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Sorbonne Université Ecole doctorale n°391 Sciences mécanique, acoustique, élect

Sorbonne Université Ecole doctorale n°391 Sciences mécanique, acoustique, électronique et robotique de Paris Irstea GPAN- EDF R&D Intégration des matériaux à changement de phase dans les meubles frigorifiques de vente pour améliorer leur efficacité énergétique et leur flexiblité Par Ronia BEN ABDALLAH Thèse de doctorat de génie des procédés Dirigée par Anthony DELAHAYE Présentée et soutenue publiquement le 12 juin 2019 Devant un jury composé de : M. Christophe COQUELET Professeur Mines PariTech Rapporteur M. Laurent ROYON Professeur Université Paris Diderot Rapporteur M. Philippe GUIBERT Professeur Sorbonne Université Examinateur M. Denis LEDUCQ Ingénieur de recherche IRSTEA Examinateur Mme. Hong Minh HOANG Chargée de recherche IRSTEA Examinatrice M. Olivier PATEAU Ingénieur de recherche EDF Examinateur Mme. Bénédicte BALLOT-MIGUET Ingénieure de recherche EDF Examinatrice M. Anthony DELAHAYE Directeur de recherche IRSTEA Examinateur 2 Irstea Institut national de recherche en sciences et technologie pour l’environnement et l’agriculture Génie des procédés frigorifiques d’Antony 1, rue Pierre-Gilles de Gennes CS 10030 92761 Antony cedex Sorbonne Universités Ecole doctorale SMAER (ED 391) Sciences mécaniques acoustiques électroniques et robotiques de Paris 4, place Jussieu BC 270 75252 Paris cedex 05 3 A ma famille Qui m’ont tant donné Et mes amis Qui ont tout partagé 4 Intégration des matériaux à changement de phase dans les meubles frigorifiques de ventes pour améliorer leur efficacité énergétique et leur flexibilité Résumé L’intégration de matériaux à changement de phase (MCP) dans les systèmes frigorifiques a le potentiel d’augmenter leur flexibilité, de stabiliser les températures des produits, et peut dans certaines conditions réduire leur consommation d’énergie. Cette thèse étudie plus particulièrement l’effet de l’intégration de MCP dans un meuble frigorifique de vente. Deux montages expérimentaux, l’un portant sur un meuble ouvert et un second sur un meuble fermé ainsi qu’un modèle numérique ont été développés afin de vérifier la faisabilité de cette technologie pour ce système et d’étudier l’impact de la présence du stockage sur son comportement thermique. Une étude paramétrique a permis de mettre en avant la nécessité de l’optimisation des meubles après intégration des MCP. Par ailleurs, des scénarios d’utilisation des MCP sont également présentés. Les principaux résultats montrent la faisabilité de la technologie, une augmentation significative de l’inertie thermique du meuble et la possibilité de maintenir la température des produits lors d’un arrêt de la machine frigorifique pendant plusieurs heures. Mots-clés : Meuble frigorifique de vente, matériaux à changement de phase, flexibilité, efficacité énergétique, effacement, comportement thermique _____________________________________________________ Abstract It is admitted that the integration of phase change material (PCM) in refrigeration systems has the potential to increase their flexibility, to stabilize product temperatures and in some cases to reduce their energy consumption. This study is about the impact of PCM used in a display cabinet. Two experimental set-ups are presented: the first one is an open display cabinet and the second one a closed display cabinet. A numerical model has been also developed and used to check the feasibility of PCM integration and evaluate its impact on the display cabinet. In addition, a parametric study have been carried out to highlight the importance of a display cabinet optimization after the insertion of PCM. Besides, PCM application in supermarket scenarios are discussed. The main results show the feasibility of PCM insertion, a significant increase of its thermal inertia, and the possibility to keep the compressor off during a few hours without temperature abuse for the products. Keywords : Refrigerated display cabinet, Phase Change Materiel,flexibility, effciency, , curtailement, thermab behaviour 5 Tables des matières Nomenclature ........................................................................................................................... 16 Introduction .............................................................................................................................. 21 Chapitre I : Etat de l’art général ............................................................................................ 25 I.1 Meubles frigorifiques de vente .................................................................................. 26 I.1.1 Technologie des meubles frigorifiques (MFV) .................................................. 26 I.1.1.1 Architecture des meubles ............................................................................ 26 I.1.1.2 Fonctionnement des meubles ...................................................................... 27 I.1.1.3 Charge thermique des meubles ................................................................... 28 I.1.1.4 Systèmes de réfrigération ............................................................................ 29 I.1.1.5 Fluides frigorigènes .................................................................................... 32 I.1.1.6 Norme des meubles frigorifiques ................................................................ 33 I.1.2 Comportement thermique et énergétique des meubles frigorifiques ................. 33 I.1.2.1 Effet de la position ...................................................................................... 34 I.1.2.2 Effet des conditions ambiantes ................................................................... 35 I.1.2.3 Effet du dégivrage ....................................................................................... 