Rheological characterization and modelling of hydrate slurries for an air-conditionning application
Etude rhéologique d'une suspension d'hydrates en tant que fluide frigoporteur diphasique. Résultats expérimentaux et modélisation
Résumé
Secondary two-phase fluids are suspensions of solid crystals. Thanks to the melting latent heat, they present a great interest for cold transportation. Moreover, they are a mean of reducing the amount of classical refrigerant. In the refrigeration field, ice slurries are already used. The goal is now to extend this technology to other temperature ranges suitable for other applications like freezing or air-conditioning.
For an air-conditioning application, a TBAB (Tetra-ButylAmmonium Bromide) aqueous solution is studied. Under atmospheric pressure and for positive temperatures, this solution crystallizes into ice-like compounds named “hydrates”. First, the physical properties of the aqueous solution and its crystallisation conditions were studied. Two different types of hydrates can appear.
The goal of the experimental set-up is to study the rheological behaviour of two-phase fluids. Slurries are made in brushed-surface heat exchanger and pumped into pipes where flow rates and pressure drops are measured.
The rheological behaviour of TBAB hydrates slurries can be described using a Bingham fluid model. We highlight that the two rheological parameters, which are the apparent viscosity and the yield shear stress, depend on the volume fraction of crystal of course, but also on the hydrate type, and on the initial concentration of the solution. The yield shear stress is interpreted as the consequence of the Van der Waals inter-particle interaction forces.
Finally, possible stratification effects are modelled with a finite difference method. The principle is to calculate particle concentration and velocity profiles following the flow of the slurry. Calculations are validated with experimental velocity profiles published by P. Reghem (2002). This model underlines the influence of the particle distribution in the pipe on pressure drops.
For an air-conditioning application, a TBAB (Tetra-ButylAmmonium Bromide) aqueous solution is studied. Under atmospheric pressure and for positive temperatures, this solution crystallizes into ice-like compounds named “hydrates”. First, the physical properties of the aqueous solution and its crystallisation conditions were studied. Two different types of hydrates can appear.
The goal of the experimental set-up is to study the rheological behaviour of two-phase fluids. Slurries are made in brushed-surface heat exchanger and pumped into pipes where flow rates and pressure drops are measured.
The rheological behaviour of TBAB hydrates slurries can be described using a Bingham fluid model. We highlight that the two rheological parameters, which are the apparent viscosity and the yield shear stress, depend on the volume fraction of crystal of course, but also on the hydrate type, and on the initial concentration of the solution. The yield shear stress is interpreted as the consequence of the Van der Waals inter-particle interaction forces.
Finally, possible stratification effects are modelled with a finite difference method. The principle is to calculate particle concentration and velocity profiles following the flow of the slurry. Calculations are validated with experimental velocity profiles published by P. Reghem (2002). This model underlines the influence of the particle distribution in the pipe on pressure drops.
Les fluides frigoporteurs diphasiques sont des suspensions de cristaux solides. Exploitant l'énergie de changement de phase solide/liquide, ils sont intéressants d'un point de vue énergétique pour le transport du froid. De plus, leur utilisation est un moyen de réduire les quantités de réfrigérants classiques utilisés. Des coulis de glace sont actuellement mis en place dans le domaine de la réfrigération. Cette technologie peut être étendue vers d'autres domaines d'application, à d'autres domaines de températures : la congélation et la climatisation.
Pour une application en climatisation, nous étudions une solution de TBAB (Bromure de Tetra-ButylAmmonium). A pression atmosphérique et pour des températures positives, cette solution cristallise pour former des composés similaires à la glace : des hydrates. Les propriétés physiques de la solution initiale et sa capacité à cristalliser ont tout d'abord été étudiées. Nous avons mis en évidence la possibilité de former deux types de cristaux de natures différentes.
Un dispositif expérimental permettant la caractérisation rhéologique des fluides frigoporteurs diphasiques a été élaboré. Les suspensions sont formées dans un échangeur à surface brossée et caractérisées par des mesures de débit et pertes de charge en conduites cylindriques.
Les coulis d'hydrates de TBAB peuvent être décrits par un modèle de type « fluide de Bingham ». Nous montrons que les paramètres rhéologiques (viscosité apparente et contrainte seuil) dépendent non seulement de la teneur en particules mais aussi du type d'hydrate en suspension et de la concentration initiale de la solution. La contrainte seuil est interprétée par les forces d'interactions entre particules de type Van der Waals.
Enfin, d'éventuels effets de stratification sont modélisés par une méthode de différences finies. Le principe est de calculer les profils de vitesse et de concentration en particules au cours de l'écoulement d'une suspension de cristaux en conduite. Les calculs sont validés par les profils de vitesse obtenus expérimentalement par P. Reghem (2002). Ce modèle permet d'évaluer l'influence du profil de concentration en particules sur les pertes de charge.
Pour une application en climatisation, nous étudions une solution de TBAB (Bromure de Tetra-ButylAmmonium). A pression atmosphérique et pour des températures positives, cette solution cristallise pour former des composés similaires à la glace : des hydrates. Les propriétés physiques de la solution initiale et sa capacité à cristalliser ont tout d'abord été étudiées. Nous avons mis en évidence la possibilité de former deux types de cristaux de natures différentes.
Un dispositif expérimental permettant la caractérisation rhéologique des fluides frigoporteurs diphasiques a été élaboré. Les suspensions sont formées dans un échangeur à surface brossée et caractérisées par des mesures de débit et pertes de charge en conduites cylindriques.
Les coulis d'hydrates de TBAB peuvent être décrits par un modèle de type « fluide de Bingham ». Nous montrons que les paramètres rhéologiques (viscosité apparente et contrainte seuil) dépendent non seulement de la teneur en particules mais aussi du type d'hydrate en suspension et de la concentration initiale de la solution. La contrainte seuil est interprétée par les forces d'interactions entre particules de type Van der Waals.
Enfin, d'éventuels effets de stratification sont modélisés par une méthode de différences finies. Le principe est de calculer les profils de vitesse et de concentration en particules au cours de l'écoulement d'une suspension de cristaux en conduite. Les calculs sont validés par les profils de vitesse obtenus expérimentalement par P. Reghem (2002). Ce modèle permet d'évaluer l'influence du profil de concentration en particules sur les pertes de charge.