Développement d’outils servant à la conception de celliers et de caves pour la garde du vin

La Vieille Garde est une entreprise fondée en 2004 et située à Saint-Honoré au Saguenay (LVG, 2018). Elle œuvre principalement dans la conception et la fabrication de celliers, caves à vin et de composantes diverses servant à la réfrigération. Leurs produits appartiennent soit à une gamme standard ou sont conçus sur mesure suite à la demande d’un client, que ce soit un particulier ou une entreprise. L’objectif de l’entreprise est de créer un produit qui plait visuellement au client et assure une garde optimale du vin.

La conception des celliers et des caves à vin dépend de plusieurs facteurs comme les dimensions disponibles, la température de refroidissement, les conditions environnantes extérieures, les matériaux utilisés pour la construction, la quantité de bouteilles de vin à refroidir, le temps de refroidissement, le type de porte, l’effet thermique dû à l’ouverture de la porte, la présence de ventilateurs dans l’enceinte thermique, le niveau d’exposition au soleil, etc. Ces différents facteurs ont une influence directe sur la conception du cellier ou de la cave afin d’assurer le maintient des conditions de garde du vin.

Afin d’assurer une température adéquate, La Vieille Garde utilise des systèmes de refroidissement constitués d’un compresseur, d’un condenseur, d’une valve d’expansion et d’un évaporateur. La composante servant à la régulation de la  température interne par absorption de l’énergie thermique est l’évaporateur. Il est un assemblage composé de plusieurs séries de tubes passant à travers des ailettes mises en parallèles les unes par rapport aux autres. En effet, l’air à refroidir circule autour de la surface externe de l’évaporateur le long des ailettes et des tubes.

L’énergie est absorbée avec l’aide des différents mécanismes de transfert de chaleur et est transmise au fluide réfrigérant, circulant à l’intérieur des tubes du système de refroidissement, par l’entremise d’une paroi métallique. La vitesse avec laquelle l’évaporateur va refroidir l’enceinte thermique varie en fonction des matériaux avec lesquels il a été fabriqué, de la géométrie des ailettes, de la distance entre les ailettes, la qualité des joints tubes-ailettes, de la quantité de tubes et, de leur disposition, de la température de l’air et du réfrigérant, du débit d’air externe et, de réfrigérant interne, des pertes de charges dans les fluides, etc.

Lors de la conception des celliers et des caves à vin, les employés de La Vieille Garde utilisent principalement leur expérience acquise au fil des années pour planifier un système fonctionnel. Par contre, aucun calcul d’ingénierie n’est fait afin de prédire le besoin énergétique nécessaire au maintient de la température idéale du vin. De plus, aucun test de performance n’est réalisé avant la livraison du produit final pour s’assurer que la capacité de refroidissement est suffisante. De cette façon, sans connaitre les paramètres de refroidissement précis de leurs systèmes, ils sont limités quant à la possibilité de développer de nouveaux concepts novateurs, plus adaptés ou plus performants.

L’objectif principal de ce projet était de produire des outils d’ingénierie permettant d’identifier les forces et les faiblesses des produits de La Vieille Garde. Pour ce faire, avec l’aide du logiciel Microsoft Excel (Microsoft, 2018), un module de calcul a été développé afin d’estimer la quantité de refroidissement nécessaire pour atteindre les conditions de garde optimales voulues à partir des caractéristiques de l’enceinte thermique. Un autre module a été produit afin d’évaluer la puissance de refroidissement maximale qu’un évaporateur peut absorber en fonction des conditions d’écoulement des fluides, de l’espace disponible et de sa géométrie. Par la suite, un module fait le lien entre la puissance de refroidissement nécessaire et différents paramètres de conception afin d’estimer les dimensions de l’évaporateur le moins couteux possible répondant aux contraintes de refroidissement du projet.

Les valeurs obtenues avec l’aide des calculateurs ont été comparées avec des projets réalisés antérieurement, par La Vielle Garde, et analysées afin de proposer des pistes d’amélioration possibles pour leurs systèmes.

Les calculs nécessaires à la caractérisation thermique des celliers et des caves à vin comprennent plusieurs composantes essentielles comme :
— les principaux mécanismes de transfert de chaleur, que sont la conduction, la convection et la radiation;
— l’effet des ailettes sur la surface extérieure des tubes de l’évaporateur et l’évaporation du réfrigérant à l’intérieur de ces tubes;
— le refroidissement de corps chauds, comme les bouteilles de vin qui entrent à température ambiante et la rotation de l’air qui se produit lors de l’ouverture d’une des portes du cellier ou de la cave à vin;
— les autres sources de chaleurs plus difficilement prévisibles comme, l’ensoleillement, l’effet du condenseur ou du compresseur, l’éclairage, etc.;
— les notions de base d’un cycle de refroidissement, les principes de fonctionnement des échangeurs de chaleur de type air-liquide et certains modèles d’échangeur sont aussi présentés;
— les grandes lignes de quelques articles présentant des modèles d’optimisation thermique ou économique sont brièvement expliqués.

La conduction, la convection et la radiation s’appliquent autant aux enceintes thermiques qu’aux différentes géométries des évaporateurs. Leurs géométries sont composées généralement d’une combinaison de surfaces planes et cylindriques. Les principes de base des calculs sont essentiellement les mêmes, il faut seulement faire varier les points de références et les systèmes de coordonnées.

Le premier mécanisme de transfert de chaleur à l’étude est la conduction. Celle-ci se produit principalement dans les corps solides et est causée par un gradient interne de température. Les atomes chauds, ayant une énergie thermique plus élevée, transmettent une partie de cette énergie à ceux plus froids dans le but d’amener les corps à un état d’équilibre thermique stable. La conduction dépend de la nature du corps (matériaux, conductivité thermique, homogénéité, continuité, etc.) et de la géométrie (dimensions, surfaces planes, cylindriques ou sphériques, etc.) .