36 I.1.2.4 Effet d’autres paramètres ayant une influence sur la thermique ................. 37 I.1.3 Etude numérique/aéraulique des meubles frigorifiques de vente ....................... 39 I.1.4 Spécificités des meubles fermés ......................................................................... 40 I.1.4.1 Technologie des meubles frigorifiques fermés ........................................... 40 I.1.4.2 Effet sur les performances énergétiques ..................................................... 41 6 I.1.4.3 Effet sur les performances thermiques et aérauliques ................................. 41 I.1.5 Conclusion .......................................................................................................... 43 I.2 Matériaux à changement de phase et leurs applications dans le domaine du froid ... 43 I.2.1 Définition ........................................................................................................... 43 I.2.2 Différents types de MCP .................................................................................... 43 I.2.3 Critères de choix des MCP ................................................................................. 44 I.2.4 Applications des MCP dans les équipements frigorifiques ................................ 45 I.2.4.1 Congélateurs ............................................................................................... 45 I.2.4.2 Réfrigérateurs domestiques ......................................................................... 46 I.2.4.3 Camions frigorifiques ................................................................................. 47 I.2.4.4 Meubles frigorifiques de vente ................................................................... 48 I.3 Conclusion ................................................................................................................. 50 Chapitre II : Caractérisations thermiques et énergétiques des meubles frigorifiques ......... 51 II.1 Matériels et méthodes ................................................................................................ 52 II.1.1 Meuble frigorifique ouvert ................................................................................. 52 II.1.1.1 Dispositif expérimental ............................................................................... 52 II.1.1.2 Instrumentation ........................................................................................... 54 II.1.1.3 Protocole Opératoire ................................................................................... 56 II.1.2 Meuble frigorifique fermé .................................................................................. 57 II.1.2.1 Dispositif expérimental ............................................................................... 57 II.1.2.2 Instrumentation ........................................................................................... 60 7 II.1.2.3 Protocole Opératoire ................................................................................... 63 II.1.3 Modèle numérique d’un meuble frigorifique de vente ouvert ........................... 64 II.1.3.1 Hypothèses de modélisation ....................................................................... 65 II.1.3.2 Equations de bilan thermique ..................................................................... 65 II.2 Comportement d’un meuble frigorifique de vente ouvert lors d’un démarrage ........ 70 II.2.1 Etude expérimentale ........................................................................................... 70 II.2.2 Comparaison numérique/expérimentale ............................................................. 72 II.2.2.1 Température des paquets ............................................................................. 72 II.2.2.2 Températures de l’air dans la canalisation arrière ...................................... 73 II.3 Comportement d’un meuble frigorifique de vente ouvert lors d’un arrêt du compresseur .......................................................................................................................... 75 II.3.1 Etude expérimentale ........................................................................................... 75 II.3.2 Etude numérique ................................................................................................ 76 II.3.2.1 Comparaison numérique/expérimentale ..................................................... 76 II.3.2.2 Effet des conditions ambiantes ................................................................... 77 II.3.2.3 Effet du type de meuble frigorifique ........................................................... 78 II.3.2.4 Effet du chargement .................................................................................... 79 II.4 Cas d’un meuble frigorifique de vente de type fermé ............................................... 80 II.4.1 Effet de la température extérieure ...................................................................... 80 II.4.2 Effet des ouvertures de portes ............................................................................ 81 II.4.3 Comportement thermique lors d’un arrêt du compresseur ................................. 82 II.4.4 Modèle du meuble fermé .................................................................................... 83 8 II.5 Conclusion ................................................................................................................. 83 Chapitre III : Intégration des matériaux à changement de phase MCP dans les meubles frigorifiques de vente ............................................................................................................... 85 III.1 Contraintes liées à l’intégration des MCP dans les meubles frigorifiques de vente .. ................................................................................................................................ 