentation d’une humidification par injection d’eau dans le diagramme de l’air humide CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Prélever la chaleur à la surface de l’échangeur

La surface d’échange du condenseur capte une partie des gouttes pulvérisées qui, en s’évaporant (effet de chaleur latente), prélèvent une quantité de chaleur au condenseur et participent davantage au refroidissement du frigorigène circulant à l’intérieur des tubes. Il en résulte :

Une intensification des échanges thermiques côté air Une baisse de la température de surface

Une baisse de la température de condensation Modifier le cycle frigorifique

L’effet combiné de la production d’air saturé en humidité et la captation des gouttes induit une baisse de la température de condensation et une baisse du taux de compression dans le cycle frigorifique au profit de la puissance électrique (Figure I.9).

Figure I.8 : Impact de la brumisation du condenseur à air sur le cycle frigorifique dans un diagramme de Mollier

2. Techniques d'atomisation

Les techniques d'atomisation regroupent des matériels aux caractéristiques et aux performances variables. Dans tous les cas, il s'agit de pulvériser l'eau en gouttelettes fines qui vont se vaporiser dans l'air. La surface d'échange air-eau est donc constituée par l'ensemble des gouttelettes et l'objectif est de vaporiser la totalité de l'eau atomisée, pour éviter sa stagnation. Le temps de vaporisation de l'eau dépend essentiellement du diamètre de la gouttelette et de la vitesse d'air. Pratiquement, les fournisseurs conseillent de ne pas dépasser des tailles de 25 m pour avoir une bonne évaporation.

On distingue plusieurs types d’atomisation: Pneumatique Hydraulique Ultrasonique Centrifuge CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Figure I.9: Classification des atomiseurs suivants le type d'énergie utilisée (Allais 1997)

a. Atomiseurs pneumatiques (humidificateur à buse bi-fluide)

Figure I.10 : Buse pneumatique

Comme leur nom l'indique les buses à bi-fluide utilisent deux fluides, l'eau et l'air comprimé. L'air comprimé permet de générer un brouillard très dense de fines gouttelettes. Les pressions d'eau et d'air réglables par une armoire de contrôle permettent d'ajuster la finesse du brouillard. Ils sont faciles à mettre en œuvre, les coûts de fonctionnement sont faibles mais la consommation d'air n'est pas négligeable. Ils peuvent être installés soit dans des caissons de conditionnement d'air ou bien directement dans les locaux à traiter. L'absence de réserve d'eau évite toute contamination de l'eau. Au montage, des précautions doivent être prises pour que le brouillard d'eau émis par les atomiseurs ne rencontre pas d’obstacle, ce qui provoquerait une condensation.

b. Atomiseurs hydrauliques

Figure I.11: Buses hydrauliques

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Ils comprennent une pompe haute pression et des rampes fixes sur les quelles sont installés des atomiseurs hydrauliques. Le liquide atomisé est mis sous pression de 25 à 70 bars pour les matérielles moyennes pressions et 70 à 170 bars pour les matérielles hautes pressions.

La taille de la gouttelette d'eau est d'autant plus fine que la pression d'utilisation est importante.

Les atomiseurs hydrauliques sont généralement utilisés pour la climatisation extérieure dans les pays chauds, l'humidification en serres, ou le refroidissement des bâtiments d'élevage. Leurs prix vont de 1200 € à 5000 € selon pompe.

c. Atomiseurs à ultrasons

Figure I.12 : Atomiseur à ultrasons

Les systèmes ultrasoniques utilisent la vibration sonique à haute fréquence pour produire l'atomisation du fluide. L'énergie électrique à haute fréquence émise par le générateur est transformée en énergie mécanique à l'aide des transducteurs piezzo-électriques qui génèrent un mouvement vibratoire mécanique de la même fréquence. L'amplitude maximum de l'oscillation est obtenue au niveau de la surface d'atomisation de la buse, ce qui permet

l'éclatement en fines gouttelettes de la veine de liquide. La taille de gouttelette ainsi obtenue

est aussi petite que 0,5µm, Les prix vont de 1500 à 2000 € pour un appareil de ce type, un prix abordable vu la faible consommation d'énergie.

