Performances énergétiques des coulis d'hydrates dans une boucle pilote de réfrigération secondaire

Energy efficiency of hydrate slurries in a secondary refrigeration loop

• Auteur / Autrice : Salem Jerbi
• Direction : Philippe Haberschill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 13/12/2011
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Francis Meunier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Haberschill, Francis Meunier, Didier Dalmazzone, Hassan Peerhossaini, Laurence Fournaison, Anthony Delahaye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Dalmazzone, Hassan Peerhossaini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides frigorigènes

Réfrigération

Mots clés libres

Energétique

Coulis hydrates

Boucle pilote

Technologie du froid

Réfrigérant

Réfrigération

Fluide frigoporteur

Fluide frigorigène

Rhéologie

Rheology

Heat transfer

Secondary refrigerant

Phase change material

Résumé

Pour être utilisé en réfrigération secondaire comme matériau à changement de phase dans un fluide frigoporteur, un hydrate doit posséder une enthalpie de dissociation élevée, à une température adaptée à l’application (positive pour de la climatisation) et à une pression acceptable pour une installation industrielle. De plus, le mélange diphasique doit présenter de bonnes conditions d’écoulement et d’échanges thermiques. Un dispositif dynamique constitué d'un réacteur agité et d'une boucle de circulation, placé dans une chambre climatique, a été développé pour l’étude de coulis d’hydrates de dioxyde de carbone. Pour ce dispositif, un protocole a été mis en œuvre pour le refroidissement d’une solution chargée en CO2, générant des coulis d'hydrate à taux d’hydrate allant jusqu'à 25°% véhiculant une chaleur latente importante (374 kJ.kg-1). Une étude cinétique sur la formation des hydrates de CO2 dans le réacteur agité à été réalisé et montre que la cinétique de formation de ces hydrates est de 2 %.h-1 dans le réacteur pour une pression, une température, et une vitesse d'agitation de départ de 3 MPa, 12 °C et 1042 tr/min et pour une température de consigne du groupe froid de -1 °C. L’étude rhéologique du coulis a permis de mettre en place une corrélation empirique de type Herschel-Bulkley en fonction du taux d’hydrates qui permet une caractérisation satisfaisante du comportement rhéologique du fluide. Les résultats de l’étude thermique ont permis d’établir des corrélations entre les nombres de Nusselt et de Reynolds qui caractérisent les régimes de fonctionnement thermique du système.

To be used as phase change material in a secondary refrigerant, a hydrate must enclose a high dissociation enthalpy, at a temperature adapted to the application (positive for air-conditioning) and a pressure suitable for an industrial facility. Moreover, the two-phase mixture must present good conditions of flowing and heat exchange. A dynamical set-up with a stirred tank reactor with a loop of circulation, placed in a thermostated room, was developed for the study of carbon-dioxide-hydrate slurries. In this set-up, one protocol was carried out: by cooling of a water-CO2 solution, generating slurries hydrate rates 25 %, conveying a high latent heat (374 kJ.kg-1). A study of CO2 hydrate formation kinetics was lead in the tank reactor and the results showed the CO2 hydrate formation kinetics is 2 %.h-1 for a pressure, temperature and a stirring rate at the begin of 3 MPa, 12°C and 1042°rpm and a temperature of the chiller about -1°C. A study rheological allows the development of an empirical Herschel-Bulkley-type correlation as a function of the hydrate rate was achieved for rheological characterization of the fluid behavior. The thermal results obtained allow establishing correlation as a function of Nusselt and Reynolds number which characterize operational regimes of the system thermal.