Étude théorique et expérimentale des évaporateurs de CO[indice inférieur 2] opérant dans des conditions de givrage

Les évaporateurs de réfrigération sont surtout du type tube à ailettes, appelés serpentins, et fonctionnent dans l'une des conditions suivantes : sèche, humide ou avec formation de givre. Il a été démontré que la formation du givre sur la paroi extérieure de l'échangeur engendre une surconsommation énergétique à cause des opérations de dégivrage puisque 15 à 20% seulement de la chaleur produite sert au dégivrage tandis que le reste est dissipée dans l'environnement [1]. Avec l'avènement des nouveaux réfrigérants, moins nocifs envers l'environnement, l'industrie du froid se trouve pénalisée du fait que peu ou pas de composantes mécaniques (compresseur, pompe, échangeur...etc.) adaptées sont disponibles [3]. Il s'agit pour la communauté des frigoristes de combler ce retard technologique en redéveloppant ces composantes mécaniques afin qu'elles soient adaptées aux nouveaux réfrigérants. Dans cette optique, et afin de mieux comprendre le comportement thermique des évaporateurs au CO 2 fonctionnant dans des conditions sèches, qu'un groupe de chercheurs du CanmetENERGIE avaient lancé, en 2000, un programme de R & D. Dans le cadre de programme un outil de simulation des évaporateurs au CO2 a été développé et un banc d'essai contenant une boucle secondaire de réfrigération utilisant le CO2 comme réfrigérant a été construit. Comme continuité de ce travail de recherche, en 2006 ce même groupe de recherche a lancé un nouveau projet qui consiste à faire une étude théorique et expérimentale des évaporateurs au CO 2 opérants dans des conditions de givrage. Et, c'est exactement dans le cadre de ce projet que se positionne ce travail de thèse. Ce travail de recherche a été entrepris pour mieux comprendre le comportement thermique et hydrodynamique des serpentins fonctionnant dans des conditions de givrage, l'effet des circuits de réfrigérant ainsi que celui des paramètres géométriques et d'opération. Pour cela, un travail théorique supporté par une étude expérimentale a été effectué. Dans la partie théorique, un modèle traitant les aspects thermique, hydrodynamique et massique a été élaboré. Sur la base de ce modèle a été écrit un programme informatique en langage FORTRAN 6.6. Il est basé sur la discrétisation du serpentin en volumes de contrôle, est entièrement automatisé et peut traiter des échangeurs de chaleur avec des circuits de réfrigérant complexes pouvant avoir des entrées et sorties multiples ainsi que des bifurcations. La présence simultanée des trois phases thermodynamiques du réfrigérant (liquide sous refroidi, fluide saturé, vapeur surchauffée) dans le serpentin est aussi prise en charge. Le modèle a été validé pour un fonctionnement avec et sans formation de givre en utilisant des données expérimentales disponibles dans la littérature et celles obtenues sur le banc d'essai de CanmetENERGIE. Celui-ci a été mis à jour pour les besoins de la présente recherche et pour cela, un système de surchauffe et d'injection de la vapeur d'eau dans une enceinte à très basse température a été dimensionné, fabriqué et installé. Un dispositif de visualisation de la formation de givre, ainsi qu'un équipement de mesure de la température, de la pression et de l'humidité relative de l'air ont aussi été ajoutés. Une fois le modèle validé, des simulations numériques sur le serpentin avec et sans formation de givre ont été effectuées. Un premier cas de base a servi comme référence pour d'autres cas pour lesquels une étude paramétrique sur la géométrie et le fonctionnement a été menée. Il a été montré par rapport au cas de base que : 1. la diminution de la densité des ailettes sur des rangées spécifiques du serpentin donne une surface minimale (Amin ) plus grande, retardant ainsi l'obstruction totale du serpentin par le givre et permet donc un temps de fonctionnement plus grand et une fréquence de dégivrage plus faible. 2. une bonne configuration de circuit de réfrigérant augmente le temps de fonctionnement du serpentin de 200 % et délivre une puissance frigorifique moyenne supérieures de 20 % par rapport à celle du cas de base. 3. la diminution de la température de l'air à l'entrée du serpentin entraîne une diminution du temps de fonctionnement et augmente la fréquence de dégivrage alors que la diminution de l'humidité relative de l'air à l'entrée augmente le temps de fonctionnement et réduis la fréquence de dégivrage. 4. le débit massique de l'air est un paramètre très important qu'il faut choisir et déterminer avec beaucoup de soin afin de ne pas sérieusement affecter le temps de fonctionnement du serpentin. Les résultats issus de ce travail de recherche ont fait l'objet de trois publications dans des revues internationales [4-6] et de deux présentations dans des conférences spécialisées [7,8]."--Résumé abrégé par UMI

Étude théorique et expérimentale des évaporateurs de CO[indice inférieur 2] opérant dans des conditions de givrage

