Modélisation pseudo 3D d'un échangeur de chaleur à microcanaux

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Les objectifs de cette thèse pour la maîtrise du givrage des pompes à chaleur de voiture électrique

Cette thèse se concentre sur la solution de pompe à chaleur pour le chauffage des voitures électriques et en particulier, sur la problématique de givrage de l’évaporateur de la pompe à chaleur. L’enjeu est de développer des outils et des prototypes d’évapo-condenseur efficaces en conditions de givrage afin d’améliorer l’autonomie des voitures électriques en hiver.
Avant d’aborder le cœur de la problématique du givrage des pompes à chaleur, il est utile d’évaluer les gains potentiels apportés par l’utilisation d’une pompe à chaleur. Peu d’études présentent l’impact du chauffage par pompe à chaleur sur l’autonomie du véhicule. Ce genre d’étude est d’autant plus délicat que les usages et conditions particulières d’utilisation influencent fortement les besoins thermiques du véhicule et l’impact du système de chauffage. Ainsi, l’objectif préliminaire est de quantifier les besoins thermiques puis d’estimer l’impact, en conditions réelles, sans prendre en compte le givrage, de l’utilisation d’une PAC pour le chauffage de l’habitacle en comparaison à la solution de référence par résistances électriques.
Une fois l’intérêt des PAC pour VE validé, interrogeons-nous sur le cœur de la problématique: le givrage de l’évaporateur. Afin de développer un échangeur efficace, un modèle d’échangeur en conditions de givrage est indispensable. Il nécessite une brique élémentaire décrivant la croissance du givre. Une analyse fine de la littérature révèle l’utilisation de multiples modèles basés sur des hypothèses variées et aboutissant à des résultats parfois très différents. Un des objectifs scientifiques de ce travail est donc d’étudier les impacts des différentes hypothèses des modèles de croissance de givre et de déterminer lesquelles sont à utiliser afin de développer un modèle de croissance de givre pertinent et efficace pour notre besoin.
Cette brique élémentaire est utilisée dans un modèle d’échangeur de chaleur à microcanaux typique des condenseurs d’automobile. Comme évoqué précédemment, très peu de travaux sur ce type d’échangeurs en conditions de givrage existent dans la littérature. De plus, tout comme pour les échangeurs de type tubes-ailettes, les modèles de la littérature ont des difficultés à prédire les pertes de charge côté air. Ceci est un réel verrou scientifique puisque, in fine, les performances de la pompe à chaleur sont dégradées particulièrement par la chute du débit d’air due à l’augmentation des pertes de charge. Cette étude a donc pour but de développer un modèle d’échangeur avec son ventilateur en condition de givrage permettant de prédire les performances, et notamment, le phénomène clé de la chute du débit d’air.
Le modèle développé doit faciliter la conception d’échangeurs innovants. Actuellement, comme décrit ci-dessus la technologie de base utilise des ailettes à persiennes particulièrement sensibles au givrage. Aussi, quelles géométries en rupture permettraient d’améliorer la tenue au givrage ? Cette thèse doit donc permettre de développer et valider de nouveaux concepts d’échangeurs adaptés au givrage.
Après ce travail de fond sur le givrage, il est intéressant de remonter au niveau du véhicule et boucler avec l’analyse préliminaire d’impact des PAC sur l’autonomie. Les derniers objectifs de ce document sont d’évaluer l’impact du givrage sur l’autonomie du véhicule électrique puis d’évaluer les gains sur l’autonomie apportés par les prototypes d’échangeur de chaleur développés.

