Fiche de lecture du projet de fin d étude

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1 GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE Fiche de lecture du projet de fin d étude Analyse du phénomène de condensation sur l aluminium Par Marine SIRE Tuteurs : J.C. SICK Manager du Kawneer Innovation Center & ingenieur CAE Innovation Center B. LATOUR Professeur à l Institut National des Sciences Appliquées Aout 2014 Tuteur : Benjamin Latour Aout

2 Introduction Ce projet de fin d étude a été proposé par un centre de recherche et de développement spécialisé dans les menuiseries aluminium : le Kawneer Innovation Center (KIC). Le KIC fait partie de l entreprise Alcoa, leader américain de l aluminium, dont l un des objectif est la montée en connaissances et en compétences dans les domaines liés à la mécanique des fluides et à la thermique. Mon projet s intitulait à l origine «Analyse des phénomènes physiques liés à la mécanique des fluides dans le domaine du bâtiment et de la menuiserie aluminium.», mais le sujet étant très vaste, il a été modifié pour devenir «Analyse du phénomène de condensation sur l aluminium». En effet, la condensation est un phénomène physique lié à la mécanique des fluide et à la thermique dont la définition est complexe de par les différents paramètres l influençant. Il ne constitue pas une étude complète du phénomène mais une première approche d un phénomène physique dont la connaissance n est pas acquise. Il s agit d une étude ayant nécessité la mise en place d une démarche scientifique pluri-technique pour répondre à un problème, mais dont le développement est limité, principalement par la durée du stage. L étude se décompose en trois parties. La partie bibliographie, essentiellement faite lors de mon projet de recherche technologique, et constituant une première approche de compréhension du phénomène et de sa complexité grâce à la réalisation d une étude paramétrique sur la base des modèles analytiques. La partie expérimentale m a permis d observer le phénomène réel mais aussi de développer mes compétences dans la mise au point d un banc d essais. Enfin, une dernière partie, axée sur la numérique a consisté à créer un modèle 3D de Computational Fluid Dynamics(CFD) sur le logiciel Star CCM+, d une plaque froide soumise à un phénomène de condensation, le but étant d obtenir des résultats comparable à la bibliographie et à l expérimental. Partie bibliographique En s intéressant aux écrits des auteurs ayant travaillé sur le sujet de la condensation, il apparait assez vite que le problème n est pas aisé car chaque auteur en a fait sa propre étude avec ses formules associées. C est cette incapacité à trouver une solution unique qui indique l influence importante de paramètres qui ne sont à priori pas pris en compte. Parmi les différents auteurs, deux en particulier ont travaillé sur la condensation sur une plaque plane placée verticalement. Nusselt, un des premier à s être intéressé au transfert par convection, pose les hypothèses que la plaque à une température uniforme, que la vapeur et pure, que l écoulement du film par gravité est laminaire, et que l intégralité de la chaleur produite par la condensation se transfert aux parois. Il en défini la formule de masse condensée suivante : = 0,943. /...Lv..S. Tsat Tp. Lv Puis Rohsenow la modifie légèrement en voulant prendre l échange convectif en compte par l introduction d une chaleur latente équivalent : & ' = & ,. & Seules les hypothèses de ses auteurs nous permettent une comparaison avec le modèle numérique et le banc d essais. Tuteur : Benjamin Latour Aout

3 Partie expérimental La mise en place du banc d essai Le principe du banc d essai est le refroidissement d une plaque plane d aluminium afin de créer un phénomène de surface froide et ainsi faire apparaitre la condensation. Le refroidissement est assuré par l alimentation de modules Peltier. La chaleur produite pas ces modules Peltier est évacuée par un dissipateur thermique et des ventilateurs. L ensemble de ces éléments sont placés sur une balance pour relevé la masse d eau condensée, et des thermocouples permettent de relever la température de la plaque (considérée comme égale de chacun de ses cotés). Enfin, on place le tout en enceinte climatique afin de faire varier les paramètres d ambiance et de voir la répercutions sur la formation de condensation. Le banc d essai mis en place est le suivant : Plaque d aluminium Webcam Modules Peltier Les essais Les premiers essais ont pour but d observer le phénomène à l œil nu, et on remarque une différence de condensation en fonction du traitement de surface de l aluminium. Sur l aluminium brut, les gouttes s étalent dans toutes les directions et sur le laqué, elles restent bien rondes : Condensation sur aluminium brut Condensation sur aluminium laqué Lors de la réalisation des essais, à partir de la masse d eau condensée et du temps d essai, un débit de condensation est calculé, et c est ce débit qui est analysé. On compare le débit de condensation en fonction de l état de surface de l aluminium,et on obtient le graphique suivant : Dissipateur et ventilateurs Support rotatif Photo du banc d essai Balance Notons que la plaque plane est inclinable car l inclinaison est un paramètre que l on souhaitait observer, de même que la plaque d aluminium est amovible, pour voir l influence du traitement de surface. Graphique de l influence de l état de surface Tuteur : Benjamin Latour Aout

