Système de réfrigération hybride comportant un échangeur membranaire innovant

Hybrid refrigeration system with a novel membrane exchanger

• Auteur / Autrice : Rasha Mustapha
• Direction : Assaad Zoughaib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et procédés
• Date : Soutenance le 15/11/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Fournaison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Assaad Zoughaib, Khalil El Khoury, Kamel Ghali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Predrag Hrnjak, Vincent Lemort

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Transfert de masse

Systèmes dynamiques hybrides

Perméabilité

Matériaux

Membranes (technologie)

Économies d'énergie

Mots clés libres

Systèmes hybrides

Échangeurs de chaleur et de masse

Membranes

Desiccant liquide

Performances saisonnières

Efficacité de l'énergie

Hybrid systems

Heat and mass exchangers

Membranes

Liquid desiccant

Seasonal performance

Energy efficiency

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une méthodologie et un outil de modélisation pour concevoir des systèmes hybrides de réfrigération et de climatisation à haute performance, abordables et flexibles. Il se concentre sur des systèmes hybrides basés sur le couplage d'un cycle de dessiccation et un cycle de compression de vapeur permettant un contrôle efficace de l'humidité dans les applications de climatisation et un fonctionnement sans givre dans les applications de réfrigération. Le travail a été développé pour étudier une nouvelle conception d'un échangeur membranaire de chaleur et de masse à l'aide de membranes originales et d'une nouvelle conception liée à la distribution de liquide. La conception tire parti des matériaux à faible coût qui sont testés expérimentalement à l'aide d'une nouvelle méthodologie pour déduire leur perméabilité de la vapeur d'eau qui affecte significativement le transfert de masse. Un prototype de l'échangeur membranaire proposé est alors construit et une approche de modélisation des phénomènes de transfert de chaleur et de masse est développée et appuyée par des caractérisations expérimentales. Ce modèle est ensuite utilisé pour étudier l'intérêt énergétique de l'intégration de ces échangeurs dans les applications de climatisation et pour concevoir une architecture flexible capable de faire face à la variation saisonnière du rapport de charge latente à sensible. Les résultats montrent que le système hybride étudié présente des solutions alternatives prometteuses comparé aux cycles conventionnels, où ils peuvent améliorer de façon significative les performances et réduire la consommation d'électricité.

The major objective of this thesis is to propose a methodology and a modeling tool to design high performance, affordable and flexible hybrid refrigeration and air conditioning systems. It focuses on hybrid systems based on coupling a desiccant cycle with a vapor compression cycle allowing an efficient humidity control in air conditioning applications and a frost free operation in refrigeration applications. The work was developed to investigate a novel design of a membrane based heat and mass exchanger using original membrane materials and new design related to liquid distribution. The design takes advantage of materials with low cost that are experimentally tested using a new methodology to infer their water vapor permeability that greatly affects the mass transfer. A prototype of the designed membrane exchanger is then built and a modeling approach of the heat and mass transfer phenomena is developed and is supported by experimental characterization. This model is then used to study the energy interest of the integration of these exchangers in air conditioning applications and to design a flexible architecture able to cope with the seasonal variation of the latent to sensible load ratio. The results show that the studied hybrid system present promising alternatives for conventional cycles where they can significantly improve the performance and decrease the consumption of electricity.