Caractéristiques de l’ébullition basse pression dans le cadre des machines à sorption : comparaison avec l’ébullition à pression atmosphérique
Résumé
Utiliser des machines frigorifiques à sorption permet de substituer une part importante de l’énergie mécanique nécessaire au bon fonctionnement de l’installation par de l’énergie thermique. La plupart permettent également d’utiliser des fluides frigorigènes naturels tels que l’eau. Cependant utiliser de l’eau comme fluide frigorigène pour le refroidissement d’air nécessite de travailler à des pressions de l’ordre de 1 kPa dans l’évaporateur afin d’avoir une température d’évaporation proche de 10 °C (Pevap/Ptriple= 1.5). Or, à de telles pressions, les phénomènes d’ébullition sont différents de ceux observés à pression atmosphérique. Cette différence est due à la forte variation des propriétés thermophysiques de l’eau dans ces faibles gammes de pressions ainsi qu’à la forte inhomogénéité en pression de l’environnement d’ébullition. Les bulles observées sont de taille centimétrique (jusque 15 cm à 1.2 kPa) et présentent une forme particulière de champignon. Seule la première étape de la croissance de bulle, la croissance isotherme, est observée. Les bulles croissent rapidement et leur détachement n’est non plus gouverné principalement par les forces de gravité et les forces capillaires mais plus probablement par les forces de gravité et d’inertie. Le rapport des forces n’est donc plus le même et la plupart des corrélations existantes ne sont plus applicables à très basse pression.
L’objectif de la présente étude est de mettre en évidence ces différences entre ébullition à pression atmosphérique et ébullition à très basse pression afin de pouvoir envisager, à terme, d’optimiser la conception des échangeurs utilisés jusque maintenant dans les systèmes à sorption. Un banc expérimental a été mis en place afin de pouvoir caractériser l’ébullition de l’eau sur une surface de cuivre sur une large gamme de pression. La surface d’échange est de 19.6 cm². Une analyse thermique ainsi qu’une analyse de la croissance de bulle a été réalisé pour différentes pressions. Trois grands régimes d’ébullition ont été mis en évidence lorsque la pression diminue : un régime de convection naturelle, un régime caractérisé par de long temps d’attente (jusque 400 s) entrecoupé d’apparitions cycliques de bulles de diamètres de détachement variés, et un régime d’ébullition nucléée établie. Ces régimes dépendent de la pression ainsi que du flux imposé. Ils ont une influence non négligeable sur le coefficient de transfert de chaleur moyen ainsi que sur la fatigue du matériau utilisé, car on observe des oscillations de la température de surface pouvant atteindre 14 K. La dynamique de croissance de bulle est étudiée par vidéographie rapide. On montre en particulier que l'évolution du diamètre de détachement des bulles avec la pression présente un maximum.