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

Demasles, Hélène

Description

SOMMAIRENOMENCLATUREINTRODUCTION 201. CONTEXTE INDUSTRIEL 212. LES FLUIDES FRIGOPORTEURS DANS LE DOMAINE DU FROID COMMERCIAL 233. PRESENTATION DE L’ETUDE 25CHAPITRE 1. : FLUIDE FRIGOPORTEUR DIPHASIQUE A CHANGEMENT DEPHASE LIQUIDE SOLIDE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 271.1. DIVERS TYPES DE COUPLES FLUIDE -PARTICULES EN SUSPENSION 291.1.1. TERMINOLOGIE UTILISÉE 291.1.2. PROCÉDÉS DE FABRICATION 301.1.2.1. Les émulsions 301.1.2.2. Les gels 311.1.2.3. La microencapsulation 341.1.3. STABILITÉ DE LA STRUCTURE DES PARTICULES 391.1.3.1. Forces de cisaillement 391.1.3.2. Cycles thermiques 391.1.4. CRITÈRES DE CHOIX DU COUPLE FLUID-EPARTICULES 401.1.5. CARACTÉRISTIQUES DE LA SUSPENSION ÉTUDIÉE 421.1.5.1. Aspect de la suspension 431.1.5.2. Cycles thermiques 441.1.5.3. Conclusion 451.2. COMPORTEMENT RHÉOLOGIQUE 461.2.1. LOI DE COMPORTEMENT 461.2.1.1. Généralités 461.2.1.2. Cas particulier des mélanges diphasiques solide liquide 481.2.2. ECOULEMENT ET PERTES DE PRESSION 561.2.2.1. Pertes de pression régulières 571.2.2.2. Pertes de pression singulières 641.2.2.3. Diminution des pertes de pression 651.2.3. CONCLUSION 671.3. COMPORTEMENT THERMIQUE 681.3.1. COMPORTEMENT AU COURS DU REFROIDISSEMENT 681.3.1.1. Cas idéal 681.3.1.2. Cristallisation et fusion au sein des particules 68111.3.2. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES 711.3.2.1. Propriétés des corps purs 711.3.2.2. Propriétés de la suspension 721.3.3. TRANSFERT DE CHALEUR EN RÉGIME LAMINAIRE 771.3.3.1. Rappel sur ...

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NOMENCLATURE

SOMMAIRE

INTRODUCTION 1. C ONTEXTEINDUSTRIEL 2. L ES FLUIDES FRIGOPORTEURS DANS LE DOMAINE DU FROID COMMERCIAL 3. P RESENTATION DE L’ETUDE

20 21 23 25

CHAPITRE 1.: FLUIDE FRIGOPORTEUR DIPHASIQUE A CHANGEMENT DE PHASE LIQUIDE SOLIDE - ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE -27

1.1. D IVERS TYPES DE COUPLES FLUIDE - PARTICULES EN SUSPENSION 1.1.1. T ERMINOLOGIE UTILISÉE 1.1.2. P ROCÉDÉS DE FABRICATION 1.1.2.1. Lesémulsions 1.1.2.2. Lesgels 1.1.2.3. Lamicroencapsulation 1.1.3. S TABILITÉ DE LA STRUCTURE DES PARTICULES 1.1.3.1. Forcesde cisaillement 1.1.3.2. Cyclesthermiques 1.1.4. C RITÈRES DE CHOIX DU COUPLE FLUIDE - PARTICULES 1.1.5. C ARACTÉRISTIQUES DE LA SUSPENSION ÉTUDIÉE 1.1.5.1. Aspectde la suspension 1.1.5.2. Cyclesthermiques 1.1.5.3. Conclusion 1.2. C OMPORTEMENT RHÉOLOGIQUE 1.2.1. L OI DE COMPORTEMENT 1.2.1.1. Généralités 1.2.1.2. Casparticulier des mélanges diphasiques solide-liquide 1.2.2. E COULEMENT ET PERTES DE PRESSION 1.2.2.1. Pertesde pression régulières 1.2.2.2. Pertesde pression singulières 1.2.2.3. Diminutiondes pertes de pression 1.2.3. C ONCLUSION 1.3. C OMPORTEMENT THERMIQUE 1.3.1. C OMPORTEMENT AU COURS DU REFROIDISSEMENT 1.3.1.1. Casidéal 1.3.1.2. Cristallisationet fusion au sein des particules

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29 29 30 30 31 34 39 39 39 40 42 43 44 45 46 46 46 48 56 57 64 65 67 68 68 68 68

1.3.2. P ROPRIÉTÉS PHYSIQUES 1.3.2.1. Propriétésdes corps purs 1.3.2.2. Propriétésde la suspension

1.3.3. T RANSFERT DE CHALEUR EN RÉGIME LAMINAIRE 1.3.3.1. Rappelsur les fluides monophasiques 1.3.3.2. Fluidesdiphasiques sans changement de phase 1.3.3.3. Fluidesdiphasiques avec changement de phase 1.3.3.4. Influencede certains paramètres sur les transferts de chaleur

