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Approche générique des modes d'émissions de HFC-134a des systèmes de climatisation automobile
Les paramètres physiques à la base des fuites du fluide frigorigène HFC-134a dans les systèmes de climatisation automobile ne sont pas encore pleinement compris. Le but de ce travail de recherche est d'établir une méthode de mesures des débits de fuite de fluide frigorigène des systèmes de climatisation automobile ainsi que des composants de ces systèmes, et aussi de développer une approche générique de prévision de ces émissions. Dans la thèse, les fuites chroniques des différents composants des systèmes de climatisation automobile sont évaluées et hiérarchisées. Une méthode d'essais de laboratoire, basée sur la mesure de concentration dans un volume d'accumulation, est présentée pour déterminer les débits de fuite de systèmes et de composants. La précision de la mesure est aussi justifiée. Des mesures en régime permanent et pour plusieurs températures contrôlées sont effectuées afin de comparer le débit de fuite de l'ensemble du système et la somme des débits de fuite de tous les composants. Les simulations de la variation de température permettent de prédire les impacts des conditions climatiques annuelles quel que soit le climat. Les essais en régime dynamique sont également traités pour analyser la contribution du temps de fonctionnement du système aux émissions annuelles du système. Afin de vérifier la méthode d'essai en laboratoire, des opérations de récupération du fluide frigorigène ont été effectuées sur une quarantaine de véhicules avec une précision de +0 / -1 g. Sur la base des résultats des essais en laboratoire et de ceux obtenus sur la flotte de véhicules, un facteur de corrélation a été établi pour corréler les tests en laboratoire aux émissions mesurées sur le terrain. Les prévisions des émissions de tuyauteries flexibles utilisées dans les systèmes de climatisation automobile ont été développées en prenant en compte les effets de la température et de la pression. Les joints toriques typiques sont étudiés et deux modes de fuite: la perméation à travers des matériaux polymères et l'écoulement du gaz dans les micro-canaux sont distingués. Les performances d'étanchéité d'un joint torique radial sont étudiées en utilisant la méthode des éléments finis. Le comportement non-linéaire des déformations des polymères est pris en compte. L'analyse des facteurs principaux tels que la contrainte, la pression de contact maximale et le contact est basée sur les résultats de simulations numériques. Les deux modes de fuites permettent de comprendre les phénomènes clés des émissions et donc d'améliorer les performances d'étanchéité. En résumé, le débit de fuite d'un système de climatisation automobile est la somme des débits de fuite de toutes les sources de fuites. Ces sources sont de deux types: la perméabilité du gaz dans les polymères et l'écoulement du gaz dans les micro-canaux existant entre les joints et les parties métalliques des raccords. Pour chaque mode d'émission, une loi de comportement a été développée et les modèles prédictifs permettent de prévoir les débits de fuite avec un nombre limité de mesures.

2008-10-23
Mécanique des fluides et énergétique
Mines ParisTech
Fluide frigorigène – Fluide HFC – Climatisation – Automobile – Fuite fluide – Perméation – Écoulement gaz – Méthode élément fini – Polymère
Generic approach of refrigerant HFC-134a emission modes from mobile air conditioning (MAC) systems
According to the EU regulation 706/2007, a Mobile Air Conditioning (MAC) system using HFC-134a must guarantee its initial leak tightness and the leak flow rate of the MAC system must be tested based on a qualified method. The leakage behavior of MAC systems using HFC-134a is still not fully understood. This research work aims at establishing a test method of leak flow rate measurement for MAC systems and components, and furthermore to give a generic approach of refrigerant emissions in MAC systems. In this thesis, main types of emissions from the MAC system during the life cycle of the vehicle are classified. Regular leakages due to different MAC components are evaluated by explaining their design and sealing principles. A laboratory test method, based on measurement of concentration in an accumulation volume, is introduced for determining the leak flow rate of MAC systems and components. Measurement accuracy is justified. Measurements in standstill mode and at several controlled temperatures are performed to compare the overall system leak flow rate and the sum of leak flow rates of all components. Simulation of temperature variation allows predicting the annual climate condition impacts for any climates. Running mode tests are also discussed to study the contribution of the system running time to the annual MAC system emissions. Based on results of laboratory and fleet tests, a correlation factor is established for MAC systems between real life emissions and laboratory tests. Permeation process of refrigerant through MAC hoses is studied. Both temperature and pressure influences on permeability are analyzed based on experimental data in order to establish the relationship between permeability, temperature, and pressure. Prediction models have been developed to estimate the leak flow rate of hoses taking into consideration the T-P double effects. Typical O-ring seals are discussed and two leakage modes: permeation through sealing materials and gas flow through micro channels are distinguished. Sealing performance of a radial O-ring is studied in detail. With the help of Finite Elements Method, non-linear stress-strain behavior of polymers is taken into account. Main factors such as stress, maximum contact pressure, and contact width are analyzed based on numerical simulation results. Establishing the leakage behavior combining two leakage modes: permeation and leak through micro channels allows understanding the key points of emission dependence and improving the sealing performances. In short, the leak flow rates of a MAC system is the sum of leak flow rates of all leak sources. Those sources are of two types: permeation through polymers and flows through micro channels existing between seals and metallic parts of any fittings or seals. For each emission mode, behavior laws have been established and prediction models validated allowing forecasting emission rates with a limiter number of measurements.
Refrigerant fluid – Hydrofluocarbon fluid – Space cooling – Motor car – Leakage (fluid) – Gas flow – Finite element method – Polymers – Permeation
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