An NTU- model for alternative refrigerants

This paper presents a steady state simulation model to predict the performance of alternative refrigerants in vapour compression refrigeration/heat pump systems. The model is based on the NTU- method in analysing the heat exchangers following an elemental approach. The model extends its applicability to new refrigerants including hydrocarbons and uses a large database of REFPROP package for refrigerant properties. The main inputs to the model include the physical details of the heat exchangers, compressor efficiency, mass flow rates of heat transfer fluids and their inlet temperatures to the evaporator and the condenser, the pressure drops across the heat exchangers and the capacity of either the evaporator or condenser (in kW). The model results are validated with a wide range of experimental data of HCFC22 and propane (HC290) on a heat pump test facility for a number of parameters, e.g. coefficient of performance, condenser capacity, mass flow rate of the refrigerant and compressor discharge temperature. Although the model is currently tested for pure refrigerants using compact brazed plate (counter flow type) heat exchangers, it can also be applied to mixture of refrigerants as well as to other types of heat exchangers.

Résumé

Dans cet article, on présente un modèle de simulation de régime permanent pour prédire la performance des frigorigènes de remplacement dans les systèmes frigorifiques ou les pompes à chaleur à compression de vapeur. Fondé sur la méthode NTU- utilisée pour analyser les échangeurs de chaleur, ce modèle emploie une approche élémentaire. Ce modèle étend la méthode aux nouveaux frigorigènes, y compris deees hydrocarbures, et utilise une base de données étendue, celle de REFPROP, pour les propriétés des frigorigènes. Les principaux paramètres du modèle comprennent des détails physiques sur les échangeurs de chaleur, le rendement des compresseurs, et les débits massiques des fluides de transfert de chaleur et leurs températures à l'entrée de l'évaporateur ou du condenseur, la chute de pression à travers les échangeurs de chaleur et la puissance soit de l'évaporateur, soit du condenseur (exprimés en kW). Les résultats obtensus en utilisant ce modèle sont validés pour une large gamme de données expérimentales obtenus avec le HCFC22 et avec le propane (le HC290) sur un banc d'essai de pompe à chaleur et pour un certain nombre de paramètres, par exemple le coefficient de performance, la puissance du compresseur, le débit massique du frigorigène et la température du frigorigène à la sortie du compresseur. En ce moment, le comportement des frigorigènes purs utilisés dans des échangeurs de chaleur compacts à plaques brasées (de type contre-courant) est en train d'être étudié; le modèle peut également être appliqué aux mélanges de frigorigènes et à d'autres types d'échangeurs de chaleur.     

A general dynamic simulation model for evaporators and condensers in refrigeration. Part II: simulation and control of an evaporator

A mathematical model of an evaporator based on one-dimensional partial differential equations representing mass conservation, and tube wall energy has been formulated. These equations are then restructured and linked to a program data base of all major refrigerants and refrigerant mixtures. The result is a simulation model of an evaporator that is general and flexible. The model is tested over a wide range of operating conditions and a simple controller is implemented to demonstrate the effectiveness of the model for controller and systems design.

Résumé

On a établi un modèle mathématique d'un évaporateur basé sur des équations aux dérivés partielles unidimensionnelles qui représentent la conservation de masse et l'énergie de la paroi du tube. Ces équations ont été restructurées ensuite, puis reliées à une base de données sur les principaux frigorigènes purs et en mélanges. De cette manière, on obtient un modèle d'évaporateur d'application générale et souple. Ce modèle a été éprouvé dans des conditions de fonctionnement très variées et on a employé un système de régulation simple pour montrer l'efficacité du modèle pour la conception et la régulation des systèmes.     

A simulation model for evaporation of defrosted water in household refrigeratorsSimulation de l''évaporation d''eau de dégivrage dans les réfrigérateurs domestiques

This paper presents a simple dynamic simulation model for predicting the evaporation rates of defrosted water from water trays in domestic refrigerators. The model was successfully tested for one domestic refrigerator. The model was used to investigate the effect of different variables (ambient temperature, relative humidity, air velocity, compressor heat, auxiliary condenser) by comparing eight different arrangements with each other on a consistent basis for effective evaporation of defrosted water. The model results indicate that the evaporation of water can be increased to the necessary rate by raising the water temperature and optimising the velocity of air over the water tray.

Résumé

Cette communication présente un modèle de simulation dynamique pour la prévision de la vitesse d'évaporation d'eau de dégivrage contenue dans les bacs de réfrigérateurs domestiques. On a utilisé ce modèle pour étudier les effets de diverses variables (température ambiante, humidité relative, vitesse d'air, chaleur dégagée par le compresseur et le condenseur auxiliaire) en comparant l'évaporation de l'eau de dégivrage dans huit dispositions différentes. Lés résultats indiquent qu'on peut accélerer la vitesse d'évaporation par l'augmentation de la température de l'eau et l'optimisation de la vitesse de l'air passant au dessus du bac à eau.     

