Activites de recherche et formation doctorale

2.3.3.2 : préchambrage par refroidissement évaporatif [T7]

Cette étude a aussi été menée avec notre partenaire IMRA Europe, dans le cadre d’une thèse. Elle portait sur le pré-conditionnement de l’air par procédé de brumisation. Ce procédé était déjà utilisé dans les serres agricoles pour maintenir des conditions de cultures acceptables, en été, pour les plantes. Ce procédé consiste à éjecter, dans le volume à rafraîchir, un mélange d’eau et d’air sous pression.

Nous avons d’abord choisi un autre type de brumisation, plus adapté aux petits volumes constituant les habitacles automobiles, capable de produire un brouillard de micro gouttelettes d’eau (diamètre moyen : 3 micromètres) à l’aide d’un procédé piézo-céramique.
Les problèmes technologiques liés à l’adaptation de ce procédé de rafraîchissement ont été assez rapidement résolus et intégrés de façon rationnelle par nos partenaires industriels :

• 
  un réservoir d’eau dans le coffre ;
  
• 
  une pompe pour envoyer l’eau vers le plafond de l’habitacle dans un récipient contenant l’appareillage pièzo-céramique ;
  
• 
  un ventilateur expulsant le brouillard créé en le répartissant dans l’habitacle.
  

Cependant, la contrainte principale était de ne pas mouiller les surfaces intérieures, c’est-à-dire que, en fonction des conditions thermodynamiques régnant dans l’habitacle, le temps d’évaporation des gouttelettes devait être inférieur au temps de parcours du nuage entre sa production et les parois.

Dans le cadre de ce travail, nous avons donc développé un simulateur du comportement d’un nuage de gouttelettes, afin de prédire le temps d’évaporation en fonction des débits éjectés et des conditions ambiantes. Des expérimentations ont été menées dans 2 configurations de véhicules (classique et monospace) pour valider nos calculs.
Le modèle que nous avons développé reprend le concept du modèle cellulaire de ZUNG.
Les principales hypothèses prises lors de la formulation des équations sont :

• 
  Le nuage est un arrangement de compacité 0,74 des sphères d’influence.
  
• 
  Les sphères internes peuvent se saturer, par contre, celles de la couche externe s’évaporent vers l’extérieur comme une demie goutte posée sur une surface, en doublant le temps d’évaporation ainsi que le débit de vapeur.
  
• 
  Les propriétés thermo physiques de l’air et de la vapeur d’eau sont calculées à chaque pas de temps en fonction de la température.
  
• 
  L’air et la vapeur d’eau sont considérés comme des gaz parfaits.
  
• 
  Le rayonnement thermique est négligé.
  
• 
  Les sphères d’influence sont imperméables aux transferts massiques et thermiques.
  
• 
  Les équations sont résolues en symétrie sphérique.
  
• 
  L’aspect microscopique est pris en compte par les facteurs de correction de KELVIN et de KNUDSEN.
  
• 
  La répartition de la vapeur autour de la goutte et dans la zone de calcul est considérée homogène et uniforme.
  
• 
  Le phénomène d’évaporation est représenté par la relation de MAXWELL en négligeant le flux de retour de STEFAN.
  
• 
  Les gouttes et les sphères d’influence restent sphériques.
  

Figure 20 : Approximation des géométries	Figure 21 : Modèle de nuage

Les principales équations prises en compte sont :

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  La variation de masse qui décrit l’évolution de la taille de la goutte :
  
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  Le bilan énergétique sur le maillon élémentaire :
  
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  L’évaporation, basée sur la diffusion au sens de MAXWELL :
  
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  L’approche des conductivités infinies, utilisée pour la goutte :
  
• 
  Le courant convectif, représenté par les nombres de SHERWOOD et de NUSSELT :
  

A partir des conditions d’évaporation, au niveau des gouttes externes, puis couche par couche, il nous a été possible de déterminer le temps d’évaporation d’un nuage complet, ainsi que l’impact sur la température et l’humidité relative obtenues en fin d’évaporation.

Figure 22 : temps d’évaporation des gouttelettes

Dans les conditions rappelées dans la figure, le calcul prévoit une décroissance de 7 °C en une vingtaine de secondes, pour une augmentation de l’humidité relative de 51 à 64 %.

Cela correspond aux résultats d’essais effectués sur site. Avec des débits d’eau plus importants, nous avons pu mesurer une baisse de température d’air dans l’habitacle de 30 °C (de 74 à 44 °C) en moins de 30 secondes. Les résultats obtenus firent l’objet de vérifications en présence d’ingénieurs de TOYOTA, et ont intéressé la Direction Marketing de la maison mère de nos partenaires. Après un développement technologique et une adaptation industrielle, ce procédé a été proposé en option sur les voitures haut de gamme de la marque pendant quelques années.