Contribution à l'étude du comportement thermo-hydraulique d'un mélange diphasique dans une boucle frigorifique à stockage d'énergie

= Contribution to the thermal-hydraulic behaviour study of a two-phase mixture used in a refrigerating circuit with energy storage

• Auteur / Autrice : Olivier Bel
• Direction : André Lallemand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et Energétique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Enthalpie

Refroidissement

Thermodynamique

Résumé

Ce travail concerne l'étude d'un mélange diphasique solide-liquide utilisé comme frigoporteur au sein d'une boucle frigorifique. Les propriétés thermophysiques de ce mélange constitué de particules de glace en suspension dans une solution aqueuse d'éthanol sont déterminées à partir d'une exploitation de valeurs expérimentales relatives au domaine monophasique liquide prolongée au domaine diphasique par l’utilisation de relations empiriques. Un modèle enthalpique basé sur l'additivité des niveaux d'énergie de chaque phase a été développé. Des mesures calorimétriques ont permis de valider ce modèle avec une bonne précision. Le comportement thermique du mélange a été abordé par le développement d'une corrélation du coefficient de transfert thermique moyen du mélange en écoulement dans l'Echangeur de Chaleur à Surface Raclée qui assure son conditionnement. Un modèle multizones a permis d'améliorer la connaissance du mécanisme de transfert de chaleur dans cet échangeur. Le comportement hydraulique du mélange fait l'objet d'une étude expérimentale des pertes de pression subies par l'écoulement dans une longueur droite et diverses singularités. On constate qu'en dessous d'une fraction solide de 10% en poids, la perte de pression évolue faiblement tandis qu'elle augmente brusquement au-delà de cette valeur. Le comportement au repos du mélange lors de son utilisation en stockage de froid a été caractérisé par une analyse de la distribution verticale en température dans le réservoir. Le suivi de l'évolution des températures au cours de la fusion du volume stocké a permis de développer un modèle global de la progression du front de fusion/stratification. Enfin, les premiers résultats du développement d'une cellule de mesure de la fraction de glace du mélange en écoulement sont présentés dans une étude purement expérimentale.

This work concerns the study of a two-phase solid-liquid mixture employed as refrigerant in a cooling loop. The thermophysical properties of this mixture, constituted by a suspension of fine ice particles in an ethanol aqueous solution, have been determined by using experimental values in the liquid domain applied in the two-phase domain with empirical correlations. An enthalpy model based on phase energy contributions additivity rule has been developped. Differential Calorimetry measurements have allowed us to accurately validate this model. The mixture's thermal behaviour has been considered through the development of a dimensionless correlation, which permits us to predict the ice slurry's mean heat transfer coefficient within the Scraped Surface Heat Exchanger, which produces the ice particles. A multizone model enables us to improve the heat transfer knowledge, which occurs in our exchanger. The mixture's hydraulic behaviour has been examined by means of a pressure drops experimental study concerning the flow through pipeline and other features. As a result, pressure drops were found to vary very slightly in case of solid weight fraction lower than about 10% and to drastically increase above. The behaviour of the static state mixture, when it is used as cold storage medium, has been characterized by means of a temperature distribution analysis in the vertical direction within the tank. Following temperature evolutions during the melting phase, a basic model has been proposed to predict the evolution in time of the melting/separating front. Finally, first results about the development of the mixture's solid weight fraction specific measurement cell are presented in the framework of a purely experimental study.