Grâce à leur pulvérisation fine et sans vitesse, ces atomiseurs ouvrent de grandes opportunités dans les applications telles : semi-conducteurs et électronique, médical et biomédical,

industries chimiques, textile, du papier, du verre.

d. L'atomiseur centrifuge ou rotatif

Figure I.13 : Atomiseur centrifuge

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L’eau traitée arrive au centre d’un disque tournant à grande vitesse (3 000 tr/min). Elle est projetée par la force centrifuge sur une couronne dentelée où elle est pulvérisée en fines gouttelettes de 20 à 40 µm de diamètre et se mélange à l’air. L’eau qui n’a pas été atomisée se retrouve au fond du bac et remonte sur la face intérieure du disque.L'atomiseur centrifuge fonctionne sans air comprimé, ni eau sous pression; en effet le liquide alimente une surface rotative qui le rejette en gouttelettes. Plus la rotation est rapide, plus les gouttelettes sont petites. Prix environ 2000 €.

Des donnés techniques (diamètres, fabricants…) de certaines buses sont présentés dans l'Annexe B.

5. Grandeurs caractéristiques du l’air brumisé (DMN, DMV, DMS)

Les gouttelettes constitutives des aérosols sont éjectées à travers un atomiseur sous différentes tailles dont la taille dépend de plusieurs paramètres (type d'atomiseur choisie, débit et pression d'eau et d'air). Chaque atomiseur produit une série de gouttelettes de tailles inégales appelé spectre des gouttelettes. Un spectre large contient des gouttelettes de tailles différentes et il y a une grande différence de taille entre les gouttelettes les plus petites et les plus grosses. Un spectre étroit contient des gouttelettes ayant approximativement la même taille et il y peu de différence de taille entre les plus petites et les plus grosses.

L’homogénéité des aérosols, caractérisée par la faible dispersion des tailles, est un facteur de qualité, car elle permet une meilleure atteinte de la cible recherchée et une meilleure efficacité du produit dispersé. A cet effet, pour les techniques modernes de fabrication, il est indispensable de connaitre les caractéristiques du jet atomisé afin d'individualiser l'aérosol en étudiant son homogénéité.

Les paramètres suivants sont souvent pris en considération :

Diamètre Moyen en nombre (DMN ou D10):

C'est le diamètre de la gouttelette de part et d’autre de laquelle se trouve 50% du nombre total de gouttelettes.

.

Figure I.14: Diamètre moyen en nombre

Diamètre Moyen en volume (DMV ou D30):

C'est la valeur du diamètre de la gouttelette divisant l’ensemble des autres en deux groupes d’égal volume, l’un constitué des plus grosses gouttelettes et l’autre des plus petites ou d'une

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autre façon le diamètre de la goutte dont le volume est la moyenne entre les volumes de toutes les gouttes de l'échantillon.

Figure I.15 : Diamètre moyen en volume

III.3 Diamètre moyen de Sauter (DMS ou D32)

Le diamètre moyen Sauter (DMS ou D32) est très importante pour le calcul d'échanges thermiques des procédés de refroidissement par évaporation, parce qu'elle permet d'évaluer la surface d'échange obtenue en atomisant un volume donnée de liquide. Il privilégie les effets de volume et il est le plus représentatif en terme de transport de masse. Le diamètre de Sauter établit un rapport entre des effets de volume (inertie..) et de surface (traînée).

(I.1)

n(d): distribution des gouttelettes de diamètre d

Dans notre cas (transfert de masse et de chaleur), l'emploi du diamètre de Sauter est le plus indiqué.

Le rapport (R) entre les valeurs du DMV et du DMN donne une mesure approximative de la largeur du spectre des gouttelettes. Plus il est proche de un et plus les tailles des gouttelettes sont similaires d'où un spray homogène; plus il est grand et plus la gamme de taille des gouttelettes est étendue.

Par exemple, si un atomiseur émet un DMV de 90 µm et un DMN de 60 µm, le rapport DMV/DMN est calculé de la façon suivante:

1.5 60 90 = = = DMN DMV R _(I.2)

Il n’est pas facile de mesurer la taille ou le spectre des gouttelettes et cela demande un équipement et une formation adéquats. Quelques informations concernant le spectre des gouttelettes peut cependant être obtenue auprès de certains constructeurs des buses.

