Développement simultané en convection mixte laminaire dans une conduite avec un flux de chaleur non uniforme sur sa surface externe cas avec et sans ailettes

Le travail consiste en une étude numérique de la convection mixte d'un écoulement en développement simultané à l'intérieur d'une conduite horizontale ou inclinée avec un flux de chaleur non uniforme sur sa surface externe dans les cas : avec ou sans ailettes longitudinales. Le fluide est Newtonien dit incompressible avec des propriétés constantes sauf dans le terme de gravité où l'hypothèse de Boussinesq est adoptée. L'écoulement est laminaire en régime permanent. La dissipation visqueuse ainsi que la diffusion axiale de la quantité du mouvement et de la chaleur ont été négligées. Les équations de Navier Stokes sont ainsi du type parabolique suivant la direction principale de l'écoulement et elliptiques suivant les deux autres directions: radiale et azimutale. Les équations différentielles ont été intégrées et discrétisées selon l'approche des volumes finis. Afin de s'assurer que les vitesses dans le solide sont négligeables, les coefficients de diffusion de la quantité du mouvement dans le solide doivent tendre vers l'infini. Dans les deux premières parties des résultats (chapitre 4 et 5), les principaux objectifs consistent en la démonstration des effets de la conduction pariétale, des conditions aux limites thermiques non uniformes et de ces deux effets simultanément sur le transfert thermique et l'écoulement. Le rôle important que joue la paroi dans le transfert thermique par convection mixe a été clairement montré. Dans la zone de développement de la couche limite thermique, il a été constaté que pour les conduites présentant une bonne conductivité thermique (kp élevé), la température à l'interface solide-fluide a tendance à s'uniformiser suivant la circonférence. Cependant, pour des conduites à faible kp, le profil circonférentiel du flux thermique imposé à la surface externe a tendance à se maintenir au niveau de l'interface. Dans les cas du cuivre et de l'acier, à partir d'une certaine position axiale, bien que le flux de chaleur soit incident uniquement sur la moitié supérieure de la conduite, la plus grande part de l'énergie est transmise au fluide par la moitié inférieure de l'interface. Il existe une position axiale à laquelle les deux moitiés de l'interface transmettent au fluide la même part d'énergie imposée à l'extérieur (50% pour chacune). Par contre, dans une conduite en verre, la chaleur est transmise principalement par le haut, ce qui a conduit à une faible intensité des mouvements secondaires, et le phénomène de la stratification de la température est dominant. Dans le chapitre 6 et 7, des ailettes longitudinales ont été introduites sur la surface externe de la conduite, les échanges thermiques avec le milieu extérieur sont alors considérés."--Résumé abrégé par UM

Direct expansion ground source heat pump using carbon dioxide as refrigerant: Test facility and theoretical model presentation

In an attempt to address recent challenges on using natural refrigerants and to develop further knowledge and expertise in the field of direct expansion ground source heat pump (DX-GSHP), an experimental transcritical carbon dioxide (CO2) test bench was built at CanmetENERGY Research Laboratory. A previously developed theoretical model of the system was modified and validated against a set of experimental results and adopted to investigate the system performance in a wide operating range. A parametric analysis was also performed using the theoretical model for understanding the system and at exploring the performance improvement actions for future installations. Validation results showed that the model predicts the experimentation very well within the uncertainty of the measurement. Furthermore, parametric analysis showed that improper control of some parameters such as gas cooler CO2 outlet temperature and discharge compressor pressure can degrade the system performance by up to 25% and the heat pump heating capacity by 7.5%