Economie d'énergie: pompe à chaleur à absorption

One of the largest fields of research is energy recovery, particularly the increase of the energy level by using a heat pump.An absorption heat pump allows an upper level of about 140°C to be reached with a low consumption of electrical energy.The first part of this work establishes an expression for the COP from an enthalpy balance taking into account some hypotheses. From this expression a selection of the couple solute-solvant is possible according to operating conditions. A computation of the performance coefficient has been made as a function of various parameters such as the condenser, evaporator, absorber and separator temperature, and also the solution flow.Some results obtained with a small pilot plant are presented. They provide confirmation of the hypothesis and show that an absorption heat pump is able to increase the energy level from 60–80°C to 120–140°C with a satisfactory COP.

Résumé

L'un des domaines de recherche les plus étendus est celui de la récupération d'énergie et principalement l'augmentation du niveau d'énergie par l'utilisation d'une pompe à chaleur.On a choisi une pompe à chaleur à absorption parce qu'elle permet d'atteindre un niveau supérieur de 140°C environ avec une faible consommation d'énergie électrique.Dans le première partie de cette étude on a établi une expression du coefficient de performance à partir du bilan enthalpique en s'appuyant sur certaines hypothèses. A partir de cette expression un choix du couple soluté-solvant est possible suivant les conditions de travail. On a calculé le coefficient de performance en fonction de divers paramètres tels que la température au condenseur, à l'évaporateur, à l'absorbeur et au séparateur ainsi que le flux de solution.On présente quelques uns des résultats obtenus dans une petite installation pilote: ils permettent de confirmer l'hypothèse. Ils montrent qu'une pompe à chaleur à absorption peut faire passer le niveau d'énergie de 60–80°C à 120–140°C avec un coefficient de performance satisfaisant.     

Performance characteristics correlation for round tube and plate finned heat exchangers: Equations relatives aux performances d'échangeurs de chaleur constitués de tubes ronds et de plaques à ailettes

A number of correlation equations describing the performance characteristics of round tube and plate fin have been published in the open literature. However, many of these correlations are restricted to flat finned heat exchangers and a limited number of geometrical configurations. In this study, 28 heat exchanger samples were tested in an open circuit thermal wind tunnel over a velocity range of 1 to 20 m/s for a number of geometries. The geometrical variations include the number of tube rows, fin thickness and the spacing between fins, rows and tubes. Both flat and corrugated fins were tested and the results were correlated in terms of j and f factors as a function of Reynolds number and the geometrical parameters of the heat exchangers. An important feature of this correlation is the novel way in which the geometric parameters are expressed in the correlation. Ratios of these parameters are derived from consideration of the physics of the flow and heat transfer in the heat exchangers. This results in a more accurate and physically meaningful correlation which can be applied to a broader range of geometries. The correlation was validated against test data in the literature for round tube and plate fin with good agreement. It was found that the fin type affects the heat transfer and friction factor, and that the number of tube rows has a negligible effect on the friction factor. The number of tube rows effect was found to be influenced by the fin and tube geometries as well as the Reynolds number.Un certain nombre d'équations pour des caractéristiques du rendement des échangeurs de chaleur à tubes ronds plaques à ailettes ont été publiés dans le littérature. Cependant, dans bien des cas, ces corrélations se limitent aux échangeurs à ailette plate dans un nombre limité de configurations géométriques. Dans cette étude, 28 échangeurs de chaleur ont été testés utilisant une soufflerie à circuit ouvert avec une vitesse d'air de 1 à 20 m/s pour plusieurs formes géométriques. Les variations géométriques portaient sur le nombre de rangées de tubes, l'épaisseur des ailettes et la distance séparant des ailettes, des rangées et des tubes. Les ailettes plates et ondulées ont été testées et les corrélations en termes de facteurs j et f en fonction du nombre de Reynolds et les paramètres géométriques des échangeurs de chaleur. Un aspect important de cette corrélation est le façon originale d'exprimer des paramètres géométriques. Les rapports de ces paramètres sont obtenus à partir des flux et transferts de chaleur dans des échangeurs de chaleur. Ce procedé permet d'obtenir une corrélation plus précise et utilé qui s'applique à une gamme de formes géomátriques plus large. La corrélation a été validée en fonction des données concernant des échangeurs à tube et à plaque à ailettes dans la littérature: les données expérimentales et théoriques concordent bien. On a montré que le type d'ailette exerce une influence sur le transfert de chaleur et le facteur de frottement. Cependant, le nombre de rangées de tubes a un effet negligeable sur le coéfficient de frottement. On a démontré que l'effet nombre de rangées de tube est influencé par les géométries des ailettes et des tubes ainsi que par le nombre de Reynolds.     