4 On cherche ensuite à voir l influence de l inclinaison de la plaque, et on observe ceci : Résultats On peut voir ainsi que l inclinaison de la plaque et le traitement de surface ont une influence. La plaque en position verticale aura moins de chance de voir apparaitre de la condensation, et un aluminium laqué possède un débit de condensation plus faible qu un aluminium brut. On voit donc ainsi les limites des études faites par Nusselt et Rohsenow car l état de surface n y est pas représenté.. Graphique de l influence de l inclinaison Partie numérique Le logiciel La partie numérique consiste en une approche du phénomène par analyse de la mécanique des fluides. Pour créer ce modèle, le logiciel star CCM+ a été utilisé, car il permet de modéliser la mécanique des fluides, la thermique et les changements de phase. Le logiciel a également été utilisé pour la conception du second banc d essai. Star CCM+ nécessite la création d une géométrie et d un maillage, ainsi que des conditions limites permettant de fixer certaines caractéristiques du fluide. Ainsi, l air est considérée comme étant en convection naturelle et son régime est turbulent, la surface froide est à température uniforme et l air est définit comme un mélange d air et de vapeur d eau dont on définit la fraction massique. Le modèle géométrique est simple car seul l air et la surface froide sont représentés. On note que le maillage est plus fin à proximité de la surface froide. Volume d air humide Suface froide Plan d observation des paramètres calculés Schémas du maillage de la modélisation Tuteur : Benjamin Latour Aout

5 Les résultats Une fois le modèle défini, on fait tourner les calculs pour obtenir les informations qui nous intéressent. Ici, c est la masse d eau condensée sur la surface froide qui est relevée, pour pouvoir la comparer à la bibliographie. En observant l évolution de cette masse d eau en fonction de la variation de l hygrométrie (la température de l air ambiant étant fixée à 30 C et celle de la plaque à 5 C) on obtient le graphique suivant selon la bibliographie et le modèle numérique Star CCM+. Graphique d évolution de la condensation On voit ainsi que malgré un ordre de grandeur similaire des deux approches, l évolution n est pas comparable. Cela est probablement dû au fait que le modèle numérique a été paramétré à l origine pour une hygrométrie de 60%, mais que la variation d un paramètre entraine une nécessité d adapter le maillage et/ou le paramétrage. C est pourquoi on retrouve ce défaut sur toutes les comparaisons d évolutions. Conclusions et perspectives La condensation est un phénomène complexe dont les paramètres d influence sont nombreux. Ce projet de fin d étude montre donc les limites de toutes les approches. La bibliographie ne prend pas en compte tous les paramètres nécessaires à une parfaite compréhension du phénomène. L expérimental ne peut pas être maitrisé aussi facilement que souhaité comme ce fut le cas lors de l apparition de condensation en goutte. Enfin, le numérique dépend de sa paramétrisation, donc il n est pas fiable à cent pourcent, de plus il représente des systèmes «parfaits» et non une réalité. La partie expérimentale pourrait davantage être exploitée en faisant des essais sur d autres matériaux ou avec d autres inclinaisons. La conception d un second banc d essai a également été faite, ce dernier permettant une plus grande maitrise de la température de surface ainsi que des températures plus basses. Dans un second temps, il pourrait être envisagé de travailler d avantage sur le produit qu est la menuiserie aluminium. En effet, la condensation est gênante de par son risque d accumulation, l étude du glissement de l eau pour évacuer le condensat serait donc une suite logique de ce projet. De même que l amélioration des profilés. Tuteur : Benjamin Latour Aout