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N° 162

Mécanique, Energétique, Génie civil et Acoustique : Thermique et Énergétique

Téo Lafaye de Micheaux

des transferts de chaleur dans un camion frigorifique - Etude des innovant pour le maintien de la chaîne du froid et la réduction des s portes Devant le jury composé de : LARAQI, Najib Professeur, Université Paris Ouest BATAILLE, Françoise Professeur, Université de Perpignan LEBRUN, Jean Professeur Émérite, Université de Liège

MOUREH, Jean Chargé de recherche HDR, IRSTEA

SARTRE, Valérie Maître de Conférences HDR, INSA Lyon Directrice de thèse BONJOUR, Jocelyn Professeur, INSA Lyon Co-directeur de thèse STUMPF, André Docteur, Carrier Transicold Invité

Cette thèse a été

Centre

iii v Résumé frigorifique - ǯǯ

ǯs portes.

Le développement croissant du transport de denrées périssables suscite un intérêt

croissant, relatif à la maîtrise de la chaîne du froid et de la consommation énergétique. La

préservation de la chaîne du froid, pour le transport sur de longues distances, nécessite

une bonne homogénéité de la température dans la caisse frigorifique, directement liée aux

paramètre à considérer dans le cas de la distribution urbaine, où les fréquentes ouvertures

ǯre bien plus importante

que les échanges thermiques par conduction à travers les parois isolées. Afin de réduire plastiques sont généralement installés. Cependant, ce type de rideau entrave le largement utilisée pour le confinement de volumes, de vitrines réfrigérées verticales ou de cette ouverture. Deux modèles CFD ont été développés pour simuler les champs de températures et de

vitesses dans un camion réfrigéré clos. La première géométrie, identique à celle étudiée

par Moureh et Flick (2005), a été simulée pour valider la démarche numérique. La seconde

géométrie a été choisie pour être au plus proche de la configuration expérimentale. Ces

modèles ont toǯ

close et ont permis de réaliser une étude paramétrique. La variation de la vitesse de

soufflage ne modifie pas de manière significative la structure des écoulements dans la cavité. Pourtant, lorsque la longueur du compartiment arrière est augmentée, les lignes de courant sont modifiées. Pour simuler les transferts thermiques au travers des parois et

ǯǡites sont

Une étude numérique est réalisée dans le but de mieux appréhender les infiltrations de

prédictions du modèle ont été comparées aux données expérimentales de Ducoulombier

: un écoulement gravitaire et un écoulement de couche limite. Le premier

ǯuit à un pic de

puissance très élevé. Le second est dû à un transfert de chaleur par convection naturelle

en régime quasi permanent, se développant sur la surface des parois internes. vi ǯǯǡ la transition entre les deux régimes. Une caisse expérimentale de camion frigorifique de longueur 6,68 m (37,6 m

3) a été

volume intérieur de la caisse (rideau recyclé). Les températures ont été mesurées par des

thermocouples et par une caméra infrarouge filmant une moustiquaire ; les vitesses ont a été développé ǯ

bonne concordance entre les résultats numériques et expérimentaux a été observée. La

vitesse ǯ configuration est seulement pertinente pour de courtes ouvertures (1 min). Le rideau meilǯǯ

ǯcyclé.