Effect of strip location on the air-side pressure drop and heat transfer in strip fin-and-tube heat exchangerEffet de la localisation des gaufrures d’ailettes sur la chute de pression de l''air et sur le transfert de chaleur dans un échangeur à tubes à ailettes

This work discusses about the pressure drop and heat transfer characteristics of a plain fin, a strip fin and combinations thereof in the fin-and-tube heat exchanger. Experimental apparatus and test algorithm using scale-up model fin geometry are discussed. The present work uses the electric heaters inside of the tube as the heating source to simulate the hot water loop in the wind tunnel test. The test results of the plain and strip fins are compared with the existing correlation and experimental data. It was found that a hybrid fin, plain fin at front row and strip fin at rear row, was more effective to enhance the heat transfer than that of the whole strip fin at the same fan power.

Résumé

Dans l’article, on traite des caractéristiques de la chute de pression et du transfert de chaleur d’une ailette lisse, d’une ailette gaufrée et de combinaisons de ces deux types d’ailettes dans un échangeur de chaleur à tubes ailetés. Le dispositif expérimental et l’algorithme utilisant une géométrie des ailettes échelonnées sont présentés. On utilise des équipements de chauffage électriques à l’intérieur du tube, comme source de chaleur, pour simuler la boucle d’eau chaude dans le tunnel expérimental. Les résultats expérimentaux concernant les ailettes lisses et les ailettes gaufrées sont comparés avec la corrélation existante et les données expérimentales. On a observé que des ailettes hybrides, c’est-à-dire lisses à la rangée frontale et gaufrées à la rangée arrière, étaient plus efficaces pour intensifier le transfert de chaleur que des ailettes entièrement gaufrées, à la même puissance du ventilateur.     

Thermal design calculations for food freezing equipment--past, present and future

The literature on methods for thermal design of food freezing equipment is reviewed with emphasis on two questions: what do those who design, build and commission freezers most need from researchers in terms of improved design calculation methods, and what are the most limiting factors in determining whether a particular freezer design will satisfactorily freeze the product at the required throughput rate? Freezing time prediction methods have been significantly improved over the last two decades and are now infrequently the factor most limiting accurate design. There is a much greater need for more accurate thermophysical properties and better information on heat transfer coefficients for a variety of practical situations. The failure of many industrial freezers to deliver the design conditions to product in all parts of the freezer is also important. Future research should address the full range of factors limiting accurate freezer design, which may mean less emphasis on freezing time prediction.

Résumé

La littérature concernant la conception thermique des congélateurs industriels est passée en revue et l'accent est mis sur deux aspects: qu'est ce que les concepteurs, les fabricants et les installateurs attendent le plus des chercheurs en termes d'amélioration des méthodes de calculs de conception, et quels sont les facteurs dans la conception d'un congélateur qui exercent la plus grande influence sur la performance, c'est à dire qui déterminent si une conception donnée va permettre de congeler un produit à la vitesse voulue? Pendant les deux dernières décennies, on a amélioré de façon significative les méthodes qui prédisent le temps de congélation, et de nos jours, ces méthodes sont rarement le facteur qui limite le plus la conception précise. On a nettement plus besoin de précision sur les propriétés thermophysiques et les coefficients de transfert de chaleur pour différentes situations. Il est important de savoir que beaucoup de congélateurs industriels n'arrivent pas à reproduire les performances prévues lors de leur conception en tout point de l'appareil. Dans l'avenir, la recherche devrait être axée sur tous les facteurs limitant la conception précise des congélateurs, quitte à mettre moins l'accent sur la prédiction du temps de congélation.     

Etude des conditions pour optimiser le calcul des frigorifères et des condenseurs à air ou évaporatifs

From the basis of an example of design calculations for refrigerating equipment for a low temperature cold store, the author raises a number of problems in relation to the search for improved conditions, both for design and operation, with regard to energy savings. The analysis is made without recourse to current practice. The load calculation is criticized and remarks are made on the method of determining optimum operating conditions for direct expansion evaporators. The method of reasoning developed here is considered applicable to most refrigeration problems.

Résumé

Très souvent les paramètres essentiels servant à la définition des matériels importants des circuits frigorifiques sont quelque peu traditionnels (écarts de température des évaporateurs, vitesses de circulation d'air, écarts d'approche des condenseurs évaporatifs, etc.).Cela ne veut pas dire qu'ils n'ont pas, en leur temps, été retenus comme de bonne pratique sur la base de considérations économiques raisonnées, mais la remise en cause des bases n'a sans doute pas été faite réguliérement. Les événements récents ou en cours touchant l'énergie et son coût incitent à vérifier la validité des idées recues. L'article présente une méthode d'évaluation des paramétres essentiels pour la définition des évaporateurs refroidisseurs d'air et des condenseurs refroidis par air en fonction des rapports des coûts de l'energie et des matières. Une application aux conditions françaises permet de l'illustrer.     

