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Différents types de fluides employés dans les systèmes frigorifiques
Le fonctionnement des machines frigorifiques requiert l’emploi de différents types de fluides : Les fluides frigorigènes pour la fabrication du froid et les fluides frigoporteurs pour son stockage et transport jusqu’au lieu d’utilisation dans les systèmes de réfrigération secondaire.
Fluides frigorigènes
Ils sont utilisés pour produire le froid dans les systèmes de réfrigération. Afin d’être performants, ils doivent posséder des propriétés thermodynamiques leurs permettant de s’évaporer et de se condenser aux températures et pressions requises par les applications visées. Il en existe différents types, parmi lesquels :
➤ les ChloroFluoroCarbures (CFC) : gaz fluorés interdits depuis le protocole de Montréal de 1987 en raison de leur impact sur la couche d’ozone ;
➤ les HydroChloroFluoroCarbures (HCFC) : gaz fluorés utilisées en remplacement des CFC, moins stables ce qui les rend un peu moins nocifs que ces derniers, néanmoins ayant un impact sur la couche d’ozone et étant considérés comme gaz à effet de serre ; appelés à une disparition d’ici 2030 (protocole de Copenhague) ;
➤ les HydroFluoroCarbures (HFC) : gaz non fluorés donc sans impact sur la couche d’ozone, mais présentant un potentiel de réchauffement (gaz à effet de serre) ; moins dangereux que ses prédécesseurs, il doit cependant rester sous contrôle et être confiné le plus possible de manière à éviter au maximum tout type de fuites
➤ les HydroFluoro-Oléfines (HFO) : nouveaux composés, non saturés (double liaison CC), les rendant très réactifs dans l’atmosphère et avec une durée de vie très limitée (inférieure à un mois), ce qui diminue fortement leur impact sur l’environnement ; leur pouvoir de réchauffement global (GWP) de l’ordre de 5 est nettement inférieur à celui des HFC (entre 100 et 8000) ; son principal inconvénient vient des produits issus de sa dégradation puisque sa décomposition forme de l’acide trifluoroacétique (TFA) potentiellement dangereux pour l’environnement lorsqu’il passe dans l’hydrosphère.
Les fluides frigoporteurs
Bien que les propriétés environnementales des fluides frigorigènes soient en constante amélioration ils ne sont pas encore neutres, d’où l’intérêt des fluides frigoporteurs. Ces derniers ont pour but de transporter le froid du lieu de production vers le lieu d’utilisation. Afin de remplir cet objectif, ils doivent posséder une forte densité énergétique et de bons coefficients de transfert de manière à emmagasiner et restituer facilement de grandes quantités de chaleur. Ils doivent de plus être non polluants et avoir une viscosité suffisamment faible pour diminuer les pertes par frottement le long des canalisations. Il en existe deux sortes (Fournaison et al., 2000): les monophasiques et les diphasiques.
Fluides monophasiques
Les fluides monophasiques échangent de la chaleur sensible avec le milieu à refroidir. Ils sont actuellement les plus utilisés en réfrigération secondaire. Il en existe de plusieurs types tels que les gaz comme l’azote pour le transport à basse température, ou encore les solutions aqueuses saturées en sels (saumures) comme le chlorure de sodium. Des mélanges d’eau et d’alcool comme le mono-éthylène glycol et le propylène glycol peuvent également être trouvés.
Fluides diphasiques
Ces fluides ont la particularité d’avoir simultanément deux phases en présence. Il en existe deux sortes : les mélanges liquide-vapeur et les mélanges liquide-solide comme les coulis de glace ou d’hydrates. Seuls les mélanges liquide-solide seront abordés dans cette thèse. Dans le cas des fluides liquide/solide, la phase solide est constituée de particules en suspension dans une phase liquide. Le transport des calories s’effectue ainsi de deux manières : par chaleur latente lors de la formation et la dissociation de la phase solide, mais également par chaleur sensible lors de l’élévation ou la diminution de température du fluide. Ils peuvent ainsi transporter beaucoup plus de chaleur par unité de volume que les fluides monophasiques. Par exemple, dans le cas des coulis de glace, l’enthalpie de fusion de la glace est de 333 kJ.kg-1, tandis que la chaleur sensible de l’eau liquide est de 4,18 kJ.kg-1 .K -1. La quantité de chaleur dégagée par chaleur latente est donc 80 fois plus importante que celle par chaleur sensible (pour une variation de température de 1 K). On comprend ainsi l’intérêt qu’apportent les fluides diphasiques par rapport aux monophasiques. La chaleur latente de fusion mise en œuvre lors de leur changement de phase en fait ainsi de bons candidats pour les systèmes de réfrigération secondaire.