∫∞ ∫∞ = 0 ( ) 2 ( ) 0 ( ) 3 ( ) d d d d n d d d d n DMS CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Dans ce tableau on récapitule les facteurs influençant la Finesse du spray.

Tableau I .1 : Paramètres influençant la finesse du spray

Type de buse Les buses à jet conique plein possèdent les finesses les plus élevées, suivies des buses à jet plat. Les buses à jet conique creux donnent la

finesse la plus petite.

Pression d’atomisation La finesse augmente avec une pression plus

élevée et diminue avec une pression basse.

Débit de liquide Une augmentation du débit augmentera la finesse du spray.

Angle de pulvérisation L'angle de pulvérisation possède un effet inverse sur la finesse de pulvérisation. Une augmentation de l'angle diminuera la finesse de pulvérisation, alors qu'une diminution

l’augmentera.

Propriétés du liquide La viscosité et la tension superficielle augmentent la quantité d'énergie requise pour la

brumisation. Une augmentation d'une de ces propriétés augmentera sensiblement la finesse

du spray.

Notre objectif est maintenant la caractérisation de l'air brumisé à l'issue des buses et la compréhension de l'interaction entre la brume et une surface constituée de tubes à ailettes (condenseur). CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

II.

Étude granulométrique de l'air brumusé

Le choix du type de la buse utilisé pour la brumisation d’un condenseur à air est une étape indispensable qui nous mène à caractériser la distribution des gouttelettes à la sorties de ces buses. L’objectif de cette partie consiste dans un premier temps à la réalisation de mesures granulométriques à la sortie de la buse afin d’évaluer le profil de la distribution des diamètres en nombre, volume et concentration des particules, et d'étudier l'influence de certains paramètres sur la taille des gouttes.

1. Dispositif expérimental (Welas)

a. Granulomètre Welas

Le granulomètre Welas de Palas se trouve au Cemagref à Antony; il fonctionne par diffusion de la lumière blanche à 90° permettant de mesurer la distribution de taille des gouttes traversant son volume de mesure en nombre, volume et concentration.

Figure II.1 : Principe de fonctionnement du granulomètre Welas

Son principe de mesure est simple; un petit volume de mesure défini optiquement est éclairé par une lumière blanche afin d'analyser la lumière diffusée à 90° et de déterminer le nombre et la taille des particules séparément. Les particules passent individuellement à travers ce volume, ainsi pour chaque particule une impulsion de lumière diffusée d'une intensité spécifique est produite. L'intensité de l'impulsion de lumière diffusée collectée à un angle de 90°C est le moyen de déterminer la taille des particules. De plus le nombre de ces impulsions de lumière diffusée, mesuré par unité de temps permet de calculer la concentration particulaire. Le granulomètre est composé de deux caissons, à l'intérieur desquels sont entreposés toute l'électronique et la mécanique de la machine (pompe, circuit électriques etc..) et de deux boitiers récepteurs (capteurs); ce sont eux que l'on va disposer sur le banc d'essai afin de pouvoir prélever les échantillons à analyser (spray).

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Figure II.2 : Figure du granulomètre Welas

Une grosse partie de mon travail a été dédié à la mise en route et à la prise en main de cette technique de mesure délicate, à la compréhension de son principe et de son fonctionnement ainsi qu'à l'exploitation des mesures effectuées. En effet personne dans l'unité de recherche n'avait utilisé ce granulomètre avant mon arrivée.

J'ai réalisé une notice explicative du principe d'utilisation de granulomètre Welas.

La notice et le fonctionnement complet du granulomètre sont présentés dans l'Annexe C.

b. Système d’acquisition

La captation des gouttelettes par le granulomètre s’effectue par le capteur qui sera placé devant la buse; les informations obtenues par le granulomètre sont directement traitées par un logiciel spécialement dédié aux granulométries : le logiciel Palas.

Ce logiciel permet de tracer directement les distributions du diamètre des gouttes en nombre, volume et concentration et donne le diamètre moyen de Sauter, le diamètre moyen en nombre et en volume.