De plus, les deux configurations de rideaux froids étudiées sont flexibles et facilement Mots clés : ǯǡ ǡ ǡ ǡ ǡ ermique, écoulement, modèle numérique, dispositif expérimental, étude paramétrique vii Abstract Modeling of airflow, heat and mass transfers in a refrigerated truck - Study of an innovative air curtain device to protect the cold chain and to reduce energy losses at the door opening. The increasing development of foodstuff transport leads to higher interests regarding the cold chain control and the energy consumption management. For long-distance food transport, the cold chain respect requires good temperature uniformity in the truck body, which is mainly linked to the air flow within the cavity. Temperature homogeneity is also a parameter of consideration for urban distribution where the frequent door-opening induces a heat infiltration which can be much more important than the conductive heat flow through the insulated walls. In order to reduce heat and mass transfer, plastic strip curtains are usually installed to protect the doorway. However, such curtains restrict the foodstuffs handling during loading and unloading phases. Air curtain is a technology widely used for volume confinement, in vertical refrigerated display cases or at the opening of refrigerated warehouse. They reduce heat and mass transfer through the opening by means of an air jet, blown along the whole width of its upper side. Two CFD numerical models were developed to simulate the temperature and velocity fields in a closed refrigerated truck. The first geometry, identical to that studied by Moureh and Flick (2005), was modelled to validate the numerical method. The second geometry was chosen so as to be close to that of the experiment. These models were first employed to analyze the jet development in the closed empty cavity owing to a parametric study. Modifying the velocity does not noticeably modify the air flow structure inside the cavity. However, when the length of the back compartment is increased, the stream lines change. Two boundary conditions were compared to simulate the heat transfer through the wall and to study the influence of the conductivity of the insulated material. Secondly, different air chutes were modelled to improve the airflow homogeneity inside the truck body. Numerical results demonstrate that the configuration with a convergent and an open duct strongly improves the air renewal. A numerical investigation was performed in order to study heat and mass infiltration rates during the opening of a refrigerated truck body. The model predictions were compared to the experimental data of Ducoulombier et al. (2011). Experimental results revealed the existence of two distinct phenomena: a buoyancy-driven flow and a boundary layer flow. The first is a density-driven flow which gives birth to an important heat load peak. The second is due to quasi steady-state natural convection over the inner wall of the truck. The infiltration flow rate is well predicted by the CFD model, except at the transition between both flow regimes.

An experimental 6.68 m long truck body (37.6 m

3) was equipped with an air curtain setup,

designed and built in the frame of this work. The curtain can be composed by an ambient air jet, a cold air jet or a double jet (ambient air at the outer side, cold air at the inner side). The air of the cold jet is either cooled by an evaporator of a refrigerating unit (refrigerated air curtain) or either composed of recycled air from the cavity (recycled air curtain). Temperatures were measured by means of thermocouples and by filming a mosquito net viii with an infrared camera; velocity measurements are made using hot-wire anemometers. In parallel, a numerical CFD model was developed to study the influence of various parameters such as the blowing velocity, the blowing angle, the ambient temperature or the duration of the door opening. Experimental and numerical results were found to be in good agreement. The optimal blowing velocity of the jet as well as the temperature evolution during the opening are well predicted. The maximum efficiency of the ambient air curtain is reached when the impact point of the jet occurs in the door plane at the ground level. This configuration is only relevant for short opening times (1 min). The double air curtain efficiently maintains the temperature homogeneity along the opening, but its efficiency is reduced for long opening time. The cold air curtain is the best configuration which strongly limits the temperature increase during the opening. Experimental results show that important energy savings may be achieved with the recycled air curtain. Moreover, both cold air curtain configurations are flexible and can easily be used for various ambient temperatures and various opening durations. Keywords: air curtain, infiltration, truck, body, opening, heat load, flow, numerical model, experimental setup, sensitivity analysis ix Sommaire

Résumé....................................................................................................................................................................... v

Abstract................................................................................................................................................................... vii

Sommaire ................................................................................................................................................................. ix

Nomenclature ........................................................................................................................................................xv

Introduction générale ..........................................................................................................................................

1 1

Etude bibliographique ............................................................................................................................... 5

1.1 Trǯ ............... 5

1.1.1 Enceintes réfrigérées de petit volume à froid statique (réfrigérateurs) ........... 5

1.1.1.1 Champ de températures et de vitesses ....................................................................... 6

1.1.1.2 ǯ ........................................................................................................ 7

1.1.1.3 ǯ ....................... 8

1.1.2 Enceintes de petit volume à froid pulsé .......................................................................... 8

1.1.3 Enceintes réfrigérées de grand volume ........................................................................... 9

1.1.3.1 Chambres froides ................................................................................................................. 9

