Étude phénoménologique de structures capillaires non tissées intégrées en paroi d'évapoéchangeurs compacts - application à un cycle adiabatique indirect pour le rafraichissement des ambiances

Phenomenological study of non-woven capillary structures integrated in the wall of compact evapoexchangers - application to an indirect adiabatic cycle for air conditioning

• Auteur / Autrice : Laurence Leclef
• Direction : Benoît Stutz, Florine Giraud, Stéphane Lips
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LabOratoire proCédés énergIe bâtimEnt

Mots clés

Mots clés libres

Evaporation

Non tissé

Transferts de masse et de chaleur

Pompage capillaire

Evaporation

Non-woven

Heat and mass transfers

Capillary pumping

Résumé

La climatisation des bâtiments est majoritairement réalisée à l'aide de cycles à compression de vapeur mettant en œuvre des hydrofluorocarbures à forts potentiels de réchauffement climatique. Si les progrès réguliers sur ces fluides, poussés par des règlementations contraignantes ont permis de réduire sensiblement leurs impacts environnementaux (GWP < 500), ils ne sont pas sans conséquences sur les performances des machines et le prix des installations. Le présent projet vise à substituer les cycles à compression de vapeur pour le rafraichissement des ambiances par un cycle adiabatique indirect à point de rosée (cycle de Maisotsenko) ayant un impact environnemental réduit. Le cycle mis en œuvre repose sur l'association d'échangeurs à plaques fonctionnant à contre-courant, de canaux secs et humides, et de soutirage. De l'air prélevé à l'extérieur et à l'intérieur d'un bâtiment est refroidi lors de son passage dans les canaux secs d'un échangeur à plaque. Une partie de l'air froid généré est injectée dans la pièce à rafraichir, alors que le complément retourne dans les canaux humides de l'échangeur où il contribue au refroidissement des parois par évaporation de films d'eau qui y sont entretenus avant d'être rejeté à l'extérieur du bâtiment. Des coefficients de performance supérieurs à 10 sont attendus pour ces systèmes, les rendant fortement compétitifs par rapport aux cycles de climatisation à compression classiques. Les verrous scientifiques et techniques abordés lors de ce projet concernent la génération d'un film d'eau submillimétriques sur l'intégralité des parois des canaux humides et ce quelles que soient les conditions de fonctionnement de l'échangeur, en tenant compte du vieillissement et des problèmes d'encrassement. Elle sera réalisée au moyen de substrats capillaires cellulosiques intégrés en paroi. Au cours de cette thèse, les transferts avec changement de phase au sein de ces substrats et plus largement au sein des canaux seront modélisés. À partir de cette modélisation, validée par les mesures expérimentales, une étude sur les mécanismes menant à l'assèchement du substrat sera réalisée. Cette étude mènera à la caractérisation du matériau optimal à utiliser afin de garantir la génération d'un film submillimétriques sur la totalité de la paroi. Une optimisation dimensionnelle des plaques sera également conduite. S'en suivront une étude expérimentale de l'encrassement et du vieillissement des plaques afin d'étudier la pérennité de la solution proposée.

The air conditioning of buildings is mainly carried out with the help of vapour compression cycles using hydrofluorocarbons with high global warming potential. Although regular progress on these fluids, driven by restrictive regulations, has made it possible to significantly reduce their environmental impact (GWP < 500), it has not been without consequences on the performance of the machines and the price of the installations. The present project aims to replace vapour compression cycles for room cooling by an indirect adiabatic dew point cycle (Maisotsenko cycle) with a reduced environmental impact. The cycle is based on a combination of counter-current plate heat exchangers, dry and wet channels, and draw-off. Air taken from outside and inside a building is cooled as it passes through the dry channels of a plate heat exchanger. Some of the cold air generated is injected into the room to be cooled, while the remainder is returned to the wet channels of the exchanger where it contributes to the cooling of the walls by evaporation of the water films maintained there before being discharged outside the building. Coefficients of performance greater than 10 are expected for these systems, making them highly competitive with conventional compression air conditioning cycles. The scientific and technical challenges addressed in this project concern the generation of a submillimetre water film on the entire wall of the wet channels, whatever the operating conditions of the exchanger, taking into account ageing and fouling problems. It will be carried out by means of cellulosic capillary substrates integrated into the wall. During this thesis, the phase change transfers within these substrates and more widely within the channels will be modelled. Based on this modelling, validated by experimental measurements, a study on the mechanisms leading to substrate dewatering will be carried out. This study will lead to the characterisation of the optimal material to be used in order to guarantee the generation of a submillimetre film on the entire wall. A dimensional optimisation of the plates will also be conducted. This will be followed by an experimental study of the fouling and ageing of the plates in order to study the durability of the proposed solution.