Figure II.3 –Photo du système d’acquisition

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2. Protocole expérimental

Notre étude à été réalisé sur les buses pneumatiques de la société ‘Spraying System’ de diamètre 0.8 cm. Les caractéristiques techniques des buses sont présentéesdans l'annexe D. -SU1A

-SU1

Photo II.4 - Buse pneumatique Fig II.5 - Schéma de principe de la buse Pneumatique

L’alimentation de liquide et de fluide pour les buses pneumatiques se fait sous pression dont on peut modifier les valeurs. De ce fait plusieurs configurations misent en jeux pour l’étude d’aérosol, des essaies sont réalisés, tout en variant la pression en eau, montrent que la variation de cette dernière est peu agissante sur la distribution de taille des gouttelettes. Notre étude se limitera donc au cas de la variation de la pression en air tout en gardant celle de d’eau constante.

Les mesures sont effectuées juste après l’étalonnage du capteur qui présente une étape indispensable afin d’assurer un bon échantillonnage des particules.

Conditions de travail au Cemagref - Mesure au centre du spray

- T = 19°C, HR= 51% - Pression d’air comprimé : 0,7 1,5 3 et 4 bars - Pression d’eau : 30 cm CE (0,03 bar)

3. Résultats expérimentaux a. Condition d'isocinécité

Il s'agit de vérifier à chaque point de mesure, que la vitesse de l'écoulement général est égale à la vitesse du flux prélevé par la sonde de la granulométrie pour avoir un bon échantillonnage des particules. On caractérise donc, à ce fait, les vitesses d'écoulement en sortie de buse.

Le débit d'aspiration du granulométre est fixé à 5l/min par le constructeur (ce débit ne doit être modifié en aucun cas). Une modification de diamètre du tube d'aspiration du capteur est requise pour pouvoir valider la condition d'isocinécité.

Le calcul du diamètre d'aspiration du capteur du granulomètre en fonction de la distance par rapport à la buse d'atomisation d'eau d'après les mesures de vitesse réalisées par J.Tissot à Nancy est présenté dans l'Annexe E.

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c. Études paramétriques du l'air brumisé

Notre étude a pour objectif alors l’étude de l’influence de ces paramètres sur la granulométrie du jet atomisé :

La pression d’air La distance à la buse Le rayon du spray

La position du capteur du granulomètre

Figure II.6 : Points de mesure dans les sprays délivrés par la buse pneumatique

On a choisi un temps de captation (facteur d’arrêt d’une mesure) maximum (70 s) pour

pouvoir étudier tout la gamme des gouttelettes captées par le granulomètre, et un temps de 5 à 10 s d’une mesure à l’autre pour éviter les traces des gouttelettes de la mesure précédente. On doit fermer la buse après chaque mesure pour éviter l’humidité au niveau du tube d’aspiration de la granulométrie et assurer une bonne mesure.

Chaque mesure a été répétée 3 ou 4 fois pour vérifier la répétabilité des résultats. L’incertitude des mesures effectuées est donnée dans l’Annexe F.

Nous partirons du cas de référence (figure II.7) pour l’étude du jet atomisé. Voici un exemple de résultats directs que l’on peut obtenir après la mesure en un point.

Figure II.7 : Capteur en face de la buse (cas de référence)

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Mesure effectuée à 30 cm de la buse SU1A, au centre du spray, avec une pression en air de 4 bars et une pression en eau de 0,03 bar avec la buse pneumatique SU1A:

(a) Distribution granulométrique (b) Distribution volumique

(c) Distribution en concentration

Figure II.8 : Caractéristiques des gouttes composant le spray à 30 cm de la buse pneumatique SU1A alimentée par de l’air à 4 bars et de l’eau à 0,03 bar

Les histogrammes (a) et (b) de la figure 7 présentant la distribution granulométrique en nombre et en volume montrent une grande différence entre le diamètre moyen en nombre D10 = 3,13 µm et le diamètre moyen en volume D30 = 9,10 µm. Effectivement, même si les plus grosses gouttes ne sont pas nombreuses, elles représentent une portion du spray importante en volume. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

a. Influence de la pression d’air

Figure II.9 : Diamètre en fonction de la pression d’air Figure II.10 : R en fonction de la pression d’air à

à 30 cm de la buse SU1A 30 cm de la buse SU1A

La figure II.15 représente l’évolution des diamètres D32, D30 et D10 en fonction de la pression d’air à 30 cm à la buse. Une tendance homologue de D32 et D30 apparait, et elle s’inverse aux alentours de 3 bars.

