Etude expérimentale et numérique d'un échangeur destiné à la récupération de chaleur fatale sur les bancs d'essais de moteurs aéronautiques

Abstract

Les bancs d'essais pour moteurs aéronautiques sont de gros consommateurs de carburant. Cette consommation peut se chiffrer jusqu'à plusieurs milliers de litres à l'heure, voire des dizaines de milliers, quand de gros moteurs sont testés. Il n'est évidement pas envisageable de limiter ou d'éviter de tels essais puisqu'il y va directement des conditions de sécurité du transport aérien d'une façon générale. Par contre, de pistes de développement concrètes sont envisagées en vue de récupérer une partie de l'énergie rejetée par les moteurs en cours d'essais. Compte tenu des quantités de carburant consommées, même si une petite partie de l'énergie est récupérée, les conséquences peuvent être significatives pour les sites d'essais : limitation des consommations énergétiques du site (chaleur et électricité) qui génère directement un gain financier, limitation de l'impact environnemental du site (bilan carbone plus favorable), etc. A ce jour, aucun banc d'essais dans le monde n'est équipé de systèmes spécifiquement étudiés dans le but de récupérer, recycler et valoriser une partie de l'énergie produite par le moteur. Cette démarche est entièrement novatrice et commence à poindre au sein de cette niche de l'industrie aéronautique.

Dans ce contexte, un prototype de modèle réduit d'échangeur récupératif sur gaz de combustion de chaleur (gaz/eau ou gaz/huile) a été conçu, fabriqué et testé. Le présent article se propose de présenter les résultats expérimentaux et les modèles de simulation associés sous différentes conditions de fonctionnement.

L'article est divisé en plusieurs sections. Dans un premier temps, les caractéristiques géométriques et constructives de l'échangeur récupératif seront présentées. Deuxièmement, le banc d'essais et les résultats expérimentaux des différents testes réalisés seront introduits. Afin de tester l'échanger sous différentes conditions opératoires, l'échangeur a été installé dans une veine d'air instrumentée et couplée à un générateur d'air chaud d'une capacité de 450 kW. Les performances thermiques et hydrauliques (côté gaz chauds et côté eau) de l'échangeur seront déterminées pour différents régimes opératoires. Un des objectifs de la campagne d'essais est notamment d'analyser le comportement de l'échangeur sous deux régimes d'écoulement: monophasique et diphasique. L'idée est donc de caractériser l'élément récupératif, si ce dernier est utilisé à deux types de finalités : \begin{itemize} \item[-] uniquement récupération de chaleur (valorisation de la chaleur pour le chauffage du site d'exploitation, par exemple); \item[-] production électrique au moyen de cycle de Rankine organique (ORC) comme mode de récupérateur de chaleur. Dans ce cas, l'élément récupératif sera utilisé comme évaporateur au sein du cycle. \end{itemize} Des essais en régime établi et transitoire seront notamment effectués.

Dans un troisième temps, un modèle de simulation de type semi-empirique sera présenté. Ce dernier a pour but de pouvoir prédire le comportement de l'échangeur pour le régime monophasique et diphasique en régime établi. La méthode de calibration des paramètres au moyen des données expérimentales sera notamment présentées dans cette section.

Enfin les résultats numériques provenant d'un modèle de simulation capable de reproduire le comportement de l'échangeur en régime transitoire seront présentés et confrontés aux résultats des mesures expérimentales. La prédiction du comportement de l'échangeur récupératif en régime transitoire revêt une importance capitale notamment pour l'optimistaton de cycle de Rankine dynamique où les changements de conditions opératoires sont fréquents. Ainsi, ce type de modèle dit dynamique pourra être utilisé dans la modélisation de cycle de Rankine organique sur gaz d'échappements dans le domaine automobile.