Etude des transferts de chaleur d'un fluide frigoporteur diphasique à changement de phase liquide-solide dans un échangeur à plaques lisses

= Heta transfert study of two-phase secondary refrigerant with liquid-solid pahse in plane plate heat exchanger

• Auteur / Autrice : Hélène Demasles
• Direction : André Lallemand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et thermique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides frigorigènes

Mélanges complexes

Transfert de chaleur

Résumé

Ce travail porte sur l'étude des échanges thermiques d'un mélange diphasique, composé de particules d'eau en suspension dans de l'huile siliconée en circulation dans une boucle fermée. L'eau, contenue dans une matrice poreuse en polymère, est congelée par passages successifs dans un échangeur à plaques lisses. L'analyse des données de la littérature concernant la thermo-hydraulique de ces fluides dans les échangeurs montre des lacunes importantes en terme de données expérimentales et de méthodes prédictives pour le calcul des coefficients de transfert et de perte de pression. Les résultats expérimentaux, issus de bilans globaux sur la section d'essais, mettent en évidence l'effet dopant des particules sur le coefficient d'échange. Avant le changement de phase, les effets micro-convectifs des particules en rotation sur elles-mêmes améliorent le coefficient d'échange de 135 %. Une amélioration supplémentaire comprise entre 100 et 1500 % apparaît lors du changement de phase. Les fluctuations observées suivant les essais sont certainement provoquées par la formation d'un lit due aux faibles vitesses d'écoulement. Les résultats du modèle montrent que les particules agissent comme des sources lorsqu'elles libèrent leur chaleur latente : elles bloquent la descente en température. Le gradient de température en paroi restant élevé, les échanges thermiques sont améliorés par rapport à un fluide monophasique. Lors de la congélation des particules, la rhéologie de la suspension varie fortement. La distribution des particules dans l'écoulement est certainement modifiée entraînant une détérioration très importante des transferts thermiques. Une étude rhéologique approfondie de la suspension est nécessaire pour une meilleure compréhension des phénomènes observés, mais ces premiers résultats montrent déjà un gain énergétique important apporté par les particules sur une gamme de température comprise entre 0 et -6°C.

The purpose of the work is to study diphasique mixture heat exchange composed of water particles suspended in siliconed oil circulating in a closed loop. Water, contained in polymer porous matrix, is freezing by successive passages in plane plate heat exchanger. Thermo-hydraulic literature data analysis about these fluids in exchangers shows important blanks in exchange coefficient and pressure drop forecast methods and in experimental data. Experimental results, issued of global energy balance on a test section specifically conceived and made for this study, show doping effect on exchange coefficient. Before phase change, microconvective effects of rotating particles improve exchange coefficient of 2,3 factor. Supplementary enhancement included between 2 and 16 appeared during phase change. Trial measured discrepancy are certainly induced by bed layer formation due to low flow speed. At the end of particle freezing, when latent heat is not involved anymore in exchange enhancement, important heat transfer reduction is observed. This is attributed to the cooling suspension rheological evolution and the change of flow particle distribution. Modelling results corroborate heat exchange improvement due to phase change : particles act as sources when discharging there latent heat. They stop fluid temperature dropping and enable to keep a high wall temperature gradient. A deepened suspension rheological study is necessary for a better understanding of observed phenomenon, nevertheless these first results show already an important energetic profit brings by particles in range temperature of 0 and –6 °C.