Modélisation et caractérisation expérimentale d’un évaporateur à mini-canaux de climatisation automobile fonctionnant au CO2, Modeling and experimental characterization of a minichannels evaporator for a CO2 automotive air-conditioning system

Mohamed Fadil Ayad

Description

Sous la direction de Riad Benelmir
Thèse soutenue le 12 novembre 2007: Nancy 1
Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant dans les systèmes de climatisation automobile en remplacement du HFC-134a. L’objectif est d’assurer le bon dimensionnement de l’évaporateur. Cela nécessite une étude du comportement de la vaporisation du CO2 dans les mini-canaux et la caractérisation expérimentale de l’échange de chaleur et de masse côté air assuré par des ailettes à persiennes. La vaporisation du CO2 est dominée par un régime d’ébullition nucléée offrant des coefficients d’échange très élevés et par un assèchement (disparition du film liquide en contact de la paroi) précoce. À partir de données expérimentales issues de la littérature, une méthode prédictive du coefficient d’échange de chaleur en fonction du titre en vapeur a été développée. Cette méthode combine des modèles de transfert de chaleur d’ébullition nucléée, d’évaporation convective et de post-assèchement. Du côté air de l’évaporateur, un travail expérimental a été mené pour étudier l’impact de l’humidité absolue sur la performance thermohydraulique des ailettes à persiennes. Il ressort qu’à partir d’un nombre de Reynolds relativement faible et en mode de déshumidification, l’augmentation de l’humidité absolue de l’air dégrade le coefficient d’échange de chaleur sensible alors que l’efficacité d’ailette reste quasiment inchangée. Enfin, tous ces résultats nous ont permis de développer un modèle de simulation du fonctionnement des évaporateurs à mini-canaux basé sur une discrétisation fine de l’échangeur ; c’est un outil précieux pour le dimensionnement et l’optimisation de tels échangeurs de chaleur.
-Échangeur de chaleur compact évaporateur à mini-canaux ébullition en convection forcée climatisation automobile CO2 (R744) ailettes à persiennes air humide transfert de chaleur et de masse
This work deals with the use of carbon dioxide as refrigerant for automotive air conditioning systems in replacement of HFC-134a. The objective is to provide the right design of evaporators. For that, it is necessary to study the vaporization of CO2 inside minichannels and to characterize the heat and mass transfer on the air-side. CO2 vaporization is characterized by a predominant nucleate boiling, leading to high heat transfer coefficients, and an early dryout (disappearance of liquid film in contact with the wall). From experimental data found in the literature, a predictive method of heat transfer coefficient according to the vapor quality has been developed. This method combines heat transfer models of nucleate boiling, convective evaporation and post-dryout. On the air-side of the evaporator, an experimental work has been performed to study the impact of absolute humidity on the thermal-hydraulic performance of louvered fins. We noted that from a relatively low value of Reynolds number, in dehumidifying conditions, the increase in absolute humidity degrades the sensible heat transfer coefficient, while the fin efficiency remains almost unchanged. Finally, all these results allowed us to develop a numerical model of minichannels evaporator based on a fine discretization of the heat exchanger; it is a valuable tool for the design and optimization of such heat exchangers.
Source: http://www.theses.fr/2007NAN10155/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 472
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

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École E.S.S.T.I.N
École Doctorale EMMA
Département de Formation Doctorale



THÈSE
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy 1
en Mécanique et Énergétique
par
Fadil AYAD
Modélisation et caractérisation expérimentale d’un
évaporateur à mini-canaux de climatisation automobile
fonctionnant au CO 2


Soutenue publiquement le 12 novembre 2007



Membres du jury :

Rapporteurs : M. Lounes TADRIST Professeur, IUSTI, Université de Marseille
M. André BONTEMPS Professeur, UJF : LEGI, Grenoble
Examinateurs : M. Tim COWELL Professeur, Université de Brighton, G-B
M. Michel FEIDT Professeur, UHP : LEMTA, Nancy
M. Riad BENELMIR Professeur, UHP : LERMAB, Nancy
(Directeur de thèse)
M. Mohamed IDRIS Docteur ingénieur, Delphi, Luxembourg
Invité : M. Michel GRADECK Maître de conférence HDR, LEMTA, Nancy
Laboratoire d’énergétique et de mécanique théorique et appliquée, UMR CNRS 7563
2 avenue de la forêt de Haye, B.P. 160, 54504 Vandoeuvre Cedex, France