Avantages et inconvénients des frigoporteurs
Les frigoporteurs monophasiques possèdent l’avantage d’être faciles à utiliser puisqu’ils circulent simplement dans la boucle du circuit secondaire en échangeant de l’énergie par chaleur sensible au niveau de l’échangeur. Les systèmes à frigoporteurs monophasiques ont une efficacité globale assez faible et nécessitent l’emploi de canalisations possédant un diamètre élevé et des débits importants pour assurer un échange thermique suffisant.
Les frigoporteurs diphasiques possèdent quant à eux une plus grande densité énergétique (Malek et al., 1991; Fournaison et al., 2000) ce qui permet de réduire les débits de circulation des fluides ainsi que le diamètre des canalisations. Selon la nature du fluide, les températures de changement de phase sont variées, leur permettant ainsi de s’adapter à des applications nécessitant des températures très différentes allant de la conservation des aliments (-5 °C) à la climatisation domestique (10 °C). Par contre, ces fluides présentent un inconvénient lié au procédé de formation de la phase solide, qui nécessite un surcout à la fois économique et énergétique. Il est ainsi possible de citer les matériaux à changements de phase microencapsulés, les coulis de glace mais également les coulis d‘hydrates de CO2 qui vont être plus amplement détaillés dans la suite de cette partie.
Il existe plusieurs types de fluides frigoporteurs diphasiques, parmi lesquels les coulis de glace et les coulis d’hydrates. La différence entre ces coulis réside dans les procédés de fabrication et leurs propriétés thermophysiques. Les coulis de glace sont formés à pression atmosphérique par des échangeurs de chaleur spéciaux. La formation des cristaux de glace qui en résulte est ensuite collectée par brossage ou raclage. Ils sont déjà utilisés dans certains secteurs comme le stockage du froid dans l’alimentaire. Les coulis d’hydrates de gaz peuvent quant à eux être formés par injection de gaz ou par refroidissement, à pressions modérées (1- 2 MPa). Ils peuvent donc s’affranchir des procédés de raclage brossage (énergivores et peu fiables), mais nécessitent une production et un fonctionnement sous pression. Néanmoins, les hydrates de CO2 présentent une chaleur latente de fusion (374 kJ.kg-1) supérieure à celle de la glace (333 kJ.kg-1), ce qui les rend très attractifs pour le stockage et le transport de froid.
Les hydrates
Définition
Différents types d’hydrates
Les hydrates également appelés clathrates, dont le nom provient du grec Klathron signifiant « barrière », sont des structures cristallines possédant la capacité de piéger des molécules. Ils sont composés de molécules liées entre elles par des liaisons hydrogènes formant des cages lors de leur cristallisation Figure 4. Ils sont alors capables lors de ce processus de piéger un grand nombre d’espèces moléculaires différentes.
Les hydrates se forment généralement à basses températures et pressions élevées. La structure des cages formées dépend de la molécule piégée, également appelée molécule invitée (Jeffrey et al., 1967; Englezos, 1993; Sloan, 1998; Sloan et al., 2008). En règle générale, la molécule hôte formant la cage est de l’eau cristallisée comparable à de la glace. La molécule piégée est souvent un gaz comme le méthane CH4, dans le cas des hydrates de gaz naturels. Ces hydrates peuvent se trouver à l’état naturel au fond des océans mais peuvent également se former dans les pipelines bloquant ainsi le passage du gaz. Dans ce cas les hydrates sont néfastes et l’objectif va être d’empêcher leur formation. Une autre molécule formant des hydrates est le CO2 (Delahaye et al., 2008; Jerbi et al., 2010). Il existe d’autres hydrates de sel qui se forment à pression atmosphérique, tels que le TBAB, TBPB et THF (Martinez, 2008; Mayoufi et al., 2010; Clain et al., 2011; Mayoufi et al., 2011). Il est également possible de les combiner avec des gaz, ils sont alors nommés hydrates mixtes.
