Incidence de l'implémentation d'un système de pulvérisation de gouttelettes d'eau sur l'efficacité d'un groupe de production de froid embarqué

Impact of the implementation of a water spraying system on the efficiency of an embedded refrigeration unit

• Auteur / Autrice : Pierre-Emmanuel Vendé
• Direction : Laurence Fournaison, Anthony Delahaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 30/03/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement (Antony, Hauts-de-seine ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Zaleski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Lacour, François Trinquet, Laurent Gagnepain
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Boulet, Luis Le Moyne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Brumisation

Réfrigération et appareils frigorifiques

Automobiles -- Climatisation

Mots clés libres

Brumisation d’eau

Basse pression

Encombrement

Gain de performance

Bouchage

Intermittence

Échangeur mini-canaux

Surface impactée

Water spraying

Low pressure

Space saving

Performance enhancement ratio

Clogging

Intermittence

Minichannel heat exchanger

Impacted surface

Résumé

La brumisation du condenseur à air d’une machine frigorifique permet une augmentation des échanges thermiques avec l’évaporation de l’eau dans l’air ou en paroi, ce qui augmente la puissance frigorifique et diminue le travail de compression. Ce phénomène est appliqué dans le cadre automobile afin d’abaisser la consommation supplémentaire de carburant induite par la climatisation lorsque le véhicule est à l’arrêt ou roule à faible vitesse. Un dispositif de brumisation autosuffisant en eau, peu énergivore et peu encombrant a ainsi été implémenté afin d’impacter le condenseur du système de climatisation d’un véhicule. Une étude de dimensionnement a montré que le dispositif ne devait pas consommer plus de 1 kg.h-1 récupérés à partir des condensats de l’évaporateur. Les buses étudiées (cône creux et jet plat) ont été choisies en fonction de ce critère. Le condenseur de la machine frigorifique a été isolé dans une maquette expérimentale afin de caractériser et optimiser l’effet de la brumisation. Une méthode d’analyse thermique des surfaces impactées a été développée pour caractériser le phénomène de bouchage étant donné que l’échange thermique se fait à la fois par impact sur la surface de l’échangeur et par l’évaporation du film d’eau. Il a ainsi été montré que, sur le long terme, si la surface frontale de l’échangeur est bouchée à 17 %, cela entraîne 45 % de pertes de charge supplémentaires et 20 à 25 % de transfert thermique en moins. Mais le bouchage peut être bénéfique et stocker de l'énergie thermique lorsque la durée de pulvérisation ne dépasse pas 25 minutes. Enfin, au terme de l’étude, le dispositif de brumisation a été implémenté sur le véhicule et des premiers essais ont montré un réel gain apporté par la brumisation, ce qui est encourageant pour une éventuelle industrialisation du dispositif.

Spraying the air condenser of a refrigerating unit increases the heat exchange thanks to the evaporation of water in the air or on the wall, which increases the cooling capacity and decreases the compression work. This phenomenon is applied to the automotive context in order to lower the additional fuel consumption induced by the air conditioning when the vehicle is stopped or is at low speed. A self-sufficient, low-energy, space-saving spraying device was thus implemented in order to impact the condenser of the air conditioning system of a vehicle. A sizing study showed that the spraying device should not consume more than 1 kg.h-1 recovered from the condensates on the evaporator. The studied nozzles (hollow cone and flat fan) were therefore chosen according to this criterion. The condenser of the refrigerating unit was isolated in an experimental device to characterize and optimize the water spraying effect. A thermal analysis method of impacted surfaces has been developed to characterize the clogging phenomenon as the heat is exchanged mainly by the surface impact of the exchanger followed by the water film evaporation. For the long term spraying, 17 % clogging area of the exchanger front surface induces 45 % additional pressure drop and around 25 % degradation in the heat transfer. But clogging can be beneficial and store thermal energy when the spraying time does not exceed 25 minutes. Finally, at the end of the study, the spraying device was implemented on the vehicle and first tests showed a real gain brought by spraying, which is encouraging for a possible industrialization of the device.