Amélioration des performances énergétiques d un échangeur pas brumisation

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1 SFT «Sprays et gouttes» - Paris 02 oct Amélioration des performances énergétiques d un échangeur pas brumisation F.Trinquet

2 Travaux de l équipe ENERFRI Spray : Impact sur un échangeur à air 2/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

3 Travaux de l équipe ENERFRI - Coulis d hydrates - Matériaux à changement de phase - Réduction de charge Spray : Impact sur un échangeur à air 3/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

4 Coulis d hydrates Secondary refrigeration Containment of refrigerants Reduction by a factor of 10 10% puissance frigorifique Two phase secondary refrigerant High energy density : Slurry of 25% (100 kj/kg) ~ 5 x Monophasic liquid (ΔT=5 C) Increase the energy efficiency of the system (offset losses : pumps, exchanger) Applications Air conditioning, Distribution Networks (Japan), Storage What is a hydrate? Like crystal compound of ice water molecules forming cages, which trap other molecules, ex : CH 4, CO 2 Interest for refrigeration Equivalent latent heat or > than the ice. Stable at T > 0 (air conditioning) Formation by injecting CO2 (non-mechanical) Coulis d hydrate de TBAB Tanasawa et Takao, 4th Int. Conf. on Gas Hydrates, Yokohama, /26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

5 Matériaux à Changement de Phase (MCP) domestic refrigerator Positionnement des plaques de M.C.P. dans le congélateur - B. Gin et al. (2010) COP 3 2,5 2 1,5 1 K. Azzouz (2008) eau (5 mm) sans PCM Tenc ( C) Température enceinte ( C) Temps (h) F.Trinquet, L. Fournaison, D. Leducq, A. Delahaye 0,5 0 1 : Text=15 C,R =0 W 2 : Text=20 C,R =0 W 3 : Text=25 C,R =0 W 4 : Text=20 C,R =9 W 5 : Text=30 C,R =0 W Amortization of temperature changes Up to 30% savings on COP Autonomy Energy savings to defrost and door openings (~ 50%) Limit the number of starts the chiller Stabilize the temperature in the enclosure 5/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

6 Réduction de charge Under control technology for condensers automobile air conditioning. Compact, lightweight. Reduced internal volume : load reduced refrigerant. Thermal performance. Refrigerant distribution. Behavior frosting / icing. Installation Constructeur Classique Searle MDA 22-6 Charge réduite mini-canaux Valeo D int 7,93 mm (3/8 ) 1,49 mm V int 6 l - 87% 0,77 l Some results L totale S air 122 m (4x30,3) 33 m² 250 m (2x32x7x0,56) 32 m² S frigorigène 3,0 m² 1,5 m² Pas ailettes 2,12 mm 1,28 mm Coeff. d échange 20 W/K + 40% 32,8 W/K Débit d air m 3 /h m 3 /h + VEV 6/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

7 Travaux de l équipe ENERFRI Spray : Impact sur un échangeur à air 7/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

8 Travaux de l équipe ENERFRI Spray : Impact sur un échangeur à air - Contexte de l étude - Moyens mis en œuvre - Résultats 8/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

9 Contexte de l étude Goals Significant reduction in the amount of energy compared to traditional systems. Operating conditions during high ambient temperatures. No risk of bacterial growth : Legionella type for example. Optimize water consumption in this type of installation. 9/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

10 Contexte de l étude Some principles water film heat transfer water T air Injector T air Condenser : T c droplets of water 1 Air transfers heat to promote the evaporation of water droplets: T air < T air 2 Droplets impact on condenser Possibility of lower T c therefore increased COP 10/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

11 Contexte de l étude Moist air and chiller Initial conditions : 30 C & 15%HR After spraying : 15 C & 100%HR Amount of water injected to saturate the airà (100%HR) 10 C 20 C 30 C Performance of the chiller 11/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

12 Travaux de l équipe ENERFRI Spray : Impact sur un échangeur à air - Contexte de l étude - Moyens mis en œuvre - Résultats 12/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