Les évaporateurs de réfrigération sont surtout du type tube à ailettes, appelés serpentins, et fonctionnent dans l'une des conditions suivantes : sèche, humide ou avec formation de givre. Il a été démontré que la formation du givre sur la paroi extérieure de l'échangeur engendre une surconsommation énergétique à cause des opérations de dégivrage puisque 15 à 20% seulement de la chaleur produite sert au dégivrage tandis que le reste est dissipée dans l'environnement [1]. Avec l'avènement des nouveaux réfrigérants, moins nocifs envers l'environnement, l'industrie du froid se trouve pénalisée du fait que peu ou pas de composantes mécaniques (compresseur, pompe, échangeur...etc.) adaptées sont disponibles [3]. Il s'agit pour la communauté des frigoristes de combler ce retard technologique en redéveloppant ces composantes mécaniques afin qu'elles soient adaptées aux nouveaux réfrigérants. Dans cette optique, et afin de mieux comprendre le comportement thermique des évaporateurs au CO 2 fonctionnant dans des conditions sèches, qu'un groupe de chercheurs du CanmetENERGIE avaient lancé, en 2000, un programme de R & D. Dans le cadre de programme un outil de simulation des évaporateurs au CO2 a été développé et un banc d'essai contenant une boucle secondaire de réfrigération utilisant le CO2 comme réfrigérant a été construit. Comme continuité de ce travail de recherche, en 2006 ce même groupe de recherche a lancé un nouveau projet qui consiste à faire une étude théorique et expérimentale des évaporateurs au CO 2 opérants dans des conditions de givrage. Et, c'est exactement dans le cadre de ce projet que se positionne ce travail de thèse. Ce travail de recherche a été entrepris pour mieux comprendre le comportement thermique et hydrodynamique des serpentins fonctionnant dans des conditions de givrage, l'effet des circuits de réfrigérant ainsi que celui des paramètres géométriques et d'opération. Pour cela, un travail théorique supporté par une étude expérimentale a été effectué. Dans la partie théorique, un modèle traitant les aspects thermique, hydrodynamique et massique a été élaboré. Sur la base de ce modèle a été écrit un programme informatique en langage FORTRAN 6.6. Il est basé sur la discrétisation du serpentin en volumes de contrôle, est entièrement automatisé et peut traiter des échangeurs de chaleur avec des circuits de réfrigérant complexes pouvant avoir des entrées et sorties multiples ainsi que des bifurcations. La présence simultanée des trois phases thermodynamiques du réfrigérant (liquide sous refroidi, fluide saturé, vapeur surchauffée) dans le serpentin est aussi prise en charge. Le modèle a été validé pour un fonctionnement avec et sans formation de givre en utilisant des données expérimentales disponibles dans la littérature et celles obtenues sur le banc d'essai de CanmetENERGIE. Celui-ci a été mis à jour pour les besoins de la présente recherche et pour cela, un système de surchauffe et d'injection de la vapeur d'eau dans une enceinte à très basse température a été dimensionné, fabriqué et installé. Un dispositif de visualisation de la formation de givre, ainsi qu'un équipement de mesure de la température, de la pression et de l'humidité relative de l'air ont aussi été ajoutés. Une fois le modèle validé, des simulations numériques sur le serpentin avec et sans formation de givre ont été effectuées. Un premier cas de base a servi comme référence pour d'autres cas pour lesquels une étude paramétrique sur la géométrie et le fonctionnement a été menée. Il a été montré par rapport au cas de base que : 1. la diminution de la densité des ailettes sur des rangées spécifiques du serpentin donne une surface minimale (Amin ) plus grande, retardant ainsi l'obstruction totale du serpentin par le givre et permet donc un temps de fonctionnement plus grand et une fréquence de dégivrage plus faible. 2. une bonne configuration de circuit de réfrigérant augmente le temps de fonctionnement du serpentin de 200 % et délivre une puissance frigorifique moyenne supérieures de 20 % par rapport à celle du cas de base. 3. la diminution de la température de l'air à l'entrée du serpentin entraîne une diminution du temps de fonctionnement et augmente la fréquence de dégivrage alors que la diminution de l'humidité relative de l'air à l'entrée augmente le temps de fonctionnement et réduis la fréquence de dégivrage. 4. le débit massique de l'air est un paramètre très important qu'il faut choisir et déterminer avec beaucoup de soin afin de ne pas sérieusement affecter le temps de fonctionnement du serpentin. Les résultats issus de ce travail de recherche ont fait l'objet de trois publications dans des revues internationales [4-6] et de deux présentations dans des conférences spécialisées [7,8]."--Résumé abrégé par UMI

A new modeling procedure for circuit design and performance prediction of evaporator coils using CO2 as refrigerant

The replacement of environmentally damaging synthetic refrigerants due to their ODP or GWI potential by natural refrigerants such as CO2 is now up in the research agenda. Moreover, current energy supply concerns make of efficiency another first priority issue to dictate new stringent design criteria for industrial and commercial equipment. Heat exchangers are the most important components in refrigeration systems where they are used as evaporators or condensers and their design and operation have a considerable impact on overall system performance. Hence, it is important to better understand their thermal and hydrodynamic behaviour in order to improve their design and operation. Numerical simulation represents a very efficient tool for achieving this objective. In this paper, a new modeling approach, accounting for the heat transfer the hydrodynamics of the problem and intended to predict the dynamic behaviour of a refrigeration coil under dry conditions is proposed. A related FORTRAN program was developed, allowing the study of a large range of complex refrigerant circuit configurations. The equations describing these aspects are strongly coupled, and their decoupling is reached by using an original method of resolution. Circuits may have several inlets, outlets, bifurcations and feed one or several other tubes inlets. The coil was subdivided into several elementary control volumes and its analysis provided detailed information in X, Y and Z directions. Validation was performed with data from a CO2 secondary refrigeration loop test bench built in CanmetENERGY Laboratories. These data were predicted satisfactorily over the operating range corresponding to refrigeration applications. Exemplary simulations were then performed on an evaporator typically employed in supermarkets, showing the effect of circuiting on operation and performance. Even though circuiting is common practice in refrigeration this simulation shows that care must be exercised in making the selection. A two-circuit configuration was chosen for analysis in this investigation. In terms of capacity and heat transfer, it was shown that the two circuits were well balanced in terms of pressure drop and heat transfer capacity. Low CO2 pressure drop resulted in reduced temperature glide as compared to a single circuit.Heat exchangers Refrigeration Simulation Carbon dioxide Modeling Circuiting