Refroidissement de la Pile A Combustibles d'un véhicule à l'aide d'un Venturi

[invite122a3db2]

Bonjour,

Etudiant en école d'ingénieur, je désire étudier la faisabilité d'un nouveau système de refroidissement pour la PAC qui fournit l'énergie à notre prototype pour participer au Shell Eco-Marathon. Le dispositif de refroidissement actuel est basé sur l'utilisation d'un ventilateur.

But de la recherche : supprimer le ventilateur et donc espérer réduire la consommation des auxiliaires

Solution envisagée : l'utilisation d'un tube de Venturi (intégré si possible à la structure porteuse du vehicule) en se servant de la dépression produite au niveau du col pour "aspirer" l'air dans la pile.

Avant de me lancer dans la modélisation à proprement parler (dimensionnenement du venturi, dessin sous Catia et étude sous Fluent etc...) et de la faisabilité du projet j'aimerais me pencher un peu sur la théorie.

Voici un schema du "probleme" (qui n'en est pas vraiment un)

[IMG=http://img33.imageshack.us/img33/7750/projetventuri.th.jpg][/IMG]


Les données sont les suivantes :

- le ventilateur a pour vitesse débitante : 5 L/sec => cette vitesse est suffisante pour refroidir la température de la pile de 50°C (en entrée) à 30°C (en sortie)

- on considéère que l'écoulement Dans la pile a pour nombre de Reynolds Re = 300 , et le coefficient d'échange est de 50 W/m2.°C

Ma question est donc : comment réussir à calculer/estimer, à partir des données du problème (dimensions du Venturi, caractéristiques de l'écoulement..), la vitesse d'aspiration Va qui se produira au niveau de la pile ?

S'il suffisait de reproduire une vitesse débitante de 5L/sec en entrée de la pile, en considérant les caracteristiques de l'écoulement dans la pile (Re, coefficient d'échange, pertes de charges) quel serait alors la vitesse d'aspiration "équivalente"?


J'avoue que je suis un peu perdu ! Cela va très certainement mêler les équations de Bernoulli généralisées, peut-être même des équations de thermique, mais je ne voie pas vraiment le lien avec toutes ces données!

Merci beaucoup pour votre aide.
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[invite2313209787891133]

Bonjour

Je n'ai peut être pas tout compris, mais si tu veux débiter 5l/s il me semble que la vitesse n'est pas très dure à connaitre; elle sera fonction de la section de ton tube.

Petite remarque : Je ne voudrais pas te décourager avant d'avoir commencé, mais la prise au vent d'un venturi capable d'aspirer 5l/s avec une pression dynamique aussi faible que ce qui est généré par le déplacement du véhicule générera bien plus de pertes aérodynamiques que ce que consommerai le ventilo.

Seconde remarque : Avant toute chose il faut faire un petit bilan thermique (énergie à dissiper, quantité d'air pour y parvenir), et quand tu dis que tu as un coefficient d'échange de 50W/m².°C c'est à quelle interface ?

[invite122a3db2]

Merci pour votre réponse.

A vrai dire, j'ai proposé l'idée et un de nos encadrants dans la conception du vehicule m'a dit de pousser un peu les calculs pour voir si c'était bel et bien envisageable. Le "risque" étant comme vous dites que la faible vitesse du vehicule (environ 25km/h) et les petites dimensions du venturi (sous la voiture... donc il y a des contraintes de dimensionnement) ne permettent pas d'assurer un refroidissement suffisant de la pile.
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l'impact certain du dispositif sur l'aérodynamisme du véhicule avec un Cx qui va augmenter

Seconde remarque : Avant toute chose il faut faire un petit bilan thermique (énergie à dissiper, quantité d'air pour y parvenir), et quand tu dis que tu as un coefficient d'échange de 50W/m².°C c'est à quelle interface ?

Je connais la quantité de chaleur à dissiper (environ 200watts) et je peux mesurer sur la pile l'espace où circule l'air, entre deux ailettes de refroidissement (le coefficient d'échange de convection est donc entre l'ailette et l'air - il y a 38*2 ailettes!)

[invite2313209787891133]

Bonjour

Un coefficient de 50W/m².°c me semble un peu exagéré, à moins d'avoir un bon forçage d'air (ce qui implique une vitesse d'air importante et donc des grosses pertes de charges). Je ne pense pas que ce soit atteignable avec ce système de venturi.

Est ce que tu pourrais faire un petit schéma ou expliquer comment est constitué ce radiateur; il faut la géométrie de chaque ailette (largeur et longueur) et l'espacement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite122a3db2]

Bien sur, voici un schema de la pile :



L'écart entre les ailettes est de 1,5mm (on arrive mal à lire ceci sur l'image)

Je cite un passage descriptif de la pile (que m'a fourni le laboratoire qui l'a créée) :

"La pile est refroidie par air. Des ailettes latérales situées dans le prolongement des plaques bipolaires permettent d'extraire la chaleur du cœur de pile. Cette technique n'est possible qu'en utilisant un matériau bon conducteur de la chaleur (carbone λ≈100W/mK) et une largeur de surface active assez faible (2L=5cm) de sorte que la
température sur une largeur de surface active soit relativement uniforme.

Avec un Biot de 0.3, la température n'est pas rigoureusement uniforme dans la largeur mais l'hétérogénéité reste maîtrisée. Cela veut dire que le centre de la surface active sera légèrement plus chaud que le bord. En pratique, on mesure en surface une différence de 2 à 3 °C entre le centre de la plaque et le bout de l'ailette.
Lorsque la pile fourni 1 kW d'électricité, elle fourni également environs 1kW de chaleur ce qui représente 28 W par plaque ou 7W par coté d'ailette. Si on fait l'hypothèse que l'air s'échauffe d'une trentaine de degrés entre l'entrée et la sortie il faut produire une vitesse débitante de 5 m/s pour refroidir la pile. L'écoulement entre les ailettes est laminaire (Re=300) et le coefficient d'échange de convection vaut alors 50 W/m2K."

Peut-être ces informations seront vous être utiles !

[invite2313209787891133]

En effet avec cette géométrie je trouve un coefficient qui serait même proche de 60W/m².°C avec une vitesse de 5m/s. La perte de charge équivaut environ à 500 Pa/m.

Il faudrait toutefois faire un bilan thermique pour voir si c'est cohérent.

[invite122a3db2]

Comment avez-vous trouvé la perte de charge équivalente ? A l'aide des formules "usuelles" ou via des formules "clés-en-main" comme par exemple la formule de Lechapt et Calmoné



Cette après-midi j'essaye d'effectuer un bilan thermique !

Merci encore!

[invite2313209787891133]

Oui, j'ai utilisé une corrélation. Je ne suis pas très à l'aise avec LATEX donc je ne vais pas m'aventurer à essayer de l'écrire, mais si tu veux je peux t'envoyer de la documentation par mail si tu me donnes ton adresse en message privé.

[invite122a3db2]

Volontiers ! Je vous envoie mon adresse par mp