Comportement thermohydraulique d'un fluide frigoporteur diphasique : le coulis de glace : étude théorique et expérimentale

par Mohamed Ali Ben Lakhdar

Thèse de doctorat en Thermique et énergétique

Sous la direction de André Lallemand.

Soutenue en 1998

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Ce travail porte sur l'étude thermohydraulique d'un mélange diphasique solide-liquide, composé de particules de glace en suspension dans une solution aqueuse d'éthanol, utilisé comme fluide frigoporteur dans une boucle de refroidissement indirect. Les caractéristiques thermophysiques du mélange diphasique ainsi que celles de la solution résiduelle sont calculées à partir des propriétés d'un mélange idéal de corps purs corrigées par une fonction d'excès, et prolongées au domaine diphasique par l'utilisation de relations empiriques. La méthode de calcul fait l'objet d'un programme informatique. La production du coulis de glace au niveau d'un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR) est caractérisée thermiquement par des corrélations semi-empiriques qui permettent de prédire le nombre de Nüsselt avec une incertitude maximale de ± 15 %. Différents mécanismes (formation d'une couche de glace compacte ou dendritique) peuvent expliquer l'influence importante de la concentration en éthanol sur les transferts thermiques au sein de L'ECSR. Des phénomènes de surfusion et de décollement de plaques de glace ont aussi été mis en évidence. L'utilisation du coulis de glace au niveau d'un tube en cuivre soumis à une densité de flux de chaleur imposée et représentant un élément d'échangeur de chaleur, est caractérisée thermiquement par des corrélations semi empiriques qui permettent de déterminer localement le nombre de Nüsselt avec une incertitude de ± 13 %. Par rapport à un mélange monophasique, le coefficient d'échange est multiplié par un facteur supérieur à 5, lorsque la fraction massique en glace passe de 0 à 0,28. Au delà de cette fraction en glace le coefficient d'échange n'augmente plus. Un modèle local tridimensionnel d'écoulement et de transfert thermique basé sur les équations de bilan a été mis en œuvre à l'aide du code de calcul PHOENICS. Si les résultats pour un fluide monophasique sont validés par l'expérience, par contre ceux obtenus pour le fluide diphasique, traité comme un fluide monophasique équivalent, conduisent à des résultats trop éloignés de la réalité.

  • Titre traduit

    = Thermal hydraulic behaviour of a two-phase mixture : the ice slurry : theoretical and experimental study


  • Résumé

    This work concerns the thermal-hydraulic study of a two phase solid-liquid mixture, constituted by a suspension of fine ice particles in an aqueous solution, used as a secondary refrigerant in an indirect cooling loop. The thermophysical properties of the two phase mixture and those of the residual solution are calculated from properties of an ideal mixture of pure compounds corrected by a function of excess, and prolonged in the two phase domain with empirical correlations. A computer program has been developed in order to calculate these properties. The production of the ice slurry in a Scraped Surface Heat Exchanger (SSHE) is characterized thermally by semi-empiric correlations that permit to predict the Nüsselt number within 15 %. Different mechanism (formation of a compact ice layer or dendritic) can exp lain the influence of the ethanol concentration on the thermal transfers within the SSHE. Phenomena of supercooling and detachment of ice plates have also been shown. The ice slurry flow in a copper pipe submitted to a constant wall heat flux and representing an element of heat exchanger is characterized thermally by semi empiric correlations that permit to predict the local Nüsselt number within 13 %. Compared to a single phase, the heat transfer coefficient is multiplied by a factor greater than five, when the mass ice fraction increases by 0 to 0. 28. Beyond this ice fraction the heat exchange coefficient doesn’t increase anymore. A local three dimensional model of flow and heat transfer based on equations of balance has been developed by using a computational fluid dynamics code (PHOENICS). If the results for a single phase fluid are validated by the experience, on the other hand those obtained for the ice slurry give some results too distant from the reality

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Informations

  • Détails : 1 vol. (271 p.p
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2200)
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