86 III.1.1 Choix du MCP .................................................................................................... 86 III.1.2 Choix de l’emplacement ..................................................................................... 86 III.1.3 Effet d’un obstacle sur le comportement aéraulique et thermique des meuble .. 88 III.2 Matériel et méthode ............................................................................................... 90 III.2.1 Echangeur de MCP ............................................................................................. 90 III.2.2 Intégration de l’échangeur à MCP dans le meuble ............................................ 91 III.3 Impact de l’accumulateur à MCP sur les performances et le fonctionnement du meuble ouvert ....................................................................................................................... 94 III.3.1 Stockage et déstockage des MCP ....................................................................... 94 III.3.2 Effet de l’intégration du MCP sur le comportement thermique ......................... 98 III.3.3 Effet de la température extérieure ...................................................................... 99 III.3.4 Comportement thermique du meuble avec et sans MCP lors d’un arrêt .......... 101 III.3.4.1 Température des paquets ........................................................................... 101 III.3.4.2 Température de l’air dans la canalisation arrière ...................................... 102 III.3.5 Effet du MCP sur la consommation électrique ................................................ 103 III.4 Impact de l’accumulateur à MCP sur le comportement d’un meuble fermé ....... 104 III.4.1 Echangeur à MCP ............................................................................................. 104 III.4.2 Stockage/déstockage du MCP .......................................................................... 107 9 III.4.3 Comportement du meuble avec MCP .............................................................. 109 III.4.3.1 Effet de la présence de l’échangeur sur la circulation de l’air .................. 109 III.4.3.2 Effet sur la température de l’air dans la canalisation arrière..................... 110 III.4.4 Comparaison avec et sans échangeur à MCP ................................................... 111 III.4.4.1 Températures des paquets ......................................................................... 111 III.4.4.2 Températures de l’air dans la canalisation arrière .................................... 113 III.5 Conclusion ........................................................................................................... 114 Chapitre IV : Analyse et optimisation énergétique du fonctionnement du meuble avec MCP ...................................................................................................................... 115 IV.1 Optimisation de l’intégration des MCP dans les MFV ........................................ 116 IV.1.1 Paramètres et critères d’optimisation ............................................................... 116 IV.1.2 Optimisation de la conception du meuble ouvert ............................................. 117 IV.1.2.1 Perforations dans la canalisation arrière ................................................... 117 IV.1.2.2 Débit d’air (effet de l’ajout du ventilateur) ............................................... 118 IV.1.3 Optimisation du fonctionnement du meuble .................................................... 120 IV.1.3.1 Régulation de la température .................................................................... 120 IV.1.3.2 Paramètres de dégivrage ........................................................................... 121 IV.2 Analyse énergétique – approche magasin ............................................................ 122 IV.2.1 Objectifs et hypothèses ..................................................................................... 122 IV.2.2 Cas de référence (magasin) .............................................................................. 124 IV.2.3 Scénarios d’utilisation des MCP ...................................................................... 125 IV.2.3.1 Scénario 1 : Réalisation de plusieurs effacements dans la journée ........... 126 10 IV.2.3.2 Scénario 2 : Réduction de la puissance souscrite d’un magasin ............... 128 IV.2.3.3 Scénario 3 : Intégration de panneaux photovoltaïques et application des effacements ................................................................................................................. 131 IV.3 Conclusion ........................................................................................................... 132 Conclusion et perspectives ..................................................................................................... 133 Valorisation ............................................................................................................................ 137 Bibliographie .......................................................................................................................... 139 11 Index des figures Figure 1 : Architecture d’un meuble frigorifique de vente ...................................................... 26 Figure 2 : Ecoulements dans un meuble frigorifique ouvert .................................................... 27 Figure 3 : Exemple de contribution de chaque composant à la charge thermique du meuble [10] ........................................................................................................................................... 29 Figure 4 : Système de uploads/Science et Technologie/ these-ben-abdallah-ronia-2019.pdf