Evaporation de l’eau à basse pression dans un canal d’échangeur à plaques. Approche expérimentale par plan d’expériences
Résumé
La compacité et le coût sont les deux principales limitations au développement de petites unités frigorifiques à sorption pour la production de froid. Comme la conception des échangeurs utilisés dans ces machines reste très empirique, l’optimisation de leur taille est l’un des éléments clef dans ce développement. Cependant, utiliser de l’eau comme fluide frigorigène dans des machines à absorption (LiBr/H2O) ou à adsorption (silicagel/H2O, zeolite/H2O), implique des pressions de fonctionnement très faibles - (Pevap/Ptriple = 1.5). A ces pressions, les phénomènes de vaporisation de l’eau sont mal connus et ceux qui le sont ont tendance à limiter les performances de l’évaporateur (présence de bulles de taille centimétrique accentuant la zone d’assèchement, faible masse volumique de la vapeur entrainant une vitesse très importante en sortie d’évaporateur, etc.). Une meilleure connaissance de ces phénomènes, se produisant à l’intérieur de l’échangeur de chaleur, est indispensable et permettra de meilleurs dimensionnements des échangeurs industriels.
L’objectif de cette étude est d’observer la vaporisation de l’eau dans le canal d’un échangeur à plaques de dimension standard sous diverses conditions de fonctionnement et pour deux confinements possibles : 2 mm et 4 mm. Afin de trouver les points de fonctionnements optimaux, des plans d’expériences ont été mis en place pour ces deux espacements en faisant varier la température du fluide secondaire de la plaque (10 °C à 25 °C), le taux de remplissage en liquide de la plaque (1/10 à 1/2 de la hauteur total), le titre du fluide frigorigène en entrée de plaque ( 0 % à 10 %) ainsi que la force motrice (0,3 kPa et 0,7 kPa). La force motrice est créée grâce à un condenseur relié à la sortie de l’évaporateur et dont la température de consigne est inférieure à la température d’évaporation du fluide. L’installation se comporte donc comme un thermosiphon. En faisant varier la température au condenseur, il est possible de simuler le fonctionnement d’une machine à absorption pour différentes conditions opératoires. Un modèle thermodynamique développé sous Matlab permet d’estimer les conditions de fonctionnement de cette machine à absorption idéale à partir des conditions expérimentales imposées. Le régime diphasique obtenu à l’intérieur du canal pour les différents points du plan d’expérience est observé et étudié grâce à une caméra rapide. Le modèle mathématique obtenu grâce au plan d’expériences est également analysé afin d’identifier l’importance de chaque facteur sur la puissance thermique obtenue ainsi que leur influence respective.