Etude expérimentale et théorique de l'écoulement et des transferts thermiques d'un fluide frigoporteur diphasique dans un canal rectangulaire de type échangeur à plaques

Theoretical and experimental study of fluid flow and heat transfers of a diphasic secondary refrigerant in a rectangular channel of a plate heat exchanger

• Auteur / Autrice : Constantin Ionescu
• Direction : André Lallemand, Philippe Haberschill, Adrian Badea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et thermique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Lyon, INSA en cotutelle avec Université Politehnica de Bucarest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides frigorigènes

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Transfert de chaleur

Résumé

Ce travail concerne le comportement thermo-hydraulique d’un fluide frigoporteur diphasique particulier, le « coulis de glace stabilisée », en écoulement dans un canal rectangulaire du type échangeur à plaques. Ce réfrigérant secondaire se compose de particules de taille millimétrique d’un gel organique contenant jusqu’à 90 % d’eau, mises en suspension dans une phase liquide, qui est une huile silicone de très faible viscosité. Les résultats expérimentaux issus de bilans sur les veines d’étude mettent en évidence une intensification importante du coefficient d’échange thermique, due à la présence des particules dans le fluide porteur. Pour un écoulement laminaire du coulis dans le canal de refroidissement, une multiplication moyenne par 3,7 à 6,4 du coefficient d’échange global par rapport au fluide monophasique a été enregistrée pour des fractions massiques en particules de 20 à 30 %. Dans le cas d’un écoulement de transition, les augmentations sont de 2,3 à 4. Par régression des résultats expérimentaux, des corrélations pour le calcul des nombres de Nusselt local et moyen sont proposées pour les écoulements laminaire et de transition. La particularité de toutes les corrélations présentées est leur validité pour l’échange thermique dans le cas d’un fluide pur aussi bien que pour un fluide chargé en particules solides. Un modèle pour l’étude du comportement thermique d’un fluide frigoporteur diphasique pendant son refroidissement en écoulement laminaire dans un canal rectangulaire, a été développé. L’évolution des valeurs expérimentales et théoriques pour la température moyenne du fluide, le flux thermique qui traverse les parois et le coefficient d’échange thermique paroi-fluide est analogue du point de vue qualitatif. L’accord quantitatif peut être considéré comme satisfaisant puisque les écarts n’excèdent jamais 15 %

This work relates to the thermo hydraulic behavior of a new two-phase secondary refrigerant, the ''stabilized ice slurry'', flowing through a rectangular channel of heat plate exchanger type. This secondary refrigerant is constituted by particles of about 1 mm of an organic gel containing up to 90 % water, maintained in suspension in a liquid phase, which is a silicone oil having a very low viscosity. The experimental results generated by the heat balances on the test sections highlight an important increase of the heat transfer coefficient, due to the particles presence in the carrying fluid. For a laminar flow of the slurry ln the cold channel, an average multiplication by 3. 7 to 6. 4 of the global heat transfer coefficient compared to the single-phase fluid was recorded for particles mass fractions of 20 to 30%. For a transition at flow, the increases range from 2. 3 to 4. By regression of the experimental results, correlations for the local and average Nusselt number calculation for the laminar and transition flows are proposed. The particularity of ali the presented correlations is their validity for heat exchange in the case of a pure fluid as well as for a fluid charged with solid particles. A madel for the thermal behavior study of a two-phase secondary refrigerant fluid during his cooling in laminar flow along a rectangular channel was developed. The evolution of the experimental and theoretical values for the fluid average temperature, the heat flow which crosses the walls and the heat transfer coefficient wall-fluid is similar from the qualitative point of view. The quantitative agreement can be regarded as satisfactory since the variations never exceed 15%. .