Congélation des sols — étude physique et modèles mathématiques

A mathematical model for heat and mass transfer in soils at temperatures below 0°C is established from experimental observations and theoretical considerations. Numerical procedures are suggested for the solution of the resulting coupled and uncoupled Stefan problems. Finite difference and finite element analyses are presented for several cases of technical interest.

Résumé

On établit un modèle mathématique pour le transfert de chaleur et de masse dans les sols, à des températures inférieures à 0°C, à partir d'observations expérimentales et de considérations théoriques. On propose des méthodes numériques pour résoudre le problème de Stefan (couplé ou non) qui en résulte. Pour plusiers cas présentant un intérêt technique, on utilise des analyses faisant appel à la méthode des différences finies ou à la méthode des éléments finis.     

Etude quantitative de la structure à l'état congelé de muscle et de steak haché

The structure of frozen meat is studied after freeze-drying, with the technique of image analysis. The variable parameters are the freezing rate, the type of meat and the effect of grinding and mixing or not with pork fat.After freezing, the samples were cut (10 μ thick), freeze-dried, fixed and stained with Regaud's haematoxylin.Using a Quantimet 720 we measured the total volume occupied by ice crystals, the distribution in size of ice crystals and the specific area of freeze-dried samples. These results were compared with those obtained by two physical methods, mercury intrusion porosimetry and the volumetric method of krypton adsorption.The comparison of stereological and physical methods suggests a spindle-shaped model for the ice-crystals in frozen whole meat.Concerning the technological parameters, the results show that grinding involves an increase of the size of ice crystals and that mixing pork fat with ground meat induces a decrease in the size of ice crystals in the pieces of meat.

Résumé

On étudie la structure de la viande congelée, aprés lyophilisation, par analyse des images. Les variables sont la vitesse de congélation, le type de viande et l'influence du hachage et de l'addition ou non de tissue adipeux de porc.Aprés congélation, les échantillons ont été coupés (10 μm d'épaisseur), lyophilisés, fixés, puis colorés à l'hématoxyline de Regaud.En utilisant un Quantimet 720 nous avons mesuré le volume total occupé par les cristaux de glace, la répartition de leurs dimensions et la surface spécifique des échantillons lyophilisés. On a comparé ces résultats à ceux obtenus par deux méthodes physiques, la porosimétrie au mercure et la méthode volumétrique d'adsorption de krypton.La comparaison des méthodes stéorologiques et physiques améne à penser que les cristaux de glace du muscle de viande congelé entier ont une forme en fuseau.Quant aux paramétres technologiques, les résultats montrent que le hachage implique une augmentation de la taille des cristaux de glace et que le mélange de tissu adipeux de porc avec la viande hachée provoque une diminution de la taille des cristaux de glance dans les morceaux de viande.     

Modeling the performance of two-bed, sillica gel-water adsorption chillersModélisation de la performance des refroidisseurs à deux lits à adsorption utilisant le gel de silice/eau

This article presents a transient model for a two-bed, silica gel-water adsorption chiller. Compared with our previous cyclic-steady-state model, we found very good agreement between our model prediction and experimental data. We found that, regardless of the initial mass distribution, the chiller was able to achieve the same cyclic-steady-state within four cycles or 1800 s. We also demonstrated that the manufacturer had empirically evolved to select a fixed switching and cycle time such that the best peak evaporator temperature suppression, and near maximum cooling capacity can be achieved by a compact design.

Abstract

Cette communication présente un modèle transitoire d'un refroidisseur à deux lits à adsorption au gel de silice/eau. Les auteurs ont comparé ce système avec un modèle précédent : un modèle cyclique à régime permanent. Il existe une bonne concordance entre nos prévisions at les données expérimentales. Les auteurs ont trouvé que, quelque soit la distribution massique initiale, le refroidisseur peut atteindre l'état de régime permanent cyclique au bont de 4 cycles ou 1800 s. Les auteurs ont montré que le fabricant a opté pour une durée de cycle fixe et un temps de cycle calculé pour obtenir le meilleur effacement des pics de température de l'évaporateur. Le refroidissement est quasi-optimal dans un modèle de conception compacte.     

