Experimental study of the thermal and rheological behaviour of paraffin-in-water emulsions used as a secondary refrigerants

by Virginia Vasile

Doctoral thesis in Thermique et énergetique

Under the supervision of Adrian Badea, Jocelyn Bonjour and Rémi Revellin.

defended on 26-07-2019

in Lyon and the jointly supervising institution l'Universitatea politehnica (Bucarest) , under the authority of Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , in a partnership with Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon ; 1957-....) (établissement opérateur d'inscription) , CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) and Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL (laboratoire) .

Thesis committee President: George Darie.

Thesis committee members: Adrian Badea, Jocelyn Bonjour, Rémi Revellin, George Darie, Ludger Josef Fischer, Monica Siroux, Rodica Frunzulica, Daniela Popescu.

Examiners: Ludger Josef Fischer, Monica Siroux.

keywords

• Energetic
• Parraffin
• Emulsion
• Laminar flow
• Refrigerant
• Heat transfer
• Rheology
• Thermophysical properties

Abstract

A phase change material emulsion (PCME) is a fluid consisting of an emulsion of a phase change material (PCM), such as paraffin, dispersed in a carrier fluid (contiunuous phase), often water of an aqueous solution of surfactant. PCMEs can be considered as potential high performance thermal fluids (used as secondary refrigerants or as heat transport fluids) owing to their latent heat involved in the fusion of cristalisation of the PCM. This thesis reports experimental results concerning the thermo-rheological behavior of different versions of a PCME (30%wt. paraffin concentration in various acqueous solutions of surfactant) over the temperature range [0 – 20 °C]. The thermophysical properties of the PCMEs were determined. Then, an experimental study of forced convection heat transfer during laminar flow was carried out. The convective heat transfer coefficient of the PCMEs during cooling was determined in an experimental configuration mocking up applications in plate heat exchangers. The configuration mainly consists of two 1 m long rectangular channels (80 x 6 mm2). Correlations were developped for the prediction of the (local and overall) heat transfers coefficients, based on the Nussel, Reynolds and Prandtl numbers. A specific test bench was also used to analyse the rheological behaviour of the PCMEs. Tests were carried out using a viscometer at different temperatures. The stability of the emulsion was examined under various thermo-mechanical loads. Experiments revealed a pseudoplastic behavior for all tested versions of the PCME. All these results show that PCMEs are an attractive candidate for their applications in the field of air conditioning.

keywords

• Energétique
• Parraffine
• Emulsion
• Ecoulement laminaire
• Réfrigérant
• Transfert chaleur
• Rhéologie
• Propriétés thermo-Physiques
• Thermodynamique
• Rhéologie

Alternative Title

Etude expérimentale du comportement thermique et rhéologique d'émulsions de paraffine dans l'eau utilisées comme réfrigérants secondaires

Abstract

Une émulsion à changement de phase (PCME: phase-change material emulsion) est un fluide consistant en une émulsion d'un matériau à changement de phase (PCM, phase change material), comme de la paraffine, dispersé dans un fluide porteur (phase continue), souvent de l'eau ou une solution acqueuse de surfactant. Les PCME peuvent être envisagés comme fluides à haute performance thermique (frigoporteurs ou caloporteurs) en raison de leur potentiel de transport de chaleur latente (cristallisation ou fusion du PCM). Cette thèse présente des résultats expérimentaux concernant le comportement thermo-rheologique des differentes versions de PCME (émulsions de paraffine dans différentes solutions acqueuses de surfactant, avec une concentration massique en paraffine égale à 30 %) sur une plage de température de 0 - 20 °C. Les propriétés thermophysiques des émulsions ont été déterminées. Ensuite, une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection forcée laminaire a été effectuée. Le coefficient de transfert de chaleur convectif de l'émulsion pendant le refroidissement a été déterminé dans une configuration expérimentale proche de celle pouvant être rencontrée dans des échangeurs thermiques à plaques. La configuration se compose principalement de deux canaux rectangulaires (80 x 6 mm²) de longueurs égale à 1 m. Des corrélations utiles pour évaluer les coefficients d'échange thermique (locaux ou globaux) ont été établies entre les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl. Un banc d'essais spécifique a également été utilisé pour analyser le comportement rhéologique des PCME. Des essais ont été effectués à l'aide d'un viscosimètre à différentes températures. La stabilité des émulsions a été examinée sous diverses charges thermomécaniques. Les expériences ont révélé un comportement rheofluidisant. L'ensemble de ces résultats montre que les PCME sont des candidats prometteurs pour les applications à la climatisation.