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Développement d'un échangeur de chaleur air-air pour le milieu serricole

Laatil, Fares (2015). Développement d'un échangeur de chaleur air-air pour le milieu serricole. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans le but de réduire le taux d’humidité dans une serre, tout en réduisant le coût du chauffage, les échangeurs de chaleur air-air sont utilisés. Les échangeurs destinés à la serriculture sont volumineux. L’objectif de ce travail qui est de concevoir un échangeur compact et résistant au givrage dans les milieux froids. Une étude bibliographique des différents échangeurs a permis de choisir la géométrie adéquate permettant le maximum d’échange et en réduisant les risques d’encrassement. L’échangeur de type à courant-croisé a été choisi.

Des simulations CFD avec Fluent de l’échangeur avec des dimensions variables ont étés réalisées, afin de déterminer leurs influences sur l’efficacité de l’échangeur. Étant donné que l’air chaud venant de la serre est humide, ce dernier entre en contact dans l’échangeur avec la paroi refroidie par l’air extérieur et une condensation se produit. Cette condensation est accompagnée par un dégagement de chaleur vers le fluide froid, d’où l’amélioration potentielle de l’efficacité de l’échangeur. Pour tenir compte de l’effet de la condensation dans l’équation d’énergie lors des simulations CFD, une fonction définie par l’utilisateur (UDF) a été ajoutée au logiciel Fluent. Cette UDF permet d’ajouter un terme source aux équations de conservation dans les cellules où la condensation se produit.

Les premières simulations CFD ont permis de déterminer l’influence des différentes dimensions de l’échangeur sur son efficacité. En combinant les résultats trouvés et le cahier de charge imposé pour que l’échangeur soit compact et résiste au givrage, les dimensions préliminaires ont été déterminées et un premier échangeur a été simulé numériquement. L’efficacité prédite de ce dernier est de 30%. Des simulations CFD ont permis de déterminer les pertes de pression et l’efficacité de l’échangeur pour différents espacement entre les plaques où l’air froid s’écoule. Selon les pertes de pression trouvées et le ventilateur d’alimentation choisi, les dimensions finales de l’échangeur ont été déterminées. L’efficacité du second échangeur conçu est de 40%, sans prendre en compte la condensation.

Lorsque la condensation est tenue en compte et pour le concept final de l’échangeur, des études sont réalisées sur la contribution de la chaleur latente au processus d’échange de chaleur total et sur la quantité d’eau condensée, en fonction de l’humidité de l’air chaud et de la température de l’air froid. D’après l’étude réalisée, pour une température d’air chaud égale à 293 K avec une humidité relative égale à 80%, et pour une température de l’air froid égale à 261 K, la contribution de la chaleur latente au processus d’échange de chaleur atteint 57 %. L’efficacité de l’échangeur passe de 40% à 64 %.

Titre traduit

Design an air to air heat exchanger for greenhouses

Résumé traduit

In order to reduce the humidity in a greenhouse, while saving the cost of heating, air-to-air heat exchangers are used. The exchangers destined for greenhouse are voluminous. The objective of this work is to design a compact heat exchanger, resistant to icing in cold environments. A literature review of different exchangers allowed to choose the correct geometry for maximum exchange and reducing the risk of fouling. The current cross-type exchanger was selected.

Numerical simulations by Fluent of the heat exchange, while varying the dimensions of the exchanger, were used to determine their influence on its efficiency. The exhaust warm and moist air from the greenhouse comes in contact with the wall cooled by the outside air. Condensation happens. This condensation is accompanied by a release of heat to the cold fluid, thus improving the efficiency of the exchanger. To take account of the effect of condensation in the energy equation in the CFD simulations, a user-defined function (UDF) has been added to Fluent software. This UDF adds a source term conservation equations in cells where condensation occurs.

The first CFD simulations were used to determine the influence of the different dimensions of the exchanger on its efficiency. By combining the results found and the spécifications imposed for the exchanger to be compact and resistant to icing, preliminary dimensions were determined and the exchanger was simulated with Fluent. The efficiency obtained is 30%. Numerical simulations of the exchanger, in which the spacing between the plates where cold air flows was varied, helped to determine its pressure loss and efficiency. According to the pressure loss and the chosen supply fan, the final dimensions of the exchanger have been defined. The efficiency of the new heat exchanger is 40 %, without taking into account the condensation.

From the simulation results when the condensation is account, studies were performed on the contribution of latent heat to the heat exchange process, and the amount of condensed water, depending on the humidity of the hot and the cold air temperature.

According to the study carried out, for a hot air temperature equal to 293 K with a relative humidity of 80% and a temperature of the cold air equal to 261 K, the contribution of latent heat reaches 56 % and the efficiency of the heat exchanger passes from 40 % to 64%.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie, concentration énergies renouvelables et efficacité énergétique". Bibliographie : pages 121-126.
Mots-clés libres: Échangeurs de chaleur Régions froides Conception et construction. Échangeurs de chaleur Modèles mathématiques. Dynamique des fluides numérique. Air Humidité Contrôle. Culture en serre. échangeur air-air, simulation numérique, user defined function (UDF), chaleur latente
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Rousse, Daniel R.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Morency, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 22 déc. 2015 21:35
Dernière modification: 01 févr. 2016 19:54
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1597

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