13 Moyens mis en œuvre Theory and numerical tools J.Tissot PhD 2011 (Lemta/Irstea) Two-phase flow [Collin, 2006] Lagrangienne Lagrangian approach : : Spray Eulérienne Eulerian simulation Simulation : : moist Fluid air - Position - Speed - Size - Temperature Droplets in air : - Temperature - Humidity - Speed Air properties : 13/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

14 Moyens mis en œuvre Theory and numerical tools J.Tissot PhD 2011 (Lemta/Irstea) Heat transfer Air Fluide réfrigérant dq T fr T p T air R R int cond R ext dq cp dq Lv Goutte dq 1 = fr air Lv R + R + R + int cond ( T T ) + ( dq dq ) R ) 14/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet ext cp ext

15 Moyens mis en œuvre Laboratory pilot Gaine d aspiration Ventilateur Spray Exchanger Vulcatherm Veine Balance Nids d abeille Réservoir d eau Contrôle de la température et du débit d air Pompe HP ( bars) 15/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

16 Moyens mis en œuvre Metrology developed Particle size Spray angle D (µm) Temperature & humidity Thermometers 21,2 C 27%HR hygrometers 19,2 C 42%HR 16 C 70%HR 14,5 C 14,5 C 15,5 C 80%HR 80%HR 65%HR 18,3 C 36%HR 21, 3 C 22,7%HR 16/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

17 Travaux de l équipe ENERFRI Spray : Impact sur un échangeur à air - Contexte de l étude - Moyens mis en œuvre - Résultats 17/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

18 Résultats Numerical results Trajectory with the air flow (50 µm) V air = 1 m.s -1 T air = 298 K HR = 30% Air m Spray Q spray = 1,5 l.h -1 V spray = 10 m.s -1 T spray = 298 K Φ = 72 Humidity Temperature 18/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

19 Résultats Numerical results Trajectory against the air flow (50 µm) Spray V air = 1 m.s -1 T air = 298 K HR = 30% Air Q spray = 1,5 l.h -1 V spray = 10 m.s -1 T spray = 298 K Φ = 72 Humidity Temperature 19/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

20 Résultats Comparison between expérimental résults and numerical simulation T air = 298,2 K HR : 30 % m Q spray : 1,4 l.h -1 m Q air : 0,1 m 3.s -1 Distance [cm] Experimental Mean température [K] Numérical , ,1 294, ,9 294, ,8 294,6 Low temperature variation with distance Experimental Numerical At 5 cm of the injection point 20/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

21 Résultats Comparison between expérimental résults and numerical simulation Without pulverisation With pulverisation 21/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

22 Résultats Experimental results Puissance échangée ier Cas : (25 C, 45%Hr) ème Cas : (35 C, 25%Hr) 0,5 1,0 1,5 2,1 2,6 3, ,5 1,0 1,5 2,0 Droplets impzct Cooling air Exchanged power without spraying 22/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

23 Résultats Effect of the spray on the chiller cycle (SprayPAC project CIAT ADEME) Increased cooling output Decreased power consumption 23/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

24 Résultats Effect of spray on the chiller % Evaporation Up to 86 % (T air = 293 à 308 K et HR = 47 à 20 %) Power consumption 10 à 25 % Cooling production 6 à 8 % gain = P sans brum P P sans brum avec brum Coefficient of performance COP 13,5 à 29 % COP with spraying system 9 à 23 % COP = P utile P consommée 24/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet

25 Conclusion & perspectives Conclusion Spraying against the current more effective : Uniformity of temperature distributions upstream of the heat exchanger. Identifying the part due to the impact of water droplets on the heat exchanger on the intensification Implementation of a suitable metrology Improvement of the coefficient of performance uo to 23% in our case of study Perspectives Optimization of the system : development of experiemental and numerical tools Droplets flow through a heat exchanger Cost of the dispersion phase production 25/26 SFT «Sprays et gouttes» Oct F. Trinquet