A la figure II.16, on présente l'homogénéité du spray en fonction de la pression d'air et de la distance à la buse. On remarque que le l'homogénéité du spray diminue avec l'augmentation de pression puis elle augmente à partir de 3 bars.

Une telle modification d’allure pour une certaine valeur de la pression ne peut pas s’expliquer facilement car plusieurs phénomènes interviennent avec des effets inverses sur les gouttes quand on modifie la pression. Une augmentation de la pression de l’air comprimé entraîne :

- Une augmentation du débit d’eau

- Une variation de la fragmentation de l’eau (dépendant du rapport du débit d’air sur le débit d’eau)

- Une augmentation de la vitesse du spray - Une diminution des temps de parcours

b. Influence de la distance à la buse

0 2 4 6 8 10 12 0 20 40 60 80 100 120 Distance à la buse (cm) D ia m è tr e ( µ m ) D30 D32 D10

Figure II.11 : D30, D32 et D10 en fonction de la distance à la buse pneumatique SU1A à 4 bars CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

L'étude de la variation du diamètre en fonction de la distance à la buse montre une augmentation des diamètres avec la distance. Ce qui signifie que le nombre des plus grosses gouttes captées augmente par rapport au nombre des plus petites gouttes avec la distance buse-capteur .Deux phénomènes peuvent expliquer ces résultats :

• L'évaporation affecte en priorité les petites gouttes.

• Plus on s'éloigne de la buse plus la vitesse des grosses gouttes diminue (frottement avec l'air) comparativement à celle des petites, donc le nombre de grosses gouttes par unité de volume augmente lorsqu'on s'écarte de la buse.

c. Influence du rayon du spray

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 Rayon du spray (mm) D ia m è tr e ( µ m ) 0,7 bar 1,5 bars 3 bars 4 bars

Figure II.12 : Evolution du diamètre de Sauter selon le rayon du spray

à 30 cm de la buse pneumatique SU1A

La figure II.18 correspond à l’évolution du D32 lorsque l’on s’éloigne de l’axe du spray. En abscisse, le "0" correspond au centre du cône et les coordonnées de cet axe correspondent à la distance par rapport au centre du spray.

Pour des pressions de 0,7 et 1,5 bars, le D32 augmente lorsque l’on s’éloigne du centre du spray, alors que pour des pressions de 3 et 4 bars le D32 diminue. Cela provient encore certainement des différents effets concurrents qui interviennent lors de la modification de la pression en air comprimé.

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On peut également évaluer la variation de la vitesse moyenne des gouttes en fonction de la distance buse-mesure par LDV (Laser Doppler velocity).

0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60 Distance à la buse (cm) V it e s s e ( m /s ) 4 bars 3 bars 1,5 bars 0,7 bar

Figure II.13 : Vitesse moyenne des gouttes en fonction de la distance buse-mesure pour la buse pneumatique SU1A

L'évolution de la vitesse moyenne des gouttes en fonction de la distance à la buse (figure II.19) montre une décroissance rapide de la vitesse.

Le temps de séjour d'une particule pour aller de la buse à un point donné peut être déterminé on intégrant ces courbes en fonction du temps.

Les mesures et les résultats des caractéristiques de la buse SU1 étant semblables à ceux de la buse SU1A. On peut noter cependant qu'il ya de légers décalages en terme de granulométrie soit de 0,45 à 1 µm.