Une approche multiéchelle alliant travail expérimental et modélisation

Comme les objectifs scientifiques le suggèrent, la problématique générale a été traitée par une approche multiéchelle: niveau véhicule électrique, pompe à chaleur, échangeur de chaleur et niveau plaque plane. Ensuite, la méthodologie globale suivie est une approche pragmatique d’allers-retours entre des parties expérimentales et des parties de modélisation. Elle permet de développer la compréhension des phénomènes physiques et d’élaborer des outils de simulation performants pour générer des avancées scientifiques et au final innover.
Dans le premier chapitre, un modèle thermique de l’habitacle est développé et est intégré dans un modèle complet du véhicule électrique. Ces modèles permettent d’étudier et d’analyser les besoins thermiques ainsi que les différentes approches de chauffage. En particulier, les impacts sur l’autonomie d’un chauffage par résistances électriques et d’un chauffage par pompe à chaleur sont évalués et comparés.
Le chapitre 2 s’intéresse au cœur du phénomène du givrage. Des modèles de croissance de givre sur plaque plane sont développés. Plusieurs hypothèses sont étudiées par implémentation dans les modèles. Les résultats de ces derniers sont alors comparés entre eux et aux données expérimentales. L’analyse fait le point sur les différentes hypothèses de modélisation de la croissance de givre et détermine celles à employer pour notre étude.
Le chapitre 3 traite du développement du modèle au niveau de l’échangeur de chaleur et intègre le modèle de croissance de givre établi dans le chapitre précédent. Une approche quasi-statique et pseudo 3D est utilisée. De plus, une méthode originale pour la prédiction des pertes de charge côté air est mise en avant. L’expérimental permet ici de développer la corrélation nécessaire à cette approche puis de valider le modèle d’échangeur de chaleur de type MCHX.
Une fois développé, le modèle est utilisé dans le chapitre 4 pour concevoir des échangeurs innovants. Plusieurs approches originales sont étudiées numériquement dans un premier temps. En raison du caractère en rupture par rapport aux échangeurs classiques, des briques de modélisation sont ajoutées au modèle de base. Après analyse des résultats fournis par les modèles, deux approches sont retenues et deux prototypes sont conçus puis fabriqués. Des essais expérimentaux sont menés alors afin de valider les concepts établis.
Enfin, sur la base des résultats des chapitres précédents sur le givrage d’échangeurs, un modèle de pompe à chaleur en conditions de givrage est développé. Celui-ci est intégré au modèle de véhicule complet développé dans le premier chapitre. Ce modèle final permet de simuler une voiture électrique sur un trajet donné en prenant en compte le givrage de la pompe à chaleur. Le modèle est utilisé pour estimer la dégradation d’autonomie due au givrage ainsi que les gains apportés par les prototypes d’échangeurs de chaleur innovants proposés dans le chapitre précédent.

Le cadre de la thèse

La présente thèse a été réalisée en partie dans le cadre du projet Elec-HP financé par l’ANR via le programme « Transports Terrestres Durables » (projet ANR-11-VPTT-005). Ce projet porte sur le développement des pompes à chaleur pour les véhicules électrifiés. Les véhicules considérés sont ici les trains, les voitures hybrides ainsi que les voitures électriques. Ce projet regroupe les industriels ALSTOM Transport, VALEO Systèmes thermiques et EREIE, ainsi que des laboratoires du monde académique représentés par le Laboratoire d’Études Thermiques (LET) de l’ENSMA (CNRS) et le Centre Efficacité énergétique des Systèmes (CES) pour MINES ParisTech.
Dans le cadre de ce projet ANR, le CES et VALEO ont eu pour mission de se concentrer sur les voitures électriques. VALEO a apporté son expertise du monde automobile, notamment en indiquant les spécifications du système. Le CES a été en charge de développer des prototypes d’échangeur. Enfin VALEO a eu pour responsabilité de tester le ou les prototypes sur véhicule.
Le présent travail a donc été mené avec un soutien financier de l’ANR et un soutien technique de VALEO.

Table des matières

Remerciement
Résumé / Abstract
Summary
Table des matières
Nomenclature
Introduction générale : Le givrage des pompes à chaleur de voiture électrique
1 Les voitures électriques en plein essor
2 Les pompes à chaleur pour le chauffage des habitacles de voiture électrique
3 Le givrage des pompes à chaleur: un frein à l’efficacité
4 Les objectifs de cette thèse pour la maîtrise du givrage des pompes à chaleur de voiture électrique
5 Une approche multiéchelle alliant expérimental et modélisation
6 Le cadre de la thèse
Bibliographie
Chapitre 1 : Besoins en chauffage d’un VE et gains apportés par une PAC
1 Introduction
2 Modélisation thermique de la cabine
3 Calcul des besoins
4 Modélisation complète d’un véhicule électrique
5 Impacts du chauffage sur l’autonomie du véhicule
6 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 : Modélisation de la croissance de givre sur plaque plane
1 Introduction
2 La base des modèles mathématiques
3 Les différentes hypothèses de modélisation
4 Comparaison entre les différents modèles et les résultats expérimentaux
5 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 : Modélisation pseudo 3D d’un échangeur de chaleur à microcanaux
condition de givrage
1 Introduction
2 Le modèle mathématique
3 Le dispositif expérimental
4 Résultats
5 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 4 : Conception innovante de MCHX
1 Introduction
2 Étude de conception innovante
3 Description des prototypes et du banc d’essai
4 Résultats sur banc d’essai
5 Test du prototype sur véhicule
6 Conclusion
Bibliographie
Chapitre 5 : Evaluation de l’impact du givre sur l’autonomie d’un véhicule électrique
1 Introduction
2 Modélisation simplifiée d’un échangeur de chaleur
3 Modélisation de la pompe à chaleur et intégration au véhicule complet
4 Évaluation de l’impact du givrage
5 Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
Annexes
Annexe 1 : L’environnement de modélisation et simulation: Dymola
Annexe 2 : Solutions de pré-conditionnement et de stockage thermique embarqué
Annexe 3 : Liste des publications associées à la présente thèse
Annexe 4 : Rapports de soutenance et du mémoire