Transfert de chaleur par convection naturelle dans une couche poreuse limitée par deux cylindres coaxiaux horizontaux

Natural convection in a porous medium is studied for the geometrical configuration defined by two concentric horizontal cylinders with isothermal and impermeable surfaces, representing a cylinder or a pipe insulated by a layer of porous material. Two methods of investigation are used to approach the phenomenon: experiments on a cell of large aspect ratio (cylinder length to outside diameter), and a numerical model on a two-dimensional plane area. The experimental results reveal three different regimes according to the value of the Rayleigh number. For a finite radial gradient, thermoconvective phenomena develop in the annular layer, but as long as these are not amplified too much, the isotherms remain practically concentric with the cylinders, and heat transfer occurs essentially through conduction. At higher Rayleigh numbers natural convection develops in the form of two-dimensional counter-rotational vortices which are symmetrical with respect to a vertical plane containing the axis common to both cylinders. The third regime, observed at higher Rayleigh numbers, corresponds to a fluctuating evolution of the temperature field which becomes three-dimensional. As the inside cylinder is warmer, instabilities occur in the upper part of the model causing some periodicity of the temperature distribution along a generatrix, with a period of about the radius difference. A relative increase in the heat transfer between the cylinders due to the instabilities is observed. A two-dimensional numerical model, using the method of finite differences, enables us to describe the first two regimes observed experimentally, and to define the temperature field and the streamlines for a given Rayleigh number. The total heat transfer calculated is represented by a correlation between the Nusselt and the rayleigh numbers for many values of the ratio of the radii.The different results are then compared and analysed from a physical point of view.

Résumé

La convection naturelle en milieu poreux est étudiée pour une configuration géométrique définie par deux cylindres concentriques horizontaux à surfaces isothermes et imperméables, modélisant un cylindre ou un tube calorifugé à l'aide d'un matériau poreux. Afin d'appréhender le phénomène, deux moyens d'investigation sont employés: expériences sur une cellule de grande extension (longuer des cylindres/diamètre extérieur) et modélisation numérique sur un domaine bidimensionnel plan.Les résultats expérimentaux font apparaître trois régimes différents suivant la valeur du nombre de Rayleigh; pour un gradient radial non nul les phénomènes thermoconvectifs s'organisent dans la couche annulaire mais tant que ceux-ci ne sont pas trop amplifiés les isothermes restent quasiment concentriques aux cylindres et le transfert de chaleur s'effectue surtout par conduction. Pour des nombres de Rayleigh plus élevés, la convection naturelle se développe sous forme de deux tourbillons contrarotatifs bidimensionnels symétriques par rapport au plan vertical contenant l'axe commun aux deux cylindres. Le troisième régime, observé pour des nombres de Rayleigh plus importants, correspond à une évolution fluctuante du champ de température qui devient en même temps tridimensionnel; le cylindre intérieur étant le plus chaud, les instabilités apparaissent dans la partie supérieure du modèle ce qui crée une certaine périodicité de la distribution de température le long d'une génératrice, la période étant de l'ordre de grandeur de la différence des rayons. Le transfert de chaleur global entre les deux cylindres subit une augmentation relative due aux instabilités. Un modèle numérique bidimensionnel utilisant la méthode des différences finies permet de retrouver les deux premiers régimes observés expérimentalement et de définir le champ de température et les lignes de courant pour un nombre de Rayleigh donné; le transfert de chaleur global calculé est représenté par une corrélation entre le nombre de Nusselt et le nombre de Rayleigh pour plusieurs valeurs du rapport des rayons.Les différents résultats sont ensuite comparés et analysés d'un point de vue physique.     

Conservation par réfrigération de tranches de pommes destinées à l'industrie

This study was carried out on behalf of industrial organisations seeking a more economical ready-to-use raw material of better quality than frozen apple slices.In order to avoid the enzymic browning of peeled apple slices and protect them against fungicidal attack, the product was treated for 30 min in solutions containing various combinations: sucrose, calcium or sodium chloride, ascorbic acid and citric acid.After treatment the slices were drained, packaged and stored at 0°C for five weeks.Sensory quality was evaluated by a taste panel-enzymic browning was measured by tristimulus calorimetry:

1. 1 Sucrose syrup at 30° Brix is beneficial towards maintaining colour and flavour.

2. 2 0.28% calcium chloride will impart a pleasant consistency to apple slices.

3. 3 Anion clorine, even in small doses, will avoid enzymic browning, but not cation calcium.

4. 4 After four weeks at 0°C the stored product will be as good in quality as the fresh fruit if it is subjected to 30 min immersion in a solution containing 30% sucrose, 0.5% sodium chloride and 0.28% annydrous calcium chloride.

The results are discussed in relation to data given in international literature.

Résumé

Etude effectuée à la demande d'industriels recherchant une matière première prête à l'emploi plus économique et de meilleure qualité que les tranches de pommes congelées.Pour éviter le brunissement enzymatique des tranches de pommes pelées, et les protéger des altérations fongiques, on les traite pendant 30 minutes dans les solutions contenant en combinaisons diverses: saccharose, chlorure de calcium ou de sodium, acide ascorbique, acide critique. On effectue ensuite: égouttage, emballage et entreposage à O°C jusqú à 5 semaines.La qualité sensorielle est évaluée par un jury de dégustation; le brunissement enzymatique est mesuré par colorimétrie tristimulus.