Influence de la position du capteur

Le but de cette étude est de connaître la position du capteur la plus idoine sur le pilote assurant un bon échantillonnage des particules, pour ceci on a choisi successivement placé le capteur dans les positions b), c) et d) et comparer les résultats obtenus avec celles obtenus avec la position a) de référence.

a). en face de la buse sans rallonge reliant le tube d’aspiration et le diamètre réduit (cas de référence)

b). en face de la buse avec rallonge (L = 50 cm) c). perpendiculaire au jet au dessus avec rallonge

d). perpendiculaire en dessous avec rallonge (L = 8,5 cm)

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(a) Capteur en face de la buse (b) Capteur en face de la buse avec rallonge (cas de référence)

(b) Perpendiculaire (au jet) au dessus (d) Perpendiculaire en dessous avec avec rallonge avec rallonge

Figure II.14 : Étude de l’influence de la position du capteur du granulomètre

Les mesures granulométriques donnent la distribution de diamètre des gouttes à la sortie

de la buse SU1A pour ces quatre positions du capteur placé à 40 cm de la buse au centre du spray, avec une pression en air de 3 bars et une pression en eau de 0,03 bar

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(a) Capteur en face de la buse (b) Capteur en face de la buse avec rallonge (Cas de référence)

(c) Perpendiculaire (au jet) au dessus (d) Perpendiculaire en dessous avec avec rallonge avec rallonge

Fig II.15 : Distribution du diamètre des gouttes en nombre pour différentes positions du capteur

Les histogrammes a, b, c, et d de la figure 6 qui représentent la distribution granulométrique en fonction du nombre de particules en fonction de la position du capteur à la buse, montrent une différence en nombre des particules aspirées par la pompe du granulomètre. Un nombre important des gouttelettes sont aspirés pour la position a) de référence (11000 particules), alors que la plus faible quantité est observée dans le cas de la position c) (16 particules). Cette position est donc tout à fait impropre à réaliser de bonnes mesures.

En outre des gouttelettes d'eau entrent en contact avec la paroi du tube d'aspiration tube d’aspiration et se condensent au niveau du tube relié à la pompe occasionnant le mauvais fonctionnement de l’appareil. En effet la perte de charge des gouttelettes parcourant la rallonge entraine une diminution de leur vitesse jusqu'à leur arrêt. Les particules étant piégées

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dans le volume de mesure empêchent le passage de la lumière blanche qui permet la détermination du nombre des gouttes aspirées ce qui fausse la granulométrie du jet.

La différence du diamètre moyen de Sauter entre les quatre positions s'explique par la différence sur le nombre des particules captées.

D’après cette étude on peut conclure que les positions b), c) et d) envisagées pour le pilote est insatisfaisantes; 1400 gouttes captées dans la position b), 16 gouttes captées dans la position c) et 700 gouttes captées dans la position d) des quantités négligeables devant le nombre des gouttes captées dans la position a) de référence (11000 gouttes). Afin de s’approcher d'avantage du cas de référence a), on envisage la position:

e). perpendiculaire en dessous avec une rallonge courte et coudée (embout) (figure II.9).

Figure II.16 : Capteur perpendiculaire en dessous avec rallonge coudée

(Position e))

(a) Distribution en nombre dans le cas de référence (b) Distribution en nombre dans le cas de la position (e)

Fig II.17 : Distribution du diamètre des gouttes en nombre dans le cas de référence et le cas de la position (e)

Les diagrammes (a) et (b) de la figure II.10 montrent une légère différence entre le nombre de particules captées qui est de 10.000 particules dans le cas a) de référence et de 11.000 particules dans le cas de la position (e).

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40 cm à la buse 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 1 2 3 4 5 P air (bar) D ia m è tr e ( µ m ) Référence Configuration (e) P air = 3 bars 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 20 40 60 80 Distance à la buse (cm) D ia m è tr e ( µ m ) Référence Configuration (e) Figure II.18 : D32 en fonction de la pression Figure II.12 : D32 en fonction de la distance à la buse

d'air à 40 cm à la buse à Pair = 3 bars

A la figure II.12, on remarque que le diamètre moyen de Sauter est plus grand dans le cas de référence que pour la configuration (e) (perpendiculaire en dessous + courte rallonge coudée), ceci peut être expliqué par l'influence du coude sur la circulation des grosses gouttes et la distance de parcours qui est plus longue dans ce deuxième cas.

Les grosses gouttes sont captées mais tout au long de leur parcours et à cause de leur inertie elles vont perdre une quantité d'énergie et finissent par s'arrêter en laissant le chemin aux petites gouttes. De ce fait on observe une captation proportionnellement plus importante des petites gouttes dans la position (e), d'où un diamètre moyen de Sauter plus petit.

