Etude des transferts de chaleur d'un fluide frigoporteur diphasique à changement de phase liquide-solide

Demasles, Hélène

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Extrait

Introduction

1. CONTEXTEINDUSTRIEL 21

2. LESFLUIDES FRIGOPORTEURS DANS LE DOMAINE DU FROID COMMERCIAL 23

3. PRÉSENTATIONDE L’ÉTUDE 25

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1. Contexteindustriel

L’industrie frigorifique est aujourd’hui touchée de plein fouet par les directives consécutives au protocole de Montréal (1987) et aux accords de Kyoto (1997) sur l’utilisation des fluides frigorigènes. En effet, l’utilisation des CFC est interdite et celle des HCFC est soumise à une réglementation de plus en plus sévère du fait de leur contribution à la diminution de la couche d’ozone. Les frigorigènes du type HFC sont eux aussi incriminés du fait de leur contribution à l’effet de serre et doivent être utilisés avec parcimonie. C’est dans ce contexte général que se développent des recherches de solutions alternatives. Une alternative à ces frigorigènes condamnés est l’utilisation des fluides tel que le butane, l’isobutane, le propane ou encore l’ammoniac. Malgré une efficacité énergétique reconnue, ces fluides ont des limites en terme de sécurité de manipulation. D’autres recherches s’orientent vers le développement de nouveaux fluides possédant une efficacité énergétique intéressante tout en restant neutres vis- à-vis de l’environnement. Dans le domaine du froid commercial, le refroidissement d’une enceinte peut se faire d’une manière soit directe, soit indirecte. Dans le premier cas, le refroidissement s’opère par le biais d’une machine frigorifique dont l’évaporateur (producteur de froid) est directement placé sur les lieux de demande de froid. Un exemple de cette technique est représenté sur la Figure 1. Com resseur

Evaporateur

Condenseur

Figure 1 : Cycle de détente directe classique : circuit rempli de fluide frigorigène primaire de type HCFC, HFC ou autres fluides à changement de phase liquide/vapeur

Il existe une alternative à la détente directe : l’emploi de fluides frigoporteurs intermédiaires. Cette technique permet de confiner l’unité de production de froid dans la salle des machines (diminution de la masse de fluide frigorigène et limitation des risques de pollution), et de transporter la puissance frigorifique cédée au niveau de l’évaporateur aux points demandeurs de froid par l’utilisation de fluides frigoporteurs encore appelés fluides secondaires. Cette quantité d’énergie est véhiculée au moyen de pompes par un fluide dont les aptitudes

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énergétiques sont intéressantes. Le schéma de ce type de technologie est présenté sur la Figure 2.

Vase d’expansion

Boucle de réfrigérant secondaire

Echangeur de chaleur

Circuit de réfrigérant primaire

Figure 2 : Boucle de réfrigération secondaire classique : le réfrigérant primaire est confiné dans les salles des machines, le réfrigérant secondaire alimente les évaporateurs L’adoption de la technique des fluides frigoporteurs présente des avantages : elle simplifie la distribution de froid à de nombreux postes utilisateurs, à partir d’une machine frigorifique unique ; les postes d’utilisation en froid peuvent être éloignés de la machine frigorifique. La sécurité s’en trouve accrue, les nuisances sont moins gênantes, la réglementation est plus facilement respectée. Cette technique élimine tout risque de contact entre le fluide frigorigène et les denrées alimentaires ; elle élargit le choix des fluides frigorigènes y incluant, éventuellement, ceux qui sont toxiques comme l’ammoniac ou combustibles comme les hydrocarbures. Dans le même ordre d’idée, elle simplifie le changement de fluide s’il s’avère nécessaire ; le volume du circuit frigorifique proprement dit diminue. Il en résulte une réduction de la charge en fluide frigorigène ; les circuits frigorifiques du primaire peuvent être réalisés en usine, ce qui améliore leur confinement. De même, pendant la durée de vie de l’équipement, l’étanchéité des conduites de frigorigène n’est à contrôler qu’en salle des machines ; le travail de chantier est simplifié, les recherches de fuite sont réduites ; elle permet d’envisager une accumulation de froid, ce qui est très difficile, sinon impossible, avec un système frigorifique direct ; la gestion du fonctionnement de l’installation est meilleure. Cependant ce type de refroidissement, qui requiert un circuit secondaire à fluide frigoporteur mono ou diphasique, présente aussi des inconvénients :

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 il abaisse la température de vaporisation du fluide frigorigène car il doit y avoir deux écarts de température au lieu d’un : différence de température entre le frigorigène et le frigoporteur, et différence entre le frigoporteur et le milieu à refroidir. L’efficacité thermodynamique s’en trouve donc amoindrie ;  il faut compter un prix d’installation supérieur de 10 à 15 % à cause du circuit du frigoporteur, des réservoirs, des pompes et du frigoporteur lui-même. Afin de limiter ces surcoûts, il est judicieux de sélectionner de manière pertinente les fluides frigoporteurs. Le choix repose sur plusieurs critères parmi lesquels :  adaptation à la température désirée ;  bonnes propriétés thermophysiques qui permettent une capacité volumique de transport élevée ;  coefficients de transfert de chaleur élevés (permettant un faible écart de température entre les fluides) ;  faibles pertes de charge pour limiter la consommation d’énergie des pompes ;  non corrosif, non toxique, ininflammable, sûr à l’emploi ;  coût unitaire raisonnable. Il reste évident qu’aucun fluide ne peut présenter tous ces avantages. De ce fait, dans chaque cas d’application, il sera nécessaire de sélectionner le fluide le mieux adapté et qui présente le moins d’inconvénients.