1. 1 Le sirop de saccharose à 30° Brix est bénefique au maintien de la couleur et de la flaveur.

2. 2 Le chlorure de calcium (0,28%) donne aux tranches une consistance agreeable.

3. 3 C'est l'anion chlore et non le cation calcium qui, même à faibles doses, empêche les brunissements enzymatiques.

4. 4 Après 4 semaines à O°C, le produit conserve un niveau de qualité très voisin de celui du fruit frais lorsqu'il a subi 30 minutes de trempage dans une solution à 30% de saccharose, 0,5% de chlorure de sodium et 0,28% de chlorure de calcium anhydre.

Discussion des résultats à la lumière des données de la littérature internationale.     

Extinction des incendies dans les chambres à basse température (méthode de noyage par CO2)

L'Auteur décrit un essai entrepris dans une chambre froide, à - 20°C, d'un volume de 7500 m³, en utilisant pour lutter contre le feu la pulvérisation de CO₂ (réservoir d'un volume de 3450 litres).Pendant les 8.5 minutes d'injection de CO₂, la teneur en oxygène, à 30 m du point d'injection, mesurée à 0.5 m, 1 m, 2.5 m audessus du sol de la chambre, était toujours inférieure à la teneur moyenne du CO₂ dans la chambre; ceci montre que la diffusion du CO₂ a été pratiquement instantanée.     

Rheology, flow behaviour and heat transfer of ice slurries: a review of the state of the art

This paper reviews recent studies on rheology, flow behaviour and heat transfer of two-phase aqueous secondary refrigerants (ice slurries). The difficulties in measuring their rheological properties for which standard rheometers prove to be poorly adapted are analysed. Special attention is paid to “vane-in-cup” rheometers, which can make it possible to determine the yield stress. Pressure losses in cylindrical tubes have been measured by many authors. Even if the results generally agree with two-phase flow theory, divergences in sensitivity to the solid fraction can be observed. The stratification observed by some authors for small-Reynolds-number flows and its effects on the pressure drop are addressed. In a last part, information concerning numerical values of the heat transfer coefficient of ice slurries are summarized. Heat transfer coefficients depend on many parameters, but are largely influenced by the flow regime. A geometry of heat exchanger is then proposed, which has already been effective for single-phase flows, and which may enhance heat transfer in ice slurry flows.

Résumé

Cet article passe en revue des études récentes concernant la rhéologie, le comportement des écoulements et le transfert thermique des frigoporteurs diphasiques aqueux (coulis de glace). Les difficultés de mesure des propriétés rhéologiques, pour lesquelles des rhéomètres courants s'avèrent mal adaptés, sont analysées. Une attention particulière est portée sur les rhéomètres du type « vane-in-cup » qui permettent de déterminer la contrainte seuil d'un matériau. Les pertes de charge linéaires dans des canalisations cylindriques ont été mesurées par de nombreux auteurs. Même si les résultats sont genéralement conformes à la théorie des écoulements diphasiques, on peut observer des divergences quant à la sensibilité à la concentration en glace. La stratification, observée par quelques auteurs pour des écoulements à faible nombre de Reynolds, et ses effets sur la chute de pression sont étudiés. Dans une dernière partie, les valeurs numériques du coefficient de transfert thermique des coulis de glace sont récapitulées. Les coefficients de transfert thermique dépendent de nombreux paramètres, mais sont fortement influencés par le régime d'écoulement. Nous proposons enfin un type d'échangeur de chaleur, dont l'efficacité a déjà été remarquée pour des écoulements monophasiques, et il pourrait s'avérer tout à fait adapté à des écoulements de coulis de glace.     

Similarity analysis of energy transport in gas-driven fractures

Gas-driven fracture propagation is important in a variety of blasting technologies. In most applications, the driving gases are very hot and so heat transfer from the gas to the fracture walls strongly influences the speed and the ultimate extent of fracture propagation.In this paper, similarity solutions are presented for the problem of a planar gas-driven fracture propagating into a brittle elastic solid. Local values of the fluid pressure, temperature and speed are computed from the one-dimensional mass, momentum and energy equations governing the turbulent flow of an ideal gas. Crack opening displacements and the stress intensity at the crack tip are calculated from the gas pressure distribution, in accordance with the quasi-steady integral relations from linear/elastic fracture mechanics.Four thermal models are considered in the analysis: isothermal, isentropic, adiabatic with frictional heating, and the more general case with heat transfer to a cold fracture wall. When heat transfer is very weak, the general solution approaches the adiabatic result; when heat transfer is very strong, the general result approaches the isothermal limit. The applicable range of each model is described. Example calculations are presented for a number of applications, including: underground nuclear testing, tailored-pulse well shooting, and near surface blasting.

