Production de fluides frigoporteurs diphasiques basée sur le phénomène de surfusion : Intérêt énergétique

par Thomas David

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Jean-Pierre Dumas et de Jean-Pierre Bedecarrats.

Soutenue en 2007

à Pau .


  • Résumé

    Le défi environnemental concerne l'ensemble des secteurs industriels. Dans ce contexte, l'industrie du froid en plein essor se doit de développer des technologies économes en énergie et de réduire la quantité de fluide frigorigène type HFC dans le cadre du protocole de Kyoto. Une voie prometteuse consiste à limiter la quantité de HFC en utilisant des réseaux de froid indirect. Cependant cette technologie comporte des inconvénients qui peuvent être en partie évités par l'utilisation de fluides frigoporteurs diphasiques liquide-solide à fort potentiel énergétique représenté par la chaleur latente. Nous présentons ici une étude comparative entre des frigoporteurs monophasiques et diphasiques et faisons ressortir l'intérêt énergétique de ces derniers ainsi que la réduction des infrastructures du réseau (pompes, canalisation). Toutefois le développement des fluides frigoporteus diphasiques se heurte à des problèmes techniques au niveau de la production. En effet, les procédés utilisés jusqu'alors fonctionnent sur le principe des échangeurs à surface raclée. Ces technologies utilisent un système de raclage et comportent alors tous les inconvénients d'un système mécanique (pièces tournantes, maintenance) et une consommation électrique importante. Les fluides stabilisés comportent d'autres problèmes notamment liés à la surfusion du fait de capsules de petits volumes. Nous avons développé au cours de cette thèse un procédé de production de fluides frigoporteurs diphasiques basé sur le phénomène de la surfusion. Le principe de notre procédé est de générer un flux continu d'eau surfondue, et de provoquer la cristallisation au sein d'une cuve de stockage. Les principaux avantages de ce procédé sont, de refroidir l'eau directement dans l'évaporateur de la machine frigorifique et de fonctionner avec des technologies simples et éprouvées. Nous présentons d'abord le phénomène de la surfusion et le procédé du laboratoire, et dans un deuxième temps nous détaillons les résultats expérimentaux permettant de déterminer les paramètres de fonctionnement du procédé. Ces paramètres étant le degré de surfusion, le régime d'écoulement (nombre de Reynolds) et la température de la source froide (température d'évaporation du fluide frigorigène). Enfin nous avons réalisé une modélisation de l'évaporateur afin d'appréhender les phénomènes physiques et les risques de cristallisation au sein de l'évaporateur.

  • Titre traduit

    Two-phase secondary refrigerant fluid production with supercooled water. Energetic benefit.


  • Résumé

    The environmental challenge relates to all industrial sectors. In this context, the refrigerant industry who knows a significant growth must, improve energy efficiency and reduce the quantity of refrigerant fluid such as HFC within the framework of the protocol of Kyoto. A promising way consists to limit the quantity of HFC by using cold distribution network. However this technology comprises disadvantages which can be partly avoided by using ice slurry. These two-phase fluids (liquid-solid) present the advantage of a high cooling capacity due to the latent heat of fusion of the ice. We present a comparative study between single-phase and two-phase secondary refrigerant fluid and emphasize the energetic benefits as well as the reduction of the infrastructures of the network (pumps, pipe). However the development of two-phase secondary refrigerant have to faces with technical problems for the production. Indeed the processes usually used work with scraped surface exchangers. These technologies use a system of scraping and then comprise all the disadvantages of a mechanical system (revolving parts, maintenance) and an important electric consumption. The stabilized fluids comprise other problems in particular due to supercooled phenomenon because of capsules of small volumes. We have developed during this thesis a process of production of two-phase secondary refrigerant fluid based on the supercooling phenomenon. The principle of our process is to generate a continuous supercooled water flow, and to cause crystallization within a storage tank. The principal advantages of this process are, to cool water directly in the evaporator of the refrigerating machine and to function with simple and tested technologies. At first we present the phenomenon of supercooled and the process developed in the laboratory, and in the second time we detail the experimental results allowing to determine the parameters of the process. These parameters are the supercooled degree, the flow (Reynolds number) and the temperature of the cold source (evaporating temperature). Finally we carried out a model of the evaporator in order to understand the physical phenomena and the risks of crystallization within the evaporator.

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  • Détails : 1 vol. (190 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.185-190

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