Investigation of Interfacial Phenomena During Condensation of Humid Air on a Horizontal Substrate

Investigation de phénomènes interfaciaux au cours de la condensation d’air humide sur un substrat horizontal

¹ Clermont Université, Université Blaise Pascal, Institut Pascal – axe GePEB (UMR 6602), BP10488, 63000 Clermont Ferrand – France
² Institut National de la recherche Agronomie (INRA), UR Qualité des Produits Animaux, 63122 Saint-Genès-Champanelle – France
e-mail: akhilesh.tiwari77@gmail.com – j-pierre.fontaine@univ-bpclermont.fr – alain.kondjoyan@clermont.inra.fr – j-bernard.gros@univ-bpclermont.fr – christophe.vial@univ-bpclermont.fr – c-gilles.dussap@univ-bpclermont.fr

^* Corresponding author

Abstract

The condensation phenomenon of humid air on solid substrates can occur in many applications, and it is known as one of the most difficult problem to deal with for the improvement of the quality of air in a closed environment. The present study was motivated by the investigation of the coupling between ventilation and condensation inside controlled ecological life support systems (CELSS), as it has an important role for higher plants growth in greenhouses and living conditions in manned spacecraft cabins, particularly in long duration space flights or in future space bases. It is well known that the enhancement of the gas exchange with leaves and the growth of plants are dependent on the organoleptic and/or the surrounding thermo-physical factors. Insufficient air movement around plants and condensation on plant leaves generally limit their growth by suppressing the gas diffusion in the leaf boundary-layer thereby decreasing photosynthetic and transpiration rates. Thus, the optimization of a CELSS will require the control of the airflow and concomitant gas/liquid transfer at the plant surfaces. The experimental and theoretical modeling of CELSS requires a comprehensive understanding of the micro to the macro levels of liquid gas phase transfer. Hence, an experimental set-up was developed at 1-g to evaluate the mass transfer coefficients due to condensation of humid air on specific geometries in well controlled environmental conditions. The goal was to establish correlations between the fluxes of mass and heat, the relative humidity and the mean flow for the development of theoretical models based on local transfer coefficients. The experiments were performed at ambient temperature, with a relative humidity between 35-70% and for a velocity range of 1.0-3.0 m.s⁻¹.

Résumé

La condensation d’air humide sur des substrats solides peut se produire dans beaucoup d’applications et ce phénomène est reconnu comme un des problèmes les plus difficiles à traiter pour l’amélioration de la qualité de l’air dans un espace clos. L’étude présentée a été motivée par l’étude du couplage entre la ventilation et la condensation à l’intérieur d’écosystèmes clos artificiels (CELSS, Controled Ecological Life Support Systems), puisque ce couplage joue un rôle important sur la croissance de plantes supérieures dans des serres et sur les conditions de vie dans des cabines spatiales habitées, particulièrement pour les vols de longue durée ou les futures bases spatiales. Il est bien connu que l’augmentation des échanges gazeux au niveau des feuilles et la croissance des plantes dépendent des conditions organoleptiques et/ou des facteurs thermo-physiques environnants. Une convection insuffisante autour des plantes et de la condensation sur les feuilles limitent la croissance en supprimant la diffusion de gaz dans la couche limite de la feuille diminuant ainsi les taux de photosynthèse et de transpiration. Ainsi, l’optimisation d’un CELSS nécessitera le contrôle du flux d’air et du transfert gaz/liquide concomitant aux interfaces des plantes. Les modèles expérimentaux et théoriques de CELSS exigent une compréhension complète des transferts gaz/liquide de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique. Un dispositif expérimental a été développé en gravité terrestre pour évaluer les coefficients de transfert de matière pour la condensation d’air humide sur des géométries spécifiques dans des conditions environnementales contrôlées précisément. Le but était d’établir des corrélations entre les flux de matière et de chaleur, l’humidité relative et l’écoulement moyen pour le développement de modèles théoriques basés sur des coefficients de transfert locaux. Les expériences ont été exécutées à température ambiante, avec une humidité relative comprise entre 35 et 70 % et pour une gamme de vitesse de 1,0 à 3,0 m.s⁻¹.