Etude expérimentale et modélisation de l'analyse calorimétrique des fusions et des déséquilibres de phases dans les coulis de glace

par Abdelmajid Jamil

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Pierre Dumas et de Youssef Zeraouli.

Soutenue en 2006

à Pau .

mots clés

• Glace -- Fabrication
• Écoulement diphasique
• Énergie -- Stockage
• Équilibre solide-liquide
• Calorimétrie différentielle à balayage

Résumé

Les performances énergétiques de toute installation industrielle utilisatrice des coulis de glace dépendent essentiellement de la quantité de glace transportée. Le problème est de savoir si les différentes phases en présence dans le coulis sont en équilibre thermodynamique ou non lors du déstockage statique (cuve de stockage) ou ynamique (échangeur). Afin d'arriver à cet objectif, un protocole expérimental a été mis au point pour permettre de confirmer ou d'infirmer l'existence d'équilibres thermodynamiques au sein d'un coulis de glace. Cette méthode est basée sur l'Analyse Calorimétrique Différentielle de prélèvements liquides et sur la mesure de la température locale de ces prélèvements. Cette technique appliquée à un mélange eau-éthanol-glace issu de notre banc d'essais, fournit deux fractions en glace complètement différentes. Ceci indique que l'équilibre n'est pas établi entre les phases liquide et solide. Pour réduire les difficultés générées par la modélisation du déstockage du froid dans des installations de grande dimension où les déséquilibres sont importants, des modèles numériques ont été développés dans des conditions d'équilibre pour étudier le déstockage d'échantillons de faibles dimensions. Ces modèles sont appliqués et validés avec succès par deux protocoles expérimentaux différents, pour les corps purs et les solutions binaires. L'exploitation des résultats numériques a mis en évidence d'importants gradients de température dans les échantillons, et a permis de déduire la répartition spatio-temporelle des températures, des concentrations, des taux de glace et la détermination des diagrammes de phases de solutions binaires.

Titre traduit

Experimental study by Differential Scanning Calorimetry and modelisation of the melting and Non-equilibrium inside ice slurries

Résumé

The design and performance evaluation of any thermal storage system using ice slurry depend basically to the ice quantity transported. The main question for the conception of these systems is what procedure must one follows to obtain the ice quantity produced. To answer it is necessary to verify the assumption of a thermodynamic equilibrium between solid and liquid phases. In order to confirm the thermodynamic equilibrium inside the ice slurry, an experimental procedure has been developed. It is based on the Differential Scanning Calorimetry analysis. In fact, by measuring the ice mass fraction from both local temperature of the sample in line and by using the analysis calorimetry of the liquid of the same sample, one checks whether the solid and liquid phases are in thermodynamic equilibrium. The principle of this procedure has been discussed in detail in this report. We have shown either in case of a storage tank or in case of exchanger the existence of a non-equilibrium between solid and liquid phases. Two-dimensional model was developed to study the non-isothermal melting in the ice slurry. Experimental results were compared to those obtained by a numerical simulation in which a general enthalpy method was applied. It has been found that the temperature gradients inside the sample of the ice slurry become important if either heating rate increases or initial antifreeze mass fraction decreases. The good agreement between experimental and calculated thermograms has permitted to deduce some inaccessible data such as the map of the temperature, the evolution of the ice mass fraction and the solid-liquid phase diagram of the binary solution.