Prédiction des propriétés thermophysiques des fluides frigorigènes de nouvelle génération

par Rémi Fauve

Projet de thèse en Energétique et procédés

Sous la direction de Christophe Coquelet, Bernard Rousseau et de Céline Houriez.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Energétique et Procédés (laboratoire) , CTP - Centre Thermodynamique des Procédés (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Contexte et enjeux Dans le contexte de la réduction des émissions de gaz à effet de serre, le développement et l'étude des fluides frigorigènes à faible Potentiel de Réchauffement Global (PRG) est crucial. En ce qui concerne les gaz fluorés, les fluoropropènes tels que HFO-1234yf ou HFO-1233zd, par exemple, sont actuellement considérés comme réfrigérants à faible PRG. Ces composés sont considérés comme purs ou en tant que composants de mélanges réfrigérants. La connaissance de leurs propriétés thermophysiques est d'une grande importance pour la conception et l'optimisation des systèmes thermodynamiques tels que les systèmes de climatisation et de réfrigération. Par exemple, dans la conception de l'échangeur de chaleur, la connaissance des propriétés thermodynamiques (masse volumique, capacité calorifique, ...) ainsi que la connaissance des propriétés de transport (viscosité et conductivité thermique) de fluides est indispensable. Cependant, on peut noter un manque de données expérimentales et en particulier concernant les propriétés de transport. Objectifs scientifiques Des propriétés importantes pour les réfrigérants, telles que les propriétés d'équilibre vapeur-liquide, les densités, les capacités calorifiques, les viscosités et les conductivités thermiques, seront prédites au moyen de techniques de simulation moléculaire à l'aide d'un champ de force adéquat. La capacité prédictive des champs de force existants pour les fluoropropènes sera examinée et ces champs de force seront étendus si nécessaire. En ce qui concerne la prédiction de la conductivité thermique, les approches de dynamique moléculaire (à l'équilibre et hors équilibre) seront comparées. Comme les conductivités thermiques sont très sensibles à la description des degrés de liberté internes des molécules, l'influence du champ de force utilisé sera étudiée en détail. Les résultats obtenus par la simulation moléculaire pour des diagrammes P-x-y, des densités et des propriétés de transport seront comparés avec les données disponibles dans la littérature. Les capacités calorifiques et les enthalpies de mélanges seront mesurées au CTP au cours de cette thèse et comparées à celles fournies par les simulations. Les données de capacités calorifiques seront très utiles pour évaluer la validité des champs de force utilisés dans les simulations moléculaires. Méthodes - Approche La dynamique moléculaire et les méthodes de Monte-Carlo seront utilisées pour la prédiction de données par simulation moléculaire. De nouveaux paramètres de champ de force seront déterminés en utilisant des calculs de chimie quantique. Les mesures concernant les capacités calorifiques et les enthalpies de mélanges se feront à l'aide d'un calorimètre Calvet C80 et / ou un microcalorimètre µDSC. Résultats attendus Les protocoles de calcul pour la détermination des propriétés thermophysiques des fluides frigorigènes seront définis (la qualité du champ de force, la méthode utilisée, et les conditions de la simulation). Un effort particulier sera consacré pour l'obtention des résultats fiables pour les propriétés de transport, notamment la conductivité thermique. Les résultats expérimentaux obtenus concernant les capacités calorifiques seront utilisés pour valider les champs de force.

  • Titre traduit

    Prediction of thermophysical properties of new-generation refrigerants


  • Résumé

    Context In the context of reduction of global greenhouse gas emissions, the development and study of refrigerants with low global warming potential (GWP) is crucial. Concerning the fluorinated gases, fluoropropenes such as HFO-1234yf or HFO-1233zd, for instance, are currently regarded as promising low-GWP refrigerants. These compounds are considered as pure or as components of refrigerant blends. The knowledge of their thermophysical properties is of great importance to design and optimize thermodynamic systems such as air-conditioning and refrigeration systems. For instance, in the heat exchanger design, the knowledge of both thermodynamic (density, heat capacity…) and transport properties (viscosity and thermal conductivity) of fluids is needed. However, we can note a lack of experimental data for fluoropropenes, particularly concerning transport properties. Scientific objectives Relevant properties for refrigerants, such as vapor-liquid equilibrium properties, densities, heat capacities, viscosities, and thermal conductivities, will be predicted by means of molecular simulation techniques using an adequate force field. The predictive ability of existing force fields for fluoropropenes will be considered and these force fields will be extended if needed. Concerning the prediction of thermal conductivity, which is still challenging, equilibrium and non-equilibrium molecular dynamics approaches will be compared. As thermal conductivities are very sensitive to the description of internal degrees of freedom of molecules, the influence of the force field used will be investigated in depth. The results obtained in molecular simulation for P-x-y diagrams, densities and transport properties will be compared with data available in literature. Heat capacities and mixing enthalpies of these mixtures will be measured at CTP during this thesis and compared to the ones provided by simulations. Heat capacity data will be very useful to assess the validity of the force fields used in molecular simulations. Methods and Approach Molecular dynamics and Monte-Carlo methods will be used for data prediction by molecular simulation. New force field parameters will be determined by using quantum chemistry calculations. Heat capacity and mixing enthalpy measurements will be done by using a Calvet C80 calorimeter and/or a µDSC microcalorimeter. Expected results Computational protocols to calculate accurately thermophysical properties of refrigerants will be defined (force field quality, method used, and conditions of the simulation). A particular effort will be devoted to obtain reliable results for transport properties, in particular thermal conductivity. Heat capacity measurements will be used to validate force fields.