Étude des caractéristiques thermiques et hydrodynamiques de coulis de glace

Abstract

Les matériaux à changement de phase solide-liquide sont de plus en plus utilisés pour le stockage et le transport de l’énergie de manière efficace en bénéficiant de la chaleur latente de changement d’état. Parmi ces matériaux figure le coulis de glace utilisé comme fluide frigoporteur dans les boucles de refroidissement secondaires. Il offre de nombreux avantages vis-à-vis des fluides conventionnels dans le transport de l’énergie et l’amélioration des transferts de chaleur dans les échangeurs. La conception d’installations utilisant le coulis de glace nécessite la connaissance de ses caractéristiques thermo-hydrodynamiques. Plusieurs travaux ont été réalisés, mais une divergence a été observée dans les résultats et opinions étant donné la complexité des mécanismes de transfert de chaleur due aux régimes d’écoulement et à la dynamique de changement de phase. Dans cette thèse, un modèle CFD 3D qui considère le coulis de glace comme un fluide Newtonien monophasique ayant des propriétés effectives qui dépendent de la concentration en glace a été développé et utilisé pour simuler l'écoulement du coulis de glace dans des conduites isothermes et chauffées. Le modèle qui tient compte de la fusion, la flottaison et la diffusion-convection des particules de glace, a été validé à l’aide des résultats de la littérature et des mesures réalisées avec le montage disponible à CanmetENERGY à Varennes, Québec, Canada. Malgré la relative simplicité de ce modèle (comparé aux modèles à deux phases utilisées ailleurs), sa solution numérique donne des résultats qui reflètent correctement les observations expérimentales.

Abstract: Solid-liquid phase change materials are increasingly being used for energy storage and transport in an efficient manner, taking advantage of the latent heat of phase change. Among these materials is the ice slurry used as a coolant in the secondary cooling loops. It offers many advantages over conventional fluids in the transport of energy and the improvement of heat transfer in heat exchangers. The design of installations using ice slurry requires knowledge of its thermo-hydrodynamic characteristics. Several studies have been carried out, but a discrepancy has been observed in the results and opinions given the complexity of heat transfer mechanisms due to flow regimes and phase change dynamics. In this thesis, a 3D CFD model which treats the ice slurry as a Newtonian fluid with effective properties depending on the local ice fraction has been developed and used to simulate ice slurry flow in both isothermal and heated pipes. The model, which considers the melting, settling and convection-diffusion of ice particles, has been validated using literature results and measurements made with the test bench available at CanmetENERGY in Varennes, Québec, Canada. Despite the relative simplicity of this model (compared to the two-phase models used elsewhere), its numerical solution gives results which correctly reflect experimental observations.