Dispositif d'accumulation de froid intégré au cycle à compression de vapeur

Cold storage device integrated into the vapour compression cycle

• Auteur / Autrice : Maria Aurely Yedmel
• Direction : Anthony Delahaye
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingéniérie des systèmes complexes
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FRISE - Génie des Procédés Frigorifiques pour la Sécurité alimentaire et l'Environnement- UR INRAE Antony
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec

Mots clés

Mots clés libres

Transfert thermique

Froid

Energie

Cycle à compression vapeur

Innovation technologique

Matériaux à changement de phase

Heat transfer

Cold

Energy

Vapour compression cycle

Technological innovation

Pcm

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Européen ENOUGH qui vise à réduire les émissions de GES dans la chaîne alimentaire d'au moins 50 % d'ici 2050 et d'atteindre la neutralité climatique pour les entreprises alimentaires en réduisant la consommation d'énergie et en augmentant l'efficacité énergétique d'ici 2030. En effet, les systèmes alimentaires sont globalement responsables d'environ 21 à 37 % des émissions totales de gaz à effet de serre (GES). Le stockage d'énergie dans ce contexte permet la mise en place de stratégies d'effacement électrique et facilite l'usage des sources d'énergie renouvelables, le plus souvent intermittentes. La thèse a pour objectif d'étudier un dispositif de stockage froid intégré à un cycle de réfrigération à compression de vapeur. Le principe consiste à ajouter un composant à la boucle frigorifique ayant la capacité de stocker le froid lorsqu'on le souhaite et de le restituer à l'évaporateur lors de phases de déstockage. L'avantage d'intégrer l'accumulateur dans la boucle frigorifique réside dans le fait que les transferts thermiques s'effectuent alors directement entre le frigorigène et le matériau de stockage de froid, améliorant ainsi l'efficacité du système. La circulation du fluide lors des phases de déstockage repose sur le principe du thermosiphon, permettant un fonctionnement sans pompe additionnelle. Des premiers essais de faisabilité ont montré l'efficacité de la technologie. La thèse a pour objectif d'optimiser le composant et le circuit reliant celui-ci à l'évaporateur, en recherchant les conditions les plus favorables au fonctionnement efficace du thermosiphon et une géométrie optimale de l'architecture interne de l'accumulateur permettant un stockage rapide à haute densité énergétique. Un enjeu important est la maîtrise de l'écoulement généré par l'effet thermosiphon afin de maximiser le débit circulant de frigorigène permettant de transporter le froid de l'accumulateur vers l'évaporateur. De nombreux paramètres influent sur ce débit : différence de hauteur entre les composants, diamètres et inclinaisons des tubes, présence de perte de charge singulières (coudes, vannes…), transferts thermiques dans les échangeurs, quantité de frigorigène dans la boucle… Une boucle expérimentale comprenant un cycle à compression de vapeur et le dispositif d'accumulation et permettant la caractérisation de l'influence des différents paramètres définissant l'architecture du système sera développée. Un travail de modélisation des transferts thermiques internes à l'accumulateur sera également entrepris afin d'optimiser la conception de ce composant. Les matériaux à changement de phase ayant une conductivité thermique limitée, la géométrie de l'échangeur-accumulateur doit être conçue de manière à intensifier les transferts thermiques et permettre un stockage ou déstockage efficace et rapide. La modélisation numérique couplée à une validation expérimentale donnera la possibilité d'explorer un large éventail de solutions et de définir les meilleures configurations géométriques. Enfin une caractérisation des performances du système optimisé pour différentes applications et l'évaluation de son impact potentiel sur les émissions de CO2 sera effectuée.

This thesis is part of the European project ENOUGH which aims to reduce GHG emissions in the food chain by at least 50% by 2050 and achieve climate neutrality for food companies by reducing energy consumption and increasing energy efficiency by 2030. Indeed, food systems globally are responsible for around 21-37% of total greenhouse gas (GHG) emissions. Energy storage in this context allows the implementation of load-shedding strategies and facilitates the use of renewable energy sources, most often intermittent. The thesis aims to study a cold storage device integrated into a vapour compression refrigeration cycle. The principle consists in adding a component to the refrigeration loop having the capacity to store cold when desired and to return it to the evaporator during the destocking phases. The advantage of integrating the accumulator into the refrigeration loop lies in the fact that the heat transfers then take place directly between the refrigerant and the cold storage material, thus improving the efficiency of the system. The circulation of the fluid during the destocking phases is based on the principle of the thermosyphon, allowing operation without an additional pump. Initial feasibility tests have shown the effectiveness of the technology. The thesis aims to optimize the component and the circuit connecting it to the evaporator, by seeking the most favourable conditions for the efficient operation of the thermosyphon and an optimal geometry of the internal architecture of the accumulator allowing fast storage with high energy density. An important issue is the control of the flow generated by the thermosyphon effect in order to maximize the circulating flow of refrigerant allowing the cold to be transported from the accumulator to the evaporator. Many parameters influence this flow: difference in height between the components, diameters and inclinations of the tubes, presence of singular pressure drops (bends, valves, etc.), heat transfers in the exchangers, the quantity of refrigerant in the loop, etc. An experimental loop including a vapour compression cycle and the accumulation device and allowing the characterization of the influence of the various parameters defining the architecture of the system will be developed. Modelling work on the heat transfers internal to the accumulator will also be undertaken in order to optimize the design of the component. Since phase change materials have limited thermal conductivity, the geometry of the heat exchanger-accumulator must be designed to intensify heat transfer and allow efficient and rapid storage and retrieval. Modelling coupled with experimental validation will allow exploring a wide range of solutions and defining the best geometric configurations. Finally, a characterization of the system's performance optimized for different applications and the evaluation of its potential impact on CO2 emissions will be carried out.