Intensification des transferts dans les procédés de changement de phase des coulis : Application aux hydrates de CO2 pour la réfrigération secondaire

Transfer enhancement in slurry phase change processes : Application to CO2 hydrates in secondary refrigeration

• Auteur / Autrice : Véronique Osswald
• Direction : Laurence Fournaison, Didier Dalmazzone, Anthony Delahaye, Pascal Clain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 07/03/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des procédés frigorifiques pour la sécurité alimentaire et l'environnement (Antony, Hauts-de-seine ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Havet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mangin, Bertrand Chazallon, Christophe Coquelet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Denis Mangin, Bertrand Chazallon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de carbone

Transfert de chaleur

Matériaux à changement de phase

Hydrates

Cristallisation

Mots clés libres

Hydrates de CO2

MCP

Cristallisation

Cinétique

Transfert de matière et de chaleur

Coulis

CO2 hydrates

PCM

Crystallization

Kinetic

Heat and mass transfer

Slurry

Résumé

Le froid, utilisé dans de nombreux secteurs (industrie agroalimentaire, chimie, le médical, le transport ou l'habitat) représente 20 % de la consommation électrique nationale L'utilisation des coulis d'hydrates de CO2 comme fluides frigoporteurs dans le procédé de réfrigération secondaire permet de réduire l'impact environnemental des systèmes frigorifiques. Ces fluides ont une densité énergétique importante grâce à leur chaleur latente de changement de phase élevée (500 kJ.kg-1hydrates) et leur température de changement de phase peut être ajustée dans une large gamme (273 - 298 K). Les hydrates sont des cristaux, semblables à la glace, composés d'eau et emprisonnant des molécules invitées. La compréhension et la maitrise de la cinétique de cristallisation des hydrates restent des verrous scientifiques. La première limite est liée à la cinétique lente de cristallisation des hydrates de CO2 et la seconde à la rapide tendance à agglomérer des hydrates en écoulement. Cette thèse met en œuvre différentes méthodes de caractérisation de la cinétique de formation. En s'appuyant sur une approche de bilan de matière et de chaleur lors de la cristallisation, une mise en lumière des paramètres clés a été réalisée pour améliorer les transferts. Un dispositif original a été conçu pour la mesure du transfert de chaleur lors de la cristallisation. Une étude paramétrique de l'effet de la quantité de CO2 dans le système, de la nature du mobile d'agitation et de la vitesse d'agitation a été réalisée afin d'identifier les meilleurs moyens d'intensification. Enfin des mesures spécifiques du transfert de matière du CO2 de la phase vapeur à la phase liquide ont permis de déterminer le kLa obtenus selon les paramètres d'intensification retenus.

Cold is used in many sectors (food industry, chemicals, medical, transport or housing) and contributes up to 20% of the French electricity consumption. CO2 hydrate slurries can be used as secondary refrigeration fluids to reduce the environmental impact of refrigeration systems. These fluids have a high energy density thanks to their high latent heat of phase change (500 kJ.kg-1hydrates) and their phase change temperature can be adjusted over a wide range (273 - 298 K). Hydrates are ice-like crystals composed of water and containing guest molecules. Understanding and controlling hydrate crystallization kinetics are still scientific keys. One limitation is linked to the slow kinetics and the other to the rapid trend for hydrates to agglomerate during flow. This thesis investigates different methods for formation kinetics characterizing. Based on a mass and heat balance approach and evaluated during crystallization, the key parameters were highlighted to enhance transfers. An original device was designed to measure heat transfer during crystallization. A parametric study of the effect of CO2 amount inside the reactor, the stirrer type and the stirring speed was carried out in order to identify the most suitable enhancement methods. Finally, for the intensification parameters selected, specific measurements of the CO2 mass transfer coefficient from the vapour phase to the liquid phase, kLa were carried out.