Intérêts et inconvénients des Hydrates de gaz naturels
Contrairement aux hydrates de CO2 formés dans un dispositif expérimental comme présenté dans ce rapport, certains types d’hydrates peuvent se former à l’état naturel comme les hydrates de CH4. Ce type d‘hydrate se forme principalement dans les fonds marins (Davidson et al., 1978; Tréhu et al., 2006) où la température est basse et la pression élevée. En effet, le méthane contenu dans les hydrates provient de la décomposition des matières organiques qui se déposent dans les sédiments marins sous forme de strates. Ces roches étant poreuses, elles contiennent de l’eau de mer et de la matière organique. Lorsque ces bulles de méthane se forment dans la phase liquide et se déplacent dans une zone où la température et la pression sont adéquates, les hydrates se forment. Les hydrates de méthane sont ainsi plus nombreux dans les zones sédimentaires à forte porosité.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Etat de l’art général
I.1 Production de froid
I.1.1 Machine frigorifique
I.1.2 Systèmes de réfrigération
I.1.2.1 Réfrigération primaire
I.1.2.2 Réfrigération secondaire
I.2 Différents types de fluides employés dans les systèmes frigorifiques
I.2.1 Fluides frigorigènes
I.2.2 Les fluides frigoporteurs
I.2.2.1 Fluides monophasiques
I.2.2.2 Fluides diphasiques
I.2.2.3 Avantages et inconvénients des frigoporteurs
I.3 Les hydrates
I.3.1 Définition
I.3.1.1 Différents types d’hydrates
I.3.1.2 Intérêts et inconvénients des Hydrates de gaz naturels
I.3.2 Structures des hydrates
I.3.3 Formation des hydrates
I.3.3.1 Equation de formation
I.3.3.2 Nombre d’hydratation
I.3.3.3 Mécanisme de formation des hydrates
I.3.3.4 Evaluation de la fraction solide
Chapitre II : Montage expérimental
II.1 Réacteur agité pour la formation d’hydrates
II.2 Boucle de circulation associée au réacteur agité
II.2.1 Eléments associés à la boucle
II.2.1.1 Capteur de pression différentielle
II.2.1.2 Tube chauffant
II.2.1.3 Echangeur de chaleur
II.2.2 Instrumentation
II.3 Montage associé à l’étude rhéologique des coulis avec additifs
II.3.1 Boucle de circulation sans réacteur
II.3.2 Pompe seringue
II.3.3 Description du SDS
II.4 Cycle thermodynamique et protocole opératoire
II.4.1 Cycle de formation et de dissociation des hydrates
II.4.2 Protocole opératoire de formation des hydrates
Chapitre III : Caractérisation des propriétés thermo-hydrauliques des coulis d’hydrates
III.1 Caractérisation des propriétés rhéologiques
III.1.1 Etat de l’art de la rhéologie
III.1.1.1 Définition de la rhéologie
III.1.1.2 Rhéologie des coulis
III.1.1.2.1 Description des fluides non-Newtoniens
III.1.1.2.2 Comportement des coulis d’hydrates
III.1.2 Méthodologie de caractérisation de l’écoulement
III.1.3 Résultats rhéologiques des coulis d’hydrates de CO2 sans additifs
III.1.3.1 Objectif de l’étude rhéologique
III.1.3.2 Validation de la méthode sur l’eau
III.1.3.3 Ecriture du modèle semi-empirique
III.1.3.4 Modèle rhéologique semi-empirique pour le coulis d’hydrates de CO2 sans additif
III.1.4 Rhéologie des hydrates de CO2 en présence de SDS
III.1.4.1 Présentation des objectifs de l’étude rhéologique avec additifs
III.1.4.2 Détermination des paramètres rhéologiques semi-empiriques avec SDS
III.1.4.3 Modèle rhéologique semi-empirique pour le coulis d’hydrates de CO2 avec SDS
III.1.5 Comparaison des modèles rhéologiques des hydrates de CO2 avec la littérature
III.1.6 Conclusion sur l’étude rhéologique
III.2 Caractérisation des propriétés thermiques
III.2.1 Etat de l’art sur les coefficients d’échange
III.2.1.1 Coefficients d’échange thermique de différents types de fluides
III.2.1.2 Corrélations de la littérature sur l’eau pour les nombres de Nusselt
III.2.1.3 Corrélations de la littérature pour différents types de coulis
III.2.2 Protocole expérimental
III.2.2.1 Détermination des coefficients d’échange convectif
III.2.2.1.1 Détermination des nombres adimensionnels
III.2.2.2 Choix du flux de chaleur imposé à la paroi
III.2.3 Résultats expérimentaux
III.2.3.1 Validation de la méthode de mesure thermique sur l’eau
III.2.3.2 Coefficients d’échange des coulis à fraction solide constante
III.2.3.2.1 Coefficients d’échange en fonction de la position sur le tube
III.2.3.2.2 Evolution du nombre de Nusselt en fonction du nombre de Reynolds
III.2.3.2.3 Evaluation du facteur de friction
III.2.3.3 Coefficients d’échange des coulis d’hydrates à fraction solide variable
III.2.3.3.1 Coefficients d’échange en fonction de la position sur le tube
III.2.3.3.2 Nombre de Nusselt en fonction du nombre de Reynolds
III.2.3.3.3 Evaluation du facteur de friction
III.2.3.4 Comparaison des données expérimentales et corrélations
III.2.3.4.1 Comparaison des résultats avec et sans variation de fraction solide
III.2.3.4.2 Comparaison avec les corrélations de la littérature
III.2.3.4.3 Corrélation pour les coefficients d’échange des coulis d’hydrates de CO2
III.2.4 Conclusion sur la partie thermique
Conclusion
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