Equations d'état pour les propriétés thermodynamiques des mélanges de fluides cryogéniques

Equations of state for the thermodynamic properties of cryogenic mixtures

• Auteur / Autrice : Jakub Tkaczuk
• Direction : Nicolas Luchier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des systèmes basses températures (Grenoble ; 1957-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Ayela
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Baudouy, Pascale Dauguet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roland Span, Jean-Noël Jaubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz -- Liquéfaction

Thermodynamique

Mots clés libres

Equations d'etat

Mélanges de gaz

Propriétés thermodynamiques

Equations of state

Fluid mixtures

Thermodynamic properties

Résumé

Ce travail est motivé par le développement de nouvelles installations cryogéniques de grande capacité et vise à améliorer de leur efficacité thermique. Les résultats présentés permettent de décrire avec précision les propriétés thermodynamiques des mélanges de gaz cryogéniques.Les équations d'état empiriques multiparamétriques explicites dans l'énergie de Helmholtz sont développées pour les mélanges binaires d'hélium, de néon, d'argon et d'azote. Le processus de développement est présenté et comprend l'examen des données expérimentales, la pondération des points de données et la minimisation de la fonction objectif à l'aide d'une régression non linéaire supervisée.Les équations sont valables pour les monophases et les enveloppes d'équilibre de phase pour toute la plage de composition et pour des pressions jusque 1000 MPa. Les incertitudes d'équations à basse pression (0 – 10 MPa) atteignent 0.5 – 2.5% pour 95% des points de données utilisés pour leur développement. À plus haute pression, un écart aux données expérimentales jusque 5% peut être observé pour la densité. Les écarts de vitesse du son varient de 4 à 10%.Outre que le discussion sur l'incertitude monophasique, une nouvelle méthode est proposée pour évaluer les incertitudes dans les calculs d'équilibre de phase. Ses avantages et inconvénients par rapport à la méthode classique basée sur la pression sont présentés.Afin de valider les équations d'état en monophasique aux températures cryogéniques, un banc d'essai pour les mesures du coefficient Joule-Thomson est conçu et construit. Les mesures indirectes sont d'abord effectuées pour les fluides purs afin de valider le banc expérimental. Le coefficient Joule-Thomson est ensuite mesuré pour les mélanges permettant de compléter l'étude. L'incertitude type relative élargie ainsi que l'analyse Monte Carlo pour l'analyse combinée sont présentées et discutées. Elles montrent que les équations d'état présentées restent valides aux températures cryogéniques.Enfin, une brève discussion sur les perspectives et les étapes ultérieures conclut ce travail.

This work is motivated by the needs of large cryogenic facilities and aims to improve their thermal efficiency in the range of 40 – 80 K. It allows describing the thermodynamic properties of cryogenic mixtures accurately.The empirical multiparameter equations of state explicit in the Helmholtz energy are developed for the binary mixtures of helium, neon, argon, and nitrogen. The development process is presented and consists of the experimental data review, data points weighting, and minimizing the objective function using supervised non-linear regression.The equations are valid in the single-phase and at the phase envelopes for the entire composition span and pressures as high as 1000 MPa. The single-phase uncertainties at low pressure (0 – 10 MPa) reach 0.5 – 2.5% for 95% of data points used for the EOS development. At higher pressures, some of the equations deviate up to 5% in density from the experimental data. The deviations in the speed of sound vary from 4 to 10%.In addition to the single-phase uncertainty discussion, a new metric is proposed to evaluate the uncertainties in phase equilibria calculations. Its advantages and shortcomings over the classical pressure-based metric are presented.The equations of state are validated at cryogenic temperatures in the single-phase region with measurements of the Joule-Thomson coefficient. Indirect measurements are first acquired for pure fluids, allowing for the experiment validation and then for mixtures, providing new results to the study. The expanded relative standard uncertainty is presented and discussed along with the Monte Carlo analysis for the combined uncertainty. The impact of the composition uncertainty on the Joule-Thomson coefficient is quantified for mixtures using the Monte Carlo simulations.The presented equations of state are in good agreement with the acquired Joule-Thomson coefficient values. A short discussion on perspectives and further steps concludes this work and aims at a more accurate mixture property description thanks to new, more accurate measurements and modern minimization algorithms used to develop the equations.