Carbon dioxide evaporation process in direct expansion geothermal boreholes

Ground Heat Exchangers (GHE) play an important role in the performance of Ground Source Heat Pumps (GSHP). The impact is even more significant in direct expansion GSHP (DX-GSHP) systems as the refrigerant used in the heat pump also acts as the heat transfer fluid for the GHE. In this study, several experiments were carried out to investigate the performance of GHEs in a carbon dioxide (CO2) DX-GSHP. The evaporation of CO2 in the GHE was studied under various mass flow rates and number of active boreholes. For this purpose, a transcritical CO2 DX-GSHP test facility was built and fully equipped at CanmetENERGY-Varennes research laboratory. It was found that a partial two-phase flow regime along the GHE decreases the performance compared to the full two-phase flow and it has to be avoided for more efficient DX-GSHP systems

Experimental Study Of An Ejector Refrigeration System

The aim of the present work is to experimentally study the possibility of improving the energy efficiency of a vapour compression refrigeration system where a two-phase ejector replaces the expansion valve. A test bench using refrigerant R134a was designed and built which functions in both the conventional mode and in ejector mode. The primary nozzle of the ejector was equipped with a double throat, having an adjustable area for the first throat and a fixed area for the second throat. Experimental results showed an improvement of 11% in the coefficient of performance (COP) in ejector mode as compared with the conventional mode. The role of the double throat in the primary nozzle as well as the behaviour of the pressure ratio and entrainment ratio parameters are discussed. A modified ejector refrigeration system using two evaporators is proposed as a means of improving the control stability and addressing the separator effectiveness limitations

Développement simultané en convection mixte laminaire dans une conduite avec un flux de chaleur non uniforme sur sa surface externe cas avec et sans ailettes

Le travail consiste en une étude numérique de la convection mixte d'un écoulement en développement simultané à l'intérieur d'une conduite horizontale ou inclinée avec un flux de chaleur non uniforme sur sa surface externe dans les cas : avec ou sans ailettes longitudinales. Le fluide est Newtonien dit incompressible avec des propriétés constantes sauf dans le terme de gravité où l'hypothèse de Boussinesq est adoptée. L'écoulement est laminaire en régime permanent. La dissipation visqueuse ainsi que la diffusion axiale de la quantité du mouvement et de la chaleur ont été négligées. Les équations de Navier Stokes sont ainsi du type parabolique suivant la direction principale de l'écoulement et elliptiques suivant les deux autres directions: radiale et azimutale. Les équations différentielles ont été intégrées et discrétisées selon l'approche des volumes finis. Afin de s'assurer que les vitesses dans le solide sont négligeables, les coefficients de diffusion de la quantité du mouvement dans le solide doivent tendre vers l'infini. Dans les deux premières parties des résultats (chapitre 4 et 5), les principaux objectifs consistent en la démonstration des effets de la conduction pariétale, des conditions aux limites thermiques non uniformes et de ces deux effets simultanément sur le transfert thermique et l'écoulement. Le rôle important que joue la paroi dans le transfert thermique par convection mixe a été clairement montré. Dans la zone de développement de la couche limite thermique, il a été constaté que pour les conduites présentant une bonne conductivité thermique (kp élevé), la température à l'interface solide-fluide a tendance à s'uniformiser suivant la circonférence. Cependant, pour des conduites à faible kp, le profil circonférentiel du flux thermique imposé à la surface externe a tendance à se maintenir au niveau de l'interface. Dans les cas du cuivre et de l'acier, à partir d'une certaine position axiale, bien que le flux de chaleur soit incident uniquement sur la moitié supérieure de la conduite, la plus grande part de l'énergie est transmise au fluide par la moitié inférieure de l'interface. Il existe une position axiale à laquelle les deux moitiés de l'interface transmettent au fluide la même part d'énergie imposée à l'extérieur (50% pour chacune). Par contre, dans une conduite en verre, la chaleur est transmise principalement par le haut, ce qui a conduit à une faible intensité des mouvements secondaires, et le phénomène de la stratification de la température est dominant. Dans le chapitre 6 et 7, des ailettes longitudinales ont été introduites sur la surface externe de la conduite, les échanges thermiques avec le milieu extérieur sont alors considérés."--Résumé abrégé par UM