Phase change dispersions as high performance heat transfer fluids
Dispersions à changement de phase comme fluides caloporteurs hautes performances
Résumé
This thesis focuses on the heat transfer, transport, and rheological behaviour of novel two-phase fluids, named phase change dispersions. Phase change dispersions consist of phase change material dispersed into a continuous phase with the aid of surfactants. The optimal formulation procedure for phase change dispersions with high stabilities, low supercooling degrees and high apparent specific heat capacities is discussed and an innovative approach in fine-tuning the thermophysical properties of phase change dispersions with the use of cosurfactants is defined. Two of the developed formulations were then chosen for a heat transfer and rheological behaviour comparison to observe the effect that surfactants have on the transport and heat transfer properties during heating. This was performed using a test-rig to measure the bulk fluid and inner wall temperatures of the phase change dispersions flowing through a cylindrical tube under the constant heat flux boundary condition. The crystallisation heat transfer and rheological behaviour of a phase change dispersion was also examined through calculation of heat balances in a rectangular duct. During melting and crystallisation, an interesting phenomenon was discovered, that the transition from laminar to turbulent with phase change dispersions was much lower than those predicted for Newtonian fluids. By regression of the experimental results, correlations for the average Nusselt numbers for laminar and turbulent flow are presented, using a modified Reynolds number and a Prandtl number correction factor. A numerical model for the thermal behaviour studies of a phase change dispersion during its cooling in laminar flow through a rectangular duct was developed and is based on the quasi-homogeneous single fluid approach. The evolution of the experimental and theoretical values shows good agreement and the model satisfactorily predicts the behaviour, with variations of less than 5%.
Cette thèse porte sur le transfert de chaleur, le transport et le comportement rhéologique de nouveaux fluides à deux phases, appelés dispersions à changement de phase. Les dispersions à changement de phase consistent en un matériau à changement de phase dispersé dans une phase continue à l'aide de surfactants. La procédure de formulation optimale pour les dispersions à changement de phase avec des stabilités élevées, de faibles degrés de surfusion et des capacités de chaleur spécifiques apparentes élevées est discutée et une approche innovante dans le réglage fin des propriétés thermophysiques des dispersions à changement de phase avec l'utilisation de cosurfactants est définie. Deux des formulations développées ont ensuite été choisies pour une comparaison du transfert de chaleur et du comportement rhéologique afin d'observer l'effet des tensioactifs sur les propriétés de transport et de transfert de chaleur pendant le chauffage. Cette comparaison a été réalisée à l'aide d'un banc d'essai pour mesurer les températures du fluide en vrac et de la paroi interne des dispersions à changement de phase s'écoulant dans un tube cylindrique dans des conditions de flux thermique constant. Le transfert de chaleur de cristallisation et le comportement rhéologique d'une dispersion à changement de phase ont également été examinés par le calcul des bilans thermiques dans un conduit rectangulaire. Pendant la fusion et la cristallisation, un phénomène intéressant a été découvert, à savoir que la transition du laminaire au turbulent avec les dispersions à changement de phase était beaucoup plus faible que celle prédite pour les fluides newtoniens. Par régression des résultats expérimentaux, des corrélations pour les nombres de Nusselt moyens pour l'écoulement laminaire et turbulent sont présentées, en utilisant un nombre de Reynolds modifié et un facteur de correction du nombre de Prandtl. Un modèle numérique pour l'étude du comportement thermique d'une dispersion à changement de phase pendant son refroidissement dans un écoulement laminaire à travers un conduit rectangulaire a été développé et est basé sur l'approche monofluide quasi-homogène. L'évolution des valeurs expérimentales et théoriques montre un bon accord et le modèle prédit de manière satisfaisante le comportement, avec des variations inférieures à 5%.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|