La figure II.11 montre une différence de diamètre moyen de Sauter non négligeable dans l'intervalle [0,7 bar, 1,5 bars], alors qu'elle commence à s'atténuer au delà de cette gamme. Ce graphe renforce ce que nous avons expliqué ci-dessus, en effet dans le cas de la position (e) les grosses gouttes sont captées mais déposées dans le coude alors que les petites le traversent, et on sait qu'à une grande pression le spray est de plus en plus fin et le diamètre moyen de Sauter tend vers les plus petits diamètres, ce qui explique l'atténuation de la différence du diamètre dans les deux cas ((a) et (e)) a une valeur élevée de la pression.

Afin d’étudier l’influence de la distance buse-condenseur, on a intérêt à s’approcher le plus prés du condenseur lors de l’emplacement de notre système de captation du granulomètre. D’où l’idée de fabriquer un embout droit sans coude (figure II.13).

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Figure II.19 : Embout droit placé en face de la buse

L’étude de cet embout révèle une différence au niveau de nombre de goutte aspirée qui est 10 fois moins important que celui aspiré avec l’embout coudé, une différence au niveau du diamètre moyen sauter a été également observée : 5,161 m pour l’embout droit et 7,967 m pour l’embout coudé. Les gouttes en entrant dans l’embout confrontent une angle de 90°C avant d’acheminer vers le tube d’aspiration du granulomètre. Les pertes de charges produites en traversant cette zone diminuent la vitesse des gouttes et leurs empêchent d’être aspirées par la pompe du granulomètre.

La position (e) du capteur (perpendiculaire en dessous plus courte rallonge coudée) sera par la suite adoptée dans notre étude sur le pilote.

4. Comparaison avec les résultats obtenus à Nancy

a. PDA de Dantec

Dans le cadre de la thèse (réf..) effectuée au LEMTA à Vandoeuvre-les Nancy (équipe Métrologie Fluide et Combustion) par J.Tissot, des mesures expérimentales sont réalisées à l’aide de la technique PDA de Dantec fonctionnant par diffusion du laser à 50° et par différence de phase Doppler. Il permet de mesurer la taille et la vitesse des gouttes traversant son volume de mesure.

Figure II.20 : Principe de fonctionnement du PDA de Dantec

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Les conditions de travail à Nancy: - Mesure au centre du spray

-T = 20°C, HR= entre 60 et 70 % - Pression d’air comprimé : 0,7 1,5 3 et 4 bars

- Pression d’eau : 30 cm CE (0,03 bar)

b. Mesures granulométriques et comparaison

Mesure effectuée à 30 cm de la buse, au centre du spray, avec une pression en air de 4 bars et une pression en eau de 0,03 bar avec la buse pneumatique SU1A et par les deux techniques de mesure : le granulomètre Welas et le PDA.

Distribution des gouttes

(a) Caractérisation granulométrique par le granulomètre Welas au Cemagref

(b) Caractérisation granulométrique par le PDA à Nancy

Figure II.21 : Mesures granulométriques réalisées par Welas et PDA pour la même buse pneumatique SU1A à 0,03 bar en eau, 4 bars en air et à 30 cm de la buse

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(a) Diamètre en fonction de P air à 30 cm de la buse (b) Diamètre en fonction de P air à 30 cm de la à Nancy (Buse SU1A) buse à Nancy (Buse SU1)

(c) Diamètre en fonction de P air à 30 cm de la buse (d) Diamètre en fonction de P air à 30 cm de la buse au Cemagref (Buse SU1A) au Cemaref (SU1)

Figure II.22 : Comparaison des résultats obtenus par le granulomètre du Cemagref et avec celui de Nancy

Les essais faits par les deux techniques de mesure montrent une différence notable au niveau des histogrammes de distribution granulométrique et volumique, soit un écart de 20 µm pour le diamètre moyen de sauter (D32) pour les deux buses pneumatiques (SU1A et SU1). La gamme des diamètres des gouttes aspirées est la même soit entre 0,7 µm et 80 µm mais la quantité des gouttes captées diffère d'un diamètre à l'autre. On remarque d'après les histogrammes de la figure II.21 que les gouttes de faible diamètre sont plus captées avec le granulomètre Welas (Cemagref). Le même écart entre les deux techniques de mesures pour les deux buses testées.

