Caractérisation expérimentale de l’influence de l’ébullition sur les transferts de chaleur et de masse au travers d’un film tombant d’eau dans un évaporateur à plaque verticale rainurée par imagerie rapide

De par sa forte capacité thermique, sa forte chaleur latente de vaporisation et son innocuité sur l’environnement, l’eau représente un bon fluide de substitution à de nombreux fluide frigorigènes utilisés pour la production de froid positif. Les machines à sorptions sont aujourd’hui les principaux systèmes où ce fluide est utilisé. Ces machines à absorption utilisent majoritairement des échangeurs à films tombants pour opérer les transferts couplés de masse et de chaleur compte tenu de leurs performances, permettant ainsi de travailler avec de faibles débits de fonctionnement et de limiter les surchauffes des fluides caloporteurs. Les échangeurs tubulaires sont majoritairement utilisés dans ces machines, en particulier au niveau de l’évaporateur, compte tenu des très faibles pressions qui y règnent, conduisant à des machines volumineuses et des couts de fabrication onéreux. De nombreux efforts de recherche doivent encore être fournis pour en améliorer leur compacité et réduire les couts de fabrication.

La présente étude s’intéresse aux alternatives offertes par les échangeurs à plaques et films ruisselants. Si les transferts évaporatifs commencent à être mieux appréhendé [1], l’ébullition qui peut s’y développer est encore mal comprise. L’étude s’intéresse ici aux mécanismes d’ébullition en présence de films fins d’eau pure, saturé, ruisselant sur une plaque plane rainurée verticale. La plaque est chauffée à l’aide d’un fluide secondaire. Différents phénomènes d’ébullition ont été observés à l’aide d’une caméra rapide dans des gammes de fonctionnement typique des systèmes de rafraichissement. Afin d’identifier et de caractériser les régimes d’ébullition, un algorithme de détection et de suivi des bulles a été développé. A l’aide des informations tirées des vidéos, les bilans d’énergie locaux sont effectués et permettent de quantifier l’importance du transfert avec changement de phase au niveau des bulles de l’intensification des transferts convectifs au sein du film favorisant l’évaporation à la surface libre. Différentes populations de bulles de comportement distincts ont été observées. Les résultats suggèrent que les mécanismes de changement de phase dominants sont différents pour chaque population. Les résultats de cette étude sont discutés et les perspectives de recherche à ce sujet sont introduites.

[1] R. Collignon, B. Stutz. Numerical simulation and modeling of the heat and mass transfer in a grooved flat falling film evaporator. International Journal of Refrigeration, 2022. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2022.10.021.