Étude et développement des performances du tube de Ranque-Hilsch et analyse des perspectives d'industrialisation

Study and development of the performances of the Ranque-Hilsh tube, and analysis for the industrial perspectives

• Auteur / Autrice : Fian Assemien
• Direction : François Cauneau, Elie Hachem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Procédés, Énergies Renouvelables et Systèmes Énergétiques. Sophia-Antipolis
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Clamond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Cauneau, Elie Hachem, Charbel Habchi, Nissrine Akkari
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Charbel Habchi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Peltier, Effet

Thermodynamique

Modélisation CFD

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Modélisation CFD

Thermo-Mécanique des fluides

Thermodynamique

Tube de Ranque-Hilsch

Fluids Thermo-Mechanics

CFD modeling

Thermodynamics

Ranque-Hilsch vortex tube

Résumé

La production de froid fait intervenir classiquement deux grands procédés dans le paysage industriel : l’utilisation d’un cycle thermodynamique basé sur la compression/détente d’un fluide frigorigène, et l’effet Peltier. Le premier est massivement utilisé pour la production de froid à grande échelle, tandis que le second est plutôt réservé à des unités compactes et de faible puissance. Une troisième voie est offerte par le procédé « tube de Ranque-Hilsch », dans lequel le cycle de compression/détente d’un gaz s’écoulant dans un tube à vortex donne lieu à la formation de deux sources chaude et froides bien localisées dans l’écoulement. Un tel dispositif est séduisant par certains aspects (simplicité, fiabilité, normes environnementales, coût de fabrication, disponibilité des matières premières) et possède donc virtuellement des qualités attractives en termes d’émission carbone et de compatibilité environnementale. En revanche, le phénomène bien qu’identifié et attesté dans ses grandes lignes échappe encore à une compréhension fine, ce qui en premier lieu en limite l’industrialisation. Ce présent document présente une étude expérimentale et numérique en vue d’une meilleure compréhension du comportement du tube de Ranque-Hilsch.

Cold production classically involves two major processes in the industrial sector: the use of a thermodynamic cycle based on the compression/expansion of a refrigerant, and the Peltier effect. The first is massively used for large-scale refrigeration, while the second is reserved for compact units and low power. A third method is provided by the « Ranque-Hilsch vortex tube» process, in which the compression/expansion cycle of a gas flowing in a vortex tube results in the formation of two hot and cold sources well localized in flow. Such a device is attractive in certain aspects (simplicity, reliability, environmental standards, production cost, availability of raw materials) and thus possesses virtually attractive qualities in terms of carbon emissions and environmental compatibility. On the other hand, the phenomenon, although identified and attested in its main lines, fine understanding remains a challenge, which initially limits its industrialization. This document presents an experimental and numerical study for a better understanding of the behavior of the Ranque-Hilsch vortex tube.