École E.S.S.T.I.N
École Doctorale EMMA
Département de Formation Doctorale


THÈSE
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy 1
en Mécanique et Énergétique
par
Fadil AYAD
Modélisation et caractérisation expérimentale d’un
évaporateur à mini-canaux de climatisation automobile
fonctionnant au CO 2


Soutenue publiquement le 12 novembre 2007


Membres du jury :

Rapporteurs : M. Lounes TADRIST Professeur, IUSTI, Université de Marseille
M. André BONTEMPS Professeur, UJF : LEGI, Grenoble
Examinateurs : M. Tim COWELL Professeur, Université de Brighton, G-B
M. Michel FEIDT Professeur, UHP : LEMTA, Nancy
M. Riad BENELMIR Professeur, UHP : LERMAB, Nancy
(Directeur de thèse)
M. Mohamed IDRIS Docteur ingénieur, Delphi, Luxembourg
Invité : M. Michel GRADECK Maître de conférence HDR, LEMTA, Nancy
Laboratoire d’énergétique et de mécanique théorique et appliquée, UMR CNRS 7563
2 avenue de la forêt de Haye, B.P. 160, 54504 Vandoeuvre Cedex, France

À mes parents, ma sœur et ma tante Ouiza
Remerciements
Ce travail de thèse a fait l’objet d’une Convention Industrielle de Formation par la
Recherche (CIFRE) entre le Laboratoire d’Énergétique et de Mécanique Théorique et
Appliquée, l’entreprise Delphi (équipementier automobile) et moi-même.

Je tiens à exprimer ma reconnaissance à M. Bontemps (professeur à l’université Joseph
Fourier) et M. Tadrist (professeur à l’université de Marseille) qui ont accepté de rapporter sur
ce travail.

Pour leur participation à mon jury de thèse, j’adresse de sincères remerciements à M. Tim
Cowell (professeur à l’université de Brighton), à M. Feidt (professeur à l’université Henri
Poincaré) et M. Gradeck (maître de conférence à l’université Henri Poincaré).

Je voudrais exprimer mes sincères remerciements à M. Benelmir (directeur de thèse) et à
M. Idris (Docteur ingénieur chez Delphi) de m’avoir accompagné tout au long de ces trois
années en m’ayant apporté conseils et critiques constructives et pour m’avoir témoigné leurs
amitiés sincères.

Je dois à mesdames Odille-Hirtt et Lang et à Mlle Simonigh de sincères remerciements
pour toutes mes quêtes administratives.

Merci enfin, à tous les thésards, en particuliers Jérôme, Fabien, Corinne, Thomas,
personnels du laboratoire et êtres divers et variés que j’ai côtoyé et qui ont su maintenir une
ambiance de travail humaine et chaleureuse.
Résumé
Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant
dans les systèmes de climatisation automobile en remplacement du HFC-134a. L’objectif est
d’assurer le bon dimensionnement de l’évaporateur. Cela nécessite une étude du
comportement de la vaporisation du CO dans les mini-canaux et la caractérisation 2
expérimentale de l’échange de chaleur et de masse côté air assuré par des ailettes à
persiennes. La vaporisation du CO est dominée par un régime d’ébullition nucléée offrant 2
des coefficients d’échange très élevés et par un assèchement (disparition du film liquide en
contact de la paroi) précoce. À partir de données expérimentales issues de la littérature, une
méthode prédictive du coefficient d’échange de chaleur en fonction du titre en vapeur a été
développée. Cette méthode combine des modèles de transfert de chaleur d’ébullition nucléée,
d’évaporation convective et de post-assèchement. Du côté air de l’évaporateur, un travail
expérimental a été mené pour étudier l’impact de l’humidité absolue sur la performance
thermohydraulique des ailettes à persiennes. Il ressort qu’à partir d’un nombre de Reynolds
relativement faible et en mode de déshumidification, l’augmentation de l’humidité absolue de
l’air dégrade le coefficient d’échange de chaleur sensible alors que l’efficacité d’ailette reste
quasiment inchangée. Enfin, tous ces résultats nous ont permis de développer un modèle de
simulation du fonctionnement des évaporateurs à mini-canaux basé sur une discrétisation fine
de l’échangeur ; c’est un outil précieux pour le dimensionnement et l’optimisation de tels
échangeurs de chaleur.


Mots clés

Échangeur de chaleur compact, évaporateur à mini-canaux, ébullition en convection
forcée, climatisation automobile, CO (R744), ailettes à persiennes, air humide, transfert de 2
chaleur et de masse.