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Objet

L'amélioration des performances des procédés thermiques à adsorption passe par l'intensification des échanges thermiques dans les adsorbeurs afin d'augmenter les puissances spécifiques. Le recours aux transferts de chaleur par changement de phase du fluide caloporteur est une voie à explorer qui implique de bien caractériser ces échanges en mode transitoire, mode dans lequel ils sont mal connus. Une étude expérimentale est réalisée sur une cellule de cuivre, afin de comprendre le comportement d'un tel système et d'être ainsi capable de prédire l'évolution des coefficients d'échange fluide-paroi au cours de cycles de chauffage et de refroidissement [1].

Description

Le dispositif expérimental est présenté sur la figure 1. La cellule, disposée verticalement, est un tube de cuivre très épais (14 mm de diamètre intérieur, d'épaisseur 42 mm), d'environ 30 kg, subdivisé en 10 blocs permettant d'observer les variations axiales du flux de chaleur. Les manipulations consistent à chauffer cette masse de cuivre en envoyant en haut du tube de la vapeur saturée (150C) qui se condense en film sur les parois froides, puis à la refroidir en injectant, grâce à un distributeur, de l'eau liquide (à 20C) sous forme d'un film tombant qui s'évapore au contact des parois chaudes. On mesure l'évolution de température des 10 blocs, les pressions et températures du fluide caloporteur et le débit de condensation ou d'évaporation selon que l'on est en chauffage ou en refroidissement. On étudie successivement la période de chauffage, la période de refroidissement puis des enchaînements de cycles où alternent chauffage et refroidissement.

Résultats et perspectives

En résolvant un problème inverse de conduction de la chaleur on reconstitue l'évolution des flux de chaleur et des températures de paroi desquels sont déduits les coefficients d'échanges, h_f, au niveau de chaque bloc. Les figures 2 et 3 présentent l'évolution des h_f respectivement au cours d'une expérience de chauffage et d'une expérience de refroidissement. Les coefficients d'échange mesurés sont, en moyenne, dix à quinze fois supérieurs à ce que l'on obtient par circulation d'un liquide. Le fait de fonctionner en régime transitoire et d'effectuer des mesures le long du tube permet de mettre en évidence différents régimes d'écoulement du film en période de chauffage (voir figure 4) et différents régimes d'ébullition en période de refroidissement (voir figure 5). Des corrélations permettant de calculer les coefficients d'échange ont été établies pour chacune des deux périodes. Les enchaînements de cycles ont montré que ces cycles deviennent bien reproductibles dès le troisième cycle. Grâce à cette étude, on a maintenant la possibilité de dimensionner et d'évaluer les performances d'une machine. On sera donc en mesure de proposer un nouveau type de chauffage et de refroidissement permettant d'envisager des temps de cycle de l'ordre de quelques minutes.

Références

[1] A. Mativet : <<Etude expérimentale d'un procédé de chauffage et de refroidissement par changement de phase du fluide caloporteur>>. Thèse de doctorat de l'université Paris XI, 1997.

* GRETH-CENG Grenoble (groupe de thermodynamique des fluides diphasique)

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