Vaporization of water at subatmospheric pressure: fundamentals of boiling phenomena and path towards the design of compact evaporators for sorption chillers

Résumé :

Afin d’optimiser la taille et le coût des évaporateurs basse pression utilisés dans les systèmes de climatisation à sorption, une bonne connaissance des phénomènes de vaporisation du fluide frigorigène tels qu’ils pourraient se produire dans ces évaporateurs est nécessaire. Acquérir cette connaissance est fondamental afin d’être en mesure de développer des machines à sorption pour le refroidissement d’air compétitives par rapport aux systèmes de climatisation actuellement commercialisés. Cependant très peu d’études portent sur ce sujet et il y a un sérieux manque de données concernant les phénomènes de vaporisation (ébullition et évaporation) qui pourraient se produire dans des évaporateurs compacts basse pression. Le but de cette étude est donc d’aller plus loin dans la compréhension de ces phénomènes aussi bien d’un point de vue très fondamental que d’un point de vue applicatif. Dans cette optique, deux bancs d’essais ont été réalisés.

Le premier banc d’essais permet d’étudier le comportement de l’eau dans une configuration d’ébullition en vase à une pression pouvant atteindre 0.8 kPa. À ces basses pressions, l’influence de la hauteur hydrostatique ne peut être négligée. Que soit modifiée la hauteur de la colonne d’eau ou la pression de vapeur, il en résulte une modification de la pression de saturation locale, du degré de sous refroidissement maximal ainsi que du gradient de sous-refroidissement. Cette spécificité du milieu d’ébullition a une influence non négligeable sur la taille et la forme des bulles : cette influence est analysée. Les courbes d’ébullition pour des pressions allant de 0.8 kPa à 100 kPa sont tracées. Puisque de fortes fluctuations de la surchauffe pariétale sont observées pour certaines gammes de flux imposés, ces courbes sont tracées en tant que flux instantané en fonction de la surchauffe pariétale pour un flux donné aux cartouches chauffantes. Afin d’être ensuite plus proche d’une configuration d’échangeur à plaques, l’ébullition en vase de l’eau dans un premier temps sans puis avec confinement est étudiée. Des courbes d’ébullition sont tracées pour différentes pressions de vapeur et différentes hauteur de la colonne d’eau. Puis, six différents espaces de confinement sont testés pour des pressions allant de 1.2 kPa à 5 kPa. Les courbes obtenues sont tracées et analysées. Un régime d’ébullition spécifique à la basse pression et déjà observé en configuration horizontale apparait lorsque l’espace de confinement diminue. L’influence de l’apparition de ce régime sur le transfert de chaleur est montrée. Enfin, des expériences utilisant la PIV rapide ont été réalisées afin de mettre en évidence « l’effet pompe » pour de faibles espaces de confinement. Les résultats sont présentés et traités. La signification du nombre de Bond, nombre incontournable lorsque l’ébullition confinée est étudiée, est également abordée.

Le deuxième banc expérimental permet d’observer la vaporisation de l’eau dans un canal d’évaporateur à plaques de dimension standard (0.2 m de large x 0.5 m de haut) dans des conditions similaires à celles obtenues dans une climatisation à absorption (pressions de travail variant de 16 kPa à 0.85 kPa, remplissage de la plaque variant de 1/2 à1/10 de la hauteur totale de la plaque). Un plan d’expérience est réalisé pour un espacement entre deux plaques de 2 mm et 4 mm. Lors des expériences réalisées, trois principaux régimes d’ébullition ont été identifiés ainsi que trois différentes zones de travail: une zone d’ébullition en vase, une zone d’évaporation en film et une zone de vapeur. Il a été mis en évidence que la majorité du transfert de chaleur a lieu dans la zone d’évaporation en film. Le film observé dans cette partie est créé suite à la rupture de la membrane d’une bulle de plusieurs centimètres ayant pris naissance dans la partie d’ébullition en vase. Des puissances frigorifiques allant de 0 à 503 W on été mesurées. Les conditions pour obtenir la meilleure puissance frigorifiques possible sont déterminées. Enfin, dans une première tentative vers un dimensionnement des échangeurs compacts basse pression, un coefficient de transfert global a été estimé et des premières réflexions basées sur des nombres adimensionnels ont été proposés.