2. Lesfluides frigoporteurs dans le domaine du froid commercial Comme il est nécessaire, pour plusieurs raisons, de limiter au strict minimum les variations de température d’un frigoporteur monophasique liquide, on est rapidement confronté à la nécessité de recourir à de grands débits de fluide en circulation, ce qui impose des conduites importantes et des pompes de puissance élevée. Pour éviter cela, il faut chercher à augmenter fortement le transport thermique par unité de volume de fluide en circulation, ce qui implique d’avoir recours à d’autres frigoporteurs que les liquides. Pour obtenir cet accroissement du transfert thermique volumique, on peut mettre en œuvre l’enthalpie de transition de phase du fluide (changement d’état physique) ou l’enthalpie de formation ou de dissociation (changement d’état chimique). Avec les fluides frigoporteurs «liquivap »(liquide + vapeur), on utilise essentiellement l’enthalpie de vaporisation pour absorber la chaleur reçue par le frigoporteur. Les fluides

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utilisés, comme le CO 2 , se vaporisent lors de leur utilisation. Les avantages de cette technique sont la constance de la température du frigoporteur et son excellent coefficient d’échange. Par contre, les niveaux de pression atteints dans les circuits (25 bar à –10 °C avec du CO 2 ) nécessitent une conception particulière des circuits. Avec les frigoporteurs «liquisols »,mélange liquide et solide, c’est essentiellement l’enthalpie de fusion qui est utilisée pour absorber la chaleur reçue par le frigoporteur. Ils présentent de nombreux avantages. La température du fluide frigoporteur est quasi constante. La variation de la masse volumique lors du changement de phase est faible. La pression du circuit frigoporteur est indépendante de la température du fluide transporteur de froid. Elle est généralement voisine de la pression atmosphérique, ce qui facilite la maintenance et permet d’utiliser des tubes autres que les métalliques. Les coefficients d’échange entre le liquide et les surfaces des échangeurs sont bons. Les inconvénients sont peu nombreux mais doivent être examinés avec soin. Le contrôle de la phase solide générée par le fluide frigoporteur est assez mal connu, tant sur le plan quantitatif (retard à la solidification) que sur le plan qualitatif (structure des particules ou des cristaux formés). La masse de solide transportée est forcément limitée à cause de la résistance à l’écoulement qu’elle provoque, ce qui réduit la fraction latente de l’enthalpie de transport. Les propriétés thermodynamiques et thermophysiques des «liquisols »sont encore très méconnues. Il en est de même des transferts thermiques lors de la congélation du matériau à changement de phase (MCP) ou de sa fusion dans les unités terminales. Les frigoporteurs diphasiques les plus étudiés ces dernières années sont les coulis de glace formés, par exemple, d’un mélange eau/alcool et de cristaux de glace produits sur des parois réfrigérées et raclées ou brossées pour permettre leur détachement de la paroi. Les limites de ce procédé résident, pour l’instant, dans le coût élevé du dispositif de production et dans une fiabilité réduite. Toutefois, des recherches ultérieures, notamment dans le cadre du réseau « IceSlurry »de l’Institut International du Froid, peuvent permettre d’envisager des améliorations des performances du procédé. Les autres frigoporteurs diphasiques se présentent sous forme d’émulsions ou reposent sur la combinaison : % de structures porteuses (microcapsules, gel organique ou minéral sous forme de grains) “ contenant ”un fluide à changement de phase solide–liquide à la température de fonctionnement désirée ;

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% d’un fluide porteur non miscible présentant des caractéristiques physiques adaptées à l’application et en particulier, un point de congélation inférieur à celui du fluide à changement de phase.

L’intérêt d’un tel procédé est de “doper ”le fluide porteur en utilisant des échangeurs de chaleur conventionnels (à plaques ou tubulaires).

3. Présentationde l’étude Cette étude porte sur les fluides frigoporteurs diphasiques qui présentent de nombreux attraits d’un point de vue environnemental, en diminuant de manière sensible la quantité de fluide frigorigène contenue dans une installation. Le développement des connaissances du comportement thermique et hydraulique de ces fluides est absolument nécessaire pour optimiser leur performance et permettre une meilleure maîtrise énergétique de leur utilisation. Ce travail comprend les réalisations suivantes : -une analyse bibliographique sur l’avancée des travaux concernant les fluides frigoporteurs diphasiques. Dans un premier temps, les différents couples fluide- particules en suspension sont inventoriés en fonction de leur procédés de fabrication et de leurs potentialités pour être utilisés dans une telle application. Ensuite, leur comportement rhéologique ainsi que des corrélations pour évaluer les pertes de pression sont présentés. Pour finir, les travaux de la littérature sur leur comportement thermique sont exposés et plus particulièrement les problèmes de surfusion et les transferts de chaleur en régime laminaire. -une modélisation des transferts au sein de ces fluides. Cette étude comprend une analyse des mécanismes de transferts de chaleur entre les deux phases et une analyse des résultats obtenus en faisant varier certains paramètres. -une étude expérimentale réalisée sur la boucle FIPO, conçue et construite spécifiquement pour cette étude. La section d’essais représente un échangeur à plaques lisses permettant de refroidir le fluide. Le mélange étudié est une suspension de particules chargée en eau dans de l’huile siliconée. Les mesures globales permettent de caractériser les transferts thermiques lors de la congélation des particules.

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