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Résumé La propagation d'une rupture sous une expansion de gaz est un sujet important dans diverses technologies utilisant les explosifs. Dans la plupart des applications, les gaz régissant la rupture sont très chauds, de sorte que le transfert thermique du gaz aux parois de la rupture a une influence déterminante sur la vitesse de la rupture et sur l'étendue finale de sa propagation. Dans l'étude, on présente des solutions de similitude applicables au problème d'une rupture planaire provoquée par l'expansion d'un gaz, et se propageant dans un solide fragile et élastique. Les valeurs locales de la pression, de la température et de la vitesse du fluide sont calculées à partir d'une série d'équations de masse, de momentum et d'énergie, qui gouverne l'écoule-ment turbulent d'un gaz parfait. On calcule le COD et l'intensité de contraintes à l'extrémité de la fissure en partant de la distribution de pression du gaz, et ce en cohérence avec les relations intégrales quasi stationnaires de la théorie linéaire et élastique de la mécanique de la rupture. On considère dans l'analyse quatre modèles thermiques: le modèle isotherme, le modèle isentrope, le modèle adiabatique avec échauffement par frottement, et le cas le plus général prenant en compte le transfert de chaleur vers la paroi froide de la cassure. Lorsque le transfert calorifique est très faible, la solution générale se rapproche du modèle adiabatique. Lorsqu'il est très important, la solution générale se rapproche d'une limite isotherme. On décrit le domaine applicable à chaque modèle, et des exemples de calculs sont présentés pour diverses applications, comprenant notamment les essais nucléaires souterrains, le tir en puits à impulsions contrôlées, et les explosions au voisinage de la surface du sol.

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This performed at Sandia National Laboratories supported by the U.S. Department of Energy under Contract DE-AC04-76DP00789.     

Void nucleation effects on shear localization in porous plastic solids

The influence of void nucleation occurring during the deformation history on shear localization is investigated by employing a constitutive model of a rate independent porous plastic solid. Both plastic strain controlled and stress controlled nucleation processes are simulated. Two deformation histories are considered, one corresponding to uniaxial tension and the other to plane strain tension. The enhanced triaxiality at the center of a neck is simulated by application of Bridgman's solution for the stress and deformation state at the minimum section of a necked bar. The destabilizing effect that arises when void nucleation is stress controlled and nucleation occurs over a narrow range of stress is illustrated. Results are also presented employing parameter values representative of spheroidized carbon steels employed in a recent experimental study carried out by Fisher [23] and the predictions of the model are discussed in light of the experimental observations.

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Résumé On étudie l'influence de la nucléation de lacunes qui survient au cours de la déformation dans les zones où se produit un cisaillement, en recourant à un modèle constitutif représentant un solide plastique poreux dont les caractéristiques sont indépendantes de la vitesse. On simule à la fois les processus de nucléation sous déformation plastique contrôlée et sous contrainte contrôlée. On considère deux histoires de déformations, l'une correspondant à une contrainte uniaxiale et l'autre à une contrainte appliquée en état plan de déformation. La triaxialité créée au centre d'un rétrécissement est simulée par l'application d'une solution de Bridgman pour déterminer la contrainte et l'état de déformation à la section minimum d'une barre rétrécie. On illustre l'effet déstabilisant qui se produit lorsque la nucléation de lacunes se trouve contrôlée par la tension et qu'elle survient sur une bande étroite de contraintes. Les résultats sont également présentés en recourant à des valeurs paramétriques représentatives pour les aciers au carbone utilisés dans une étude expérimentale récente effectuée par Fisher (23), et l'on discute les prédictions du modèle à la lumière des observations expérimentales.

     

Efficiencies of transcritical CO2 cycles with and without an expansion turbine: Rendement de cycles transcritiques au CO2 avec et sans turbine d'expansion