1.1.3.2 Caisses de camion frigorifique .................................................................................... 10

1.2 ǯ ............................ 17

1.2.1 Analogie avec la rupture de barrages. ................................................................

1.2.2 Entrepôts frigorifiques et chambres froides .............................................................. 17

1.2.3 Caisse frigorifique.................................................................................................................. 19

1.3 ǯ .......................................................................................................... 21

1.3.1 ǯ ................................................................ 22

1.3.2 ǯ ................................................................ 29

1.4 Conclusion .......................................................................................................................................... 35

2

Etude théorique de la caisse fermée ................................................................................................. 37

2.1 Description des travaux de Moureh et al. .............................................................................. 37

2.2 Simulation de la configuration étudiée par Moureh et al. .............................................. 38

2.2.1 Outils et domaine ................................................................................................................... 38

2.2.2 Modèle de turbulence et conditions aux limites ....................................................... 39

2.2.3 Maillage, loi de paroi et résolution numérique ......................................................... 39

2.2.4 Identification du paramètre ࣎ caractéristique de la turbulence ........................ 39

2.2.5 Comparaison avec les résultats expérimentaux de Moureh et al. ..................... 41

x 2.2.5.1 Lignes de courant ..............................................................................................................41

2.2.5.2 Profils de vitesses ..............................................................................................................41

2.2.5.3 Conclusion ............................................................................................................................42

2.3 ǯ-températures .....................................42

2.3.1 Description du modèle 2D ..................................................................................................

42

2.3.2 Description du modèle 3D ..................................................................................................

47

2.3.3 Résultats ....................................................................................................................................48

2.3.3.1 Lignes de courant ..............................................................................................................48

2.3.3.2 Champs de températures ...............................................................................................49

2.3.3.3 Profils de températures ..................................................................................................

51

2.3.3.4 Intérêt de la simulation 3D ............................................................................................51

2.3.4 Etude paramétrique ..............................................................................................................52

2.3.4.1 Influence du flux imposé à la paroi ............................................................................53

2.3.4.2 Influence de la vitesse de soufflage

2.3.4.3 Influence de la taille du compartiment ....................................................................55

2.3.4.4 Condition aux limites sur la surface extérieure de la paroi .............................56

2.4 ǯ ...........................60

2.4.1 ǯ ................................60

2.4.2 Influence du convergent ......................................................................................................60

2.4.3 Influence des conduits .........................................................................................................62

2.4.3.1 Conduits symétriques ......................................................................................................63

2.4.3.2 Conduits asymétriques ...................................................................................................

64

2.4.4 ǯ ...

65

2.4.4.1 Conduit plafonnier ouvert .............................................................................................65

2.4.4.2 Conduit souple diffusant ................................................................................................68

2.4.5 Comparaison des différents systèmes ...........................................................................71

2.5 Conclusion ..........................................................................................................................................72

3 ǯ ..........................................................75

3.1 Expérimentations

3.1.1 Dispositif expérimental .......................................................................................................75

3.1.2 Métrologie .................................................................................................................................76

3.1.3 Protocole expérimental .......................................................................................................76

3.2 Modélisation ......................................................................................................................................78

3.2.1 Outils et domaine ...................................................................................................................78

xi 3.2.2 Maillage et loi de paroi ........................................................................................................ 79

3.2.3 Conditions aux limites, propriétés thermophysiques ............................................ 79

3.2.4 Conditions initiales et résolution numérique ............................................................ 80

3.3 Présentation et comparaison des résultats simulés et expérimentaux .................... 81

3.3.1 ǯǯ ................ 81

3.3.2 Champs de températures et lignes de courant .......................................................... 82

3.3.3 Profils de températures ...................................................................................................... 83

3.3.4 Profils de vitesses .................................................................................................................. 84

3.3.5 Température des parois...................................................................................................... 87

3.3.6 ǯ ....................................................................................... 89

3.3.7 ǯ ....................................... 91

3.3.8 Infiltration 3D dans le plan de la porte ......................................................................... 92

