Étude préliminaire des transferts de masse et de chaleur lors de la vaporisation d’un écoulement d’eau à basse pression dans un canal étroit

Afin d’améliorer les performances des évaporateurs pour les pompes à chaleur à eau comme fluide de travail, les transferts de masse et de chaleur se produisant dans un canal étroit rectangulaire lors de la vaporisation de l’eau proche du point triple sont étudiés. Le dispositif est constitué d’un échangeur à plaque plane de 170x150 mm dans lequel circulent deux fluides séparés par une plaque en acier inoxydable de 1mm d’épaisseur. Le canal dans lequel circule le fluide de travail est de 5.1 mm d’épaisseur, celui dans lequel circule le fluide secondaire (eau également) est de 1 mm d’épaisseur. Le fluide de travail s’écoule à l’état liquide et proche du point de saturation dans la partie basse de l’échangeur. Il y est chauffé depuis la face arrière par le fluide secondaire engendrant un changement de phase liquide-vapeur. La vapeur générée est évacuée dans la partie supérieure de l’échangeur, partie reliée à un condenseur surdimensionné permettant d’imposer la pression dans l’installation. Cette pression est fixée à 10 mbar dans cette étude, correspondant à une température de saturation de 7degC. La différence entre la température d’entrée du fluide secondaire et la température de saturation du fluide de travail (surchauffe maximale) est imposée de manière décroissante à différente valeurs comprises entre 30 K et 5 K. Le débit massique du fluide de travail est imposé à 5 kg.h-1, 10kg.h-1 et 20 kg.h-1 et la hauteur de liquide est imposée à 1cm, 2cm et 4cm. La vitesse du fluide de travail est ainsi fixée à 1,36 cm.s-1, 2,72 cm.s-1 et 5,45 cm.s-1. Des bilans d’énergie sont réalisés sur le fluide secondaire et le fluide de travail pour estimer les flux thermiques échangés. Une fenêtre transparente sur la face avant de 140*140mm permet la visualisation des phénomènes d’ébullition. De larges bulles de plusieurs centimètres apparaissent dans l’écoulement du fait de la faible densité de vapeur à cette pression. Lors de leur éclatement, de fins films de liquide sont projetés sur la surface chauffée. Ces films s’évaporent rapidement, intensifiant le flux thermique instantané. Il est montré que la moyenne temporelle du flux thermique augmente avec la surchauffe maximale, du fait de la nucléation et croissance d’un plus grand nombre de masses de vapeur. Le flux thermique échangé augmente également avec la hauteur de liquide, les bulles ayant une taille apparente finale avant éclatement plus importante, projetant davantage de liquide sur la paroi chauffé. L’effet du débit sur le flux thermique moyen échangé est en revanche limité. Afin de caractériser l’écoulement du fluide de travail pour plusieurs vitesses de fluide et de quantifier les effets conducto-convectifs sans changement de phase, une simulation numérique 3D est réalisée sous COMSOL. A l’aide de celle-ci, les différents modes de transfert sont estimés et discutés.

Article

PDF : download