With the discovery that fluorocarbons may have a profoundly detrimental effect on the earth's atmosphere, it has become necessary to find a suitable replacement for a fluorocarbon-based refrigeration cycle. Such a replacement must perform comparably to current refrigerants, be economically feasible, and significantly reduce the possibility of a negative environmental impact compared with current refrigerants. A review of the literature on the first vapor compression refrigeration cycles indicate that carbon dioxide was used as the working fluid prior to and after the turn of the century. Moreover, recent literature has suggested that carbon dioxide will work for certain air conditioning applications. Initial investigation of the heat transfer properties of carbon dioxide and subsequent modeling of a transcritical carbon dioxide vapor compression cycle suggest potential performance comparable to that of existing refrigeration systems. This paper will present a detailed literature review of carbon dioxide's role in refrigeration cycles and what has been investigated so far to find a suitable application for carbon dioxide as a refrigerant. In addition, two thermodynamic models for transcritical carbon dioxide cycles with and without an expansion turbine have been developed. Both models contain an internal suction-to-supercritical line heat exchange. The efficiencies of the transcritical carbon dioxide cycles will be compared with the ones of conventional HCFC-22 cycles. A second law analysis on both carbon dioxide and HCFC-22 cycles will be included.La découverte de l'effet nocif que peuvent avoir les fluorocarbons sur l'atmosphère terrestre a exigé de trouver des remplaçements aux cycles frigorifiques fondés sur eux. De tels remplaçants doivent avoir un rendement comparable, être économique acceptables et réduire nettement le risque d'impact négatif sur l'environnement.La littérature relative aux premiers cycles à compression de vapeur montre que le dioxyde de carbone fur utilisé à cette fin à la fin du XIXe et au début du XXe siècle. En outre des publications récentes suggèrent que le dioxyde de carbone à certaines applications en conditionnemnt d'air. Un examen préalable des propriétés de transfert de chaleur du dioxyde de carbone puis la modélisation d'un cycle transcritique avec ce fluide suggèrent que l'on peut obtenir ainsi des performances comparables à celles des systèmes frigorifiques actuels. Cet article présente une revue bibliographique détaillée sur le dioxyde de carbone dans les cycles frigorifiques et l'état des recherches effectuées pour trouver une utilisation possible de dioxyde de carbone comme frigorigène. Deux modèles thermodynamiques pour des cycles transcritiques au dioxyde de carbone avec et sans turbine d'expansion ont été réalisés. Ces deux modèles comprennent un échange de chaleur interne entre admission et ligne supercritique. Leurs rendements sone comparés avec ceux de cycles conventionnels, au R22. Une analyse comparée selon la 2e loi y est jointe.     

Axisymmetric delaminations in layered cylinders

An analytical model is developed to predict the effect of an axisymmetric delamination in a layered anisotropic cylinder under different loading conditions. Thin shell assumptions are incorporated into classical laminated shell theory to facilitate the use of the simplified Donnell equations for shell displacements. The critical loading condition under which the debond tends to propagate is predicted based on Griffith's energy balance criterion. A closed-form solution for a simplified model is shown to form the basis for the realistic problem. The effects of the individual ply thicknesses, the crack front curvature, and the axial and shear strains of the laminate reference plane are studied.

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Résumé Un modèle analytique est développé pour prédire l'effet d'une délamination axisymétrique dans le cas d'un cylindre anisotrope à plusieurs couches sous des conditions de charge différentes. On incorpore des hypothèses sur les coques minces dans la théorie des coques colaminées classiques afin de faciliter l'utilisation des équations simplifiées de Donnell pour les déplacements de la coque. La condition critique de sollicitation sous laquelle le décollement tend à se propager est prédite sur la base du critère d'équilibre d'énergie de Griffith. Une solution fermée pour un modèle simplifié apparait constituer la base d'un problème réaliste. Les effets d'épaisseur des différentes couches, la courbure du front de la fissure et les déformations axiales et de cisaillement du plan de référence de la liaison sont étudiés.

     

Saturation densities of new refrigerant mixtures: Densité de saturation de nouveaux mélanges frigorigènes

As has been shown in preceding papers, the vapour–liquid equilibria of binary and ternary mixtures of new refrigerants can be calculated mostly within experimental accuracy using simple cubic equations of state. The parameters of these equations are based on properties of the pure substances and on only a few experimental data of a nearly equimolar mixture of the relevant binary systems: critical temperature, critical pressure and vapour pressure at T/T_c=0.7. For the calculation of the densities of the saturated liquid and vapour of these refrigerant mixtures, a so-called volume transformation is applied to the cubic equations of state. As additional information, only experimental data of the critical density and of the saturated-liquid density, preferably at T/T_c=0.6 and 0.8, are required for the pure substances. The saturated-liquid densities have been calculated in this way for binary and ternary mixtures of R32, R125, R143a, and R134a in a wide range of temperatures. The calculated values agree with the available experimental data mostly within 0.5–1%, which corresponds to the usual scattering of the experimental results. Also, the saturated-vapour densities calculated with the same transformed cubic equations of state were compared with available literature data. The average deviation between experimental and calculated data is about 1.5% for the mixtures.Comme l'ont montré des articles précédents, les données concernant des mélanges binaires et ternaires, de nouveaux frigorigènes à l'équilibre vapeur–liquide peuvent être calculées en général avec la précision des résultats expérimentaux à l'aide d'équations d'átat cubiques simples. Les paramètres de ces équations sont obtenus à partir des propriétés des constituants et de quelques données mesurées d'un mélange à peu près équimolaire des systèmes binaires correspondants: température et pression critiques et tension de vapeur à T/Tc=0,7. Pour calculer les densités du liquide et de la vapeur à saturation pour ces mélanges, une transformation fondée sur les volumes est appliquée aux équations d'átat cubiques. Les seules informations supplémentaires nécessaires sont les valeurs mesurées des densités critiques et du lquide saturé si possible sur T/Tc=0,6 et 0,7 pour les substances