Contribution à l'étude de cristallisation des mélanges binaires aqueux : surfusion et approche cinétique

Contribution to the study of aqueous binary mixtures crystallization : supercooling and kinetic approach

• Auteur / Autrice : Victorin Kouamy Chegnimonhan
• Direction : Hassan Peerhossaini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermocinétique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides frigorigènes

Mots clés libres

Frigoporteurs diphasiques

Cinétique

Nucléation

Croissance

Algorithme génétique

Surfusion

Méthodes inverses

Résumé

Les frigoporteurs diphasiques sont une technologie prometteuse. Une meilleure compréhension des cinétiques de cristallisation peut contribuer à la conception de générateurs performants. L’objectif de ces travaux est d’y participer. Une revue des théories classiques de nucléation et des modèles de cinétique de cristallisation est présentée. Divers résultats expérimentaux concernant la cristallisation partielle des solutions eau-MPG, eau-éthanol sont analysés dans le chapitre 2. Des essais de vieillissement ont montré que le degré de surfusion diminue rapidement au cours d'essais successifs. Le degré de surfusion diminue lorsque la concentration en MPG augmente, phénomène lié à la morphologie observée des cristaux : aiguilles, dendrites ou front plan. La vitesse de croissance des cristaux dépend du degré de surfusion et de la concentration en antigel qui modifie la diffusivité thermique, la viscosité et la tension superficielle des solutions. Un outil numérique conçu pour modéliser la cinétique de cristallisation des coulis résout l’équation de la chaleur 1D (instationnaire, non linéaire avec un terme source) couplée avec la cinétique de Nakamura. Ce code Matlab, basé sur des méthodes de recherche d’optimum par algorithme génétique, a été testé et validé. Il identifie les coefficients de transferts relatifs au dispositif expérimental, et les paramètres de cinétique. Dans une première approche, la cinétique de cristallisation des solutions de MPG apparaît être une fonction décroissante de la concentration. Le code est adapté pour étudier la cinétique de cristallisation d’autres substances, et peut présenter un intérêt pour des investigations en agro-alimentaire.

Contribution to the study of the crystallization mechanisms of binary aqueous mixtures used in Refrigeration Engineering Ice slurries are a promising technology. A better understanding of crystallization kinetics may contribute to the design of efficient generators. The aim of this thesis is to contribute. A review of classical nucleation theories and models of solidification kinetics is made. Various experimental results on the crystallization of aqueous solutions (M. P. G. , ethanol) are discussed. Ageing tests have shown that supercooling decreases rapidly during successive tests. The degree of supercooling decreases with increasing concentration of MPG, a phenomenon linked to the observed morphology of crystals: needles, dendrites or plane front. The growth rate of crystals depends on supercooling and solute concentration which modify the thermal diffusivity, viscosity and surface tension of solutions. A simulation of crystallisation has been performed. The code solves the 1D unsteady, nonlinear heat equation with a source term due to heat release during solidification. The equation is coupled with the kinetics of Nakamura. The genetic algorithm based Matlab code has been tested and validated. It identifies the transfer coefficients for the experimental device and kinetic parameters for aqueous solutions. To a first approach, the kinetics of crystallization appears to be a decreasing function of the concentration of solute. Furthermore, the code is adapted to study the kinetics of crystallization of other substances, and may be relevant to investigations in food industry.