Antoine Courouble^1, ⋆, Romuald Rullière¹, Jocelyn Bonjour^1
⋆ : Antoine.Courouble@insa-lyon.fr
¹ CETHIL
Mots clés : Vaporisation - Basse Pression - Eau
Résumé :

Le marché du rafraîchissement d’air est en constante progression mais il continue à offrir des machines qui contribuent au réchauffement planétaire. Si leur effet indirect (émission de liée à leur consommation d’énergie en fonctionnement) peut être réduit en améliorant leur efficacité, leur effet direct (échappement de frigorigène dans l’atmosphère) peut être éliminé en utilisant des fluides frigorigènes à GWP (Global Warming Potential) nul, au premier rang desquels l’eau. Dans les systèmes frigorifiques utilisant l’eau comme frigorigène, la pression d’évaporation est très faible et les évaporateurs sont généralement peu efficaces et peu compacts. Il est donc essentiel de conduire des travaux de recherche sur les phénomènes de vaporisation de l’eau sous faible pression pour contribuer au développement de systèmes de climatisation à faible empreinte environnementale.

Une étude expérimentale de la vaporisation de gouttes d’eau sur une paroi chauffée a été menée. Un dispositif d’injection permet de déposer une goutte au centre d’une paroi circulaire et horizontale. Elle est située dans une enceinte étanche dans laquelle il est possible de contrôler et mesurer la pression (10 mbar -1 bar). La paroi est équipée d’un fluxmètre permettant une mesure instantanée (sur sept zones concentriques distinctes) de la densité de flux la traversant. Les deux paramètres opératoires sont la pression dans l’enceinte et la température de la paroi chauffée. La pression de vapeur saturante est fixée en laissant une couche d’eau liquide dans le fond de l’enceinte tout en imposant sa température (bain thermostaté). La température de paroi est mesurée à l’aide de thermocouples. Une caméra rapide permet de visualiser le comportement de la goutte lors de sa vaporisation. Les acquisitions des séquences vidéo et des différents capteurs (températures, flux, pressions) sont synchronisées et la période d’acquisition est de 4 ms. Le volume de chaque goutte est estimé à partir des images enregistrées avant son contact avec la paroi. La signature thermique associée à la vaporisation de chaque goutte (enregistrée par le fluxmètre) permet d’identifier la contribution relative des différentes zones de la paroi au transfert de chaleur, la cinétique de changement de phase, l’énergie thermique mise en jeu pendant la vaporisation, ou encore le coefficient d’échange thermique global.

Deux régimes de vaporisation ont été identifiés : un régime d’évaporation et un régime d’ébullition explosive. Pour le régime d’évaporation, la chaleur est majoritairement dissipée au centre de la paroi, là où la goutte est initialement déposée. En régime d’ébullition explosive, une bulle de vapeur se forme au sein de la goutte. Une fois sa taille maximale atteinte, la bulle éclate, ce qui conduit à la dispersion de gouttelettes réparties sur toute la surface. La chaleur extraite au niveau des zones périphériques de la paroi est alors conséquente. Le régime d’ébullition explosive se produit lorsque la surchauffe de la paroi (écart entre la température de paroi et la température de saturation correspondant à la pression) est suffisamment élevée. La complémentarité des observations et des grandeurs mesurées ou déduites lors des essais a permis l’identification des conditions d’apparition de ces régimes de vaporisation (représentation graphique).

Work In Progress