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0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diam ètre (µm ) N o m b re d e s g o u tt e s a s p ir é e s

Figure II.23 : Gamme des diamètres des gouttes captées par le granulométre Welas au Cemagref

Vitesse des gouttes

La variation de la vitesse moyenne des gouttes en fonction de la distance buse-mesure par LDV (Laser Doppler velocity) obtenue au Cemagref est la même que celle à Nancy.

0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60 Distance à la buse (cm) V it e s s e ( m /s ) 4 bars 3 bars 1,5 bars 0,7 bar

a. Vitesse moyenne des gouttes en fonction (b) Vitesse moyenne des gouttes en fonction de la distance à la buse à Nancy de la distance à la buse au Cemagref

Figure II.24 : Comparaison des vitesses des gouttes mesurées à Nancy et au Cemagref

5. Conclusion

Une étude expérimentale du jet atomisé à la sortie des buses s’avère indispensable afin de caractériser la distribution granulométrique du spray à la sortie de différents types de buses. Ces mesures montrent bien les difficultés qu’il y a pour caractériser une granulométrie en sortie buse; c’est une des raisons qui expliquent que l’on trouve très peu de données sur ce sujet dans la littérature.

Suite à cette étude on a étudié la position du capteur assurant un bon échantillonnage des particules (cas de référence) et l'adapter au pilote en réalisant l'embout coudée.

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La configuration avec embout coudé donne des distributions de taille de gouttes les plus proches du cas de référence. Néanmoins, plus la pression d'air est faible plus l'écart de diamètre moyen en volume ou de diamètre moyen de Sauter entre la référence et la configuration choisie est important.

L'embout choisi ne semble pas favoriser la captation des gouttes les plus grosses, ceci est d'autant plus visible, lorsqu'on compare avec le cas de référence, pour des faibles pressions d'air car à ces pressions la distribution de gouttelettes d'eau s'étale et fait apparaitre des gouttelettes aux diamètres plus importants.

Pour nos essais nous nous placerons à une pression d'air acceptable qui nous permet d'être le plus proche possible de la distribution en gouttelettes du cas de référence: P ≥ 1.5 bars et à une distance à la buse ≤ 50 cm

Cette caractérisation nous permet de donner de bons ordres de grandeurs concernant les diamètres des gouttes d'eau composant le spray. Une augmentation de la pression d'air diminue la taille des gouttes d'eau et homogénéise le spray; à partir d'une certaine valeur de pression (3 bars) l'augmentation de pression semblerait favoriser une légère inversion de cette tendance. L'explication de ce phénomène nécessite une étude couplée de certains phénomènes dus à la variation de la pression.

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III. Étude expérimental sur le pilote

A travers cette partie, j’ai participé à la mise au point et au démarrage d'un pilote qui permettra à terme de caractériser efficacement l'apport énergétique de la brumisation sur un condenseur.

1. Mécanismes de transfert de chaleur et de matière sur les échangeurs en régime humide

Nous faisons le choix de présenter au lecteur un modèle élaboré au laboratoire par 'Mohamed Youbi-Idrissi' [1] qui permet d'appréhender, par une étude de sensibilité des principaux paramètres caractéristiques des phénomènes aérodynamiques et thermique, le procédé de brumisation sur un condenseur à air. Pour cela, ce modèle propose de comparer un coefficient d'échange de l'air au contact du condenseur avec et sans brumisation.

Les hypothèses suivantes ont été retenues pour ce modèle: Régime thermique étudié est permanent

l'air et les gouttelettes d'eau possèdent la même vitesse La puissance de condenseur est maintenue constante

La température de l'air est considérée comme donnée de la modélisation Régime sans excès d'eau

a. Transfert de matière

Figure III.1 : Bilan massique sur le condenseur

On considère que le débit d’eau captée est totalement évaporé, afin d’obtenir un écoulement diphasique sans excès d’eau. On introduit donc uniquement la quantité d’eau nécessaire à la saturation de l’air. Cette quantité peut être calculée par un bilan de masse sur l’air sec et l’eau.

• Conservation de l'air sec :

as E as as

m

m

m

=

=