71 71 72 77 77 80 81 83

CHAPITRE 2.: ETUDE THEORIQUE DES TRANSFERTS THERMIQUES DANS UNE SUSPENSION CHARGEE EN MCP87

2.1. E QUATIONS DE BASE 89 2.2. M ODÈLES 90 2.2.1. C HALEUR LATENTE PRISE EN COMPTE PAR UN TERME SOURCE S 91 2.2.1.1. Modèlede Charunyakorn et al. (1990)91 2.2.1.2. Modèlede Royon et al. (2000)93 2.2.2. C HALEUR LATENTE PRISE EN COMPTE PAR UNE CAPACITÉ THERMIQUE ÉQUIVALENTE 94 2.3. M ODÉLISATION 97 2.3.1. P OSITION DU PROBLÈME 97 2.3.2. D ÉTERMINATION DU TERME SOURCE 99 2.3.2.1. Transfertde chaleur au niveau des particules100 2.3.2.2. Résolution103 2.3.2.3. Application: calcul du terme source S106 2.3.3. T RAITEMENT NUMÉRIQUE 107 2.4. L IMITES DU MODÈLE 110 2.4.1. E FFETS DES PARTICULES 110 2.4.2. P ROPRIÉTÉS PHYSIQUES 111 2.4.3. C ONGÉLATION 111 2.4.4. G ÉNÉRALISATION DU MODÈLE 112 2.5. R ÉSULTATS DU MODÈLE 112

2.4.2. P ROPRIÉTÉS DU FLUIDE 2.4.3. M AILLAGE 2.4.4. C AS DE RÉFÉRENCE 2.5.4.1. Profilde vitesses 2.5.4.2. Profilde concentration 2.5.4.3. Profilde températures 2.4.5. I NFLUENCE DE LA VITESSE

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112 113 114 114 114 115 117

2.4.6. 2.4.7. 2.4.8. 2.4.9.

I NFLUENCE DE LA TAILLE DES PARTICULES I NFLUENCE DE LA CONCENTRATION I NFLUENCE DU DEGRÉ DE SURFUSION I NFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE DE PAROI

CHAPITRE 3.: DISPOSITIF EXPERIMENTAL

3.1. I NTRODUCTION 3.2. D ESCRIPTION DE L ’ INSTALLATION 3.2.1. C IRCUIT DE REFROIDISSEMENT 3.2.2. B OUCLE D ' ÉTUDE DU MÉLANGE DIPHASIQUE 3.3. I NSTRUMENTATION 3.3.1. D ESCRIPTION ET ÉTALONNAGE DES DIFFÉRENTS CAPTEURS 3.3.1.1. Capteursde températures 3.3.1.2. Fluxmètres 3.3.1.3. Capteursde débits 3.3.1.4. Capteursde pression 3.3.2. A CQUISITION DE DONNÉES 3.3.3. P ROCÉDURE DE DÉMARRAGE 3.4. C ONCEPTION DES SECTIONS D ’ ESSAIS

3.4.1. E TUDES PRÉLIMINAIRES 3.4.1.1. Choixdes paramètres 3.4.1.2. Choixde l’instrumentation 3.4.2. D IMENSIONNEMENT DE LA PREMIÈRE SECTION D ’ ESSAIS 3.4.2.1. Surfaced’échange 3.4.2.2. Canalfroid 3.4.2.3. Canalchaud 3.4.3. D IFFICULTÉS DE RÉALISATION 3.4.3.1. Problèmede perçage 3.4.3.2. Nouveaudimensionnement des micro-canaux 3.4.3.3. Constatd’échec 3.4.4. D EUXIÈME SECTION D ’ ESSAIS 3.4.4.1. Géométrie 3.4.4.2. Instrumentation

CHAPITRE 4.: RESULTATS EXPERIMENTAUX ET THEORIQUES

4.1. L IMITES DE L ’ INSTALLATION 4.1.1. P ROBLÈME DE TENUE MÉCANIQUE 4.1.2. P ROBLÈME THERMIQUE 13

117 120 122 123

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125 127 127 129 130 130 130 131 132 132 132 133 133 133 133 134 135 136 137 149 154 154 154 157 157 157 158

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163 163 163

4.1.2.1. Fluxéchangé 4.1.2.2. Conductiondans les thermocouples 4.2. F ONCTIONNEMENT EN SIMPLE PHASE

4.2.1. M ISE EN ÉQUATION DES FLUX ÉCHANGÉS 4.2.2. P RÉSENTATION DES RÉSULTATS 4.2.2.1. Grilledes essais 4.2.2.2. Fermeturedes bilans 4.2.2.3. Coefficientd’échange 4.2.2.4. Etalonnagedes fluxmètres 4.3. E TUDE D ’ UNE SUSPENSION AVEC DES PARTICULES CHARGÉES EN MCP

4.3.1. P RÉSENTATION GÉNÉRALE 4.3.2. E CHANGES THERMIQUES 4.3.2.1. Bilansdans la section d’essais 4.3.2.2. Bilansdans la boucle 4.3.2.3. Energiestockée sous forme latente 4.3.2.4. Interprétationdes résultats 4.3.2.5. Coefficientd’échange

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ANNEXES

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163 164 166 166 169 169 171 174 179 182 183 184 184 186 188 194 202

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