3.3.9 Influence des températures............................................................................................... 92

3.4 Conclusion .......................................................................................................................................... 96

4 ǯ ............................................................. 99

4.1 Dispositif expérimental................................................................................................................. 99

4.1.1 ǯ .............................................................................................................................. 99

4.1.2 Caisse réfrigérée et environnement ............................................................................ 102

4.1.3 Métrologie .............................................................................................................................. 103

4.1.3.1 Températures .................................................................................................................. 103

4.1.3.2 Vitesse ................................................................................................................................ 105

4.1.3.3 Humidité ............................................................................................................................ 106

4.1.3.4 Instrumentation du groupe frigorifique ............................................................... 106

4.1.3.5 Acquisition ................................

4.1.4 Protocole expérimental .................................................................................................... 106

4.1.4.1 Mise en température de la caisse ............................................................................ 106

4.1.4.2 Ouverture des portes ...................................................................................................

107

4.1.4.3 Remise en température de la caisse ....................................................................... 108

4.1.4.4 Mise en place du protocole ........................................................................................ 108

4.1.5 Bilans énergétiques ........................................................................................................... 109

4.2 Résultats expérimentaux .......................................................................................................... 110

4.2.1 Infiltration sans dispositif de protection ..................................................................

110

4.2.1.1 ǯ ..................................................................................... 110

4.2.1.2 Evolution de la température intérieure................................................................ 111

xii 4.2.1.3 ǯ ....................................... 112

4.2.1.4 ǯ ................................................................................................ 113

4.2.2 ǯ .............................................................................................. 117

4.2.2.1 Evolution des températures intérieures .............................................................. 117

4.2.2.2 ǯ ........ 118

4.2.2.3 Bilans énergétiques, influence de la vitesse de soufflage .............................. 124

4.2.2.4 ǯ ............................................................................ 127

4.2.2.5 ǯ ............................................................................... 138

4.2.2.6 Bilan énergétique global comparaison des configurations ........................... 138

4.3 Conclusion ....................................................................................................................................... 140

5 ǯǯ .......................................... 141

5.1 Configuration de type jet impactant ..................................................................................... 141

5.1.1 Description des travaux de Maurel et Solliec .......................................................... 141

5.1.2 Simulation de la configuration étudiée par Maurel et Solliec ........................... 143

5.1.2.1 Domaine de simulation ................................................................................................ 143

5.1.2.2 Modèle de turbulence et conditions aux limites................................................ 143

5.1.2.3 Maillage, loi de paroi et résolution numérique .................................................. 143

5.1.2.4 Comparaison avec les résultats expérimentaux de Maurel et Solliec ....... 143

5.2 ǯ .................................................................. 145

5.2.1 Description du modèle ...................................................................................................... 145

5.2.1.1 Outils et domaine ........................................................................................................... 145

5.2.1.2 Maillage et temps de calcul ........................................................................................ 145

5.2.1.3 Conditions aux limite et propriétés thermophysiques ..................................

147

5.2.1.4 Conditions initiales et résolution numérique ..................................................... 148

5.2.2 Résultats du modèle et comparaison avec les résultats expérimentaux ..... 150

5.2.2.1 Températures moyennes intérieures .................................................................... 150

5.2.2.2 Champs de températures ............................................................................................ 152

5.2.2.3 ǯ ...................................................... 155

5.2.2.4 Conclusion ......................................................................................................................... 156

5.3 Etude paramétrique ..................................................................................................................... 158

5.3.1 ǯ ǣǯ ........................................... 158

5.3.2 Vitesse et angle de soufflage optimum ....................................................................... 158

5.3.2.1 Vitesse et angle de soufflage du rideau ambiant ............................................... 158

5.3.2.2 Vitesse et angle de soufflage du rideau froid ...................................................... 162

xiii 5.3.2.3 Vitesse et angle de soufflage du rideau double ................................................. 165

5.3.3 ǯ ........................................................................... 168

5.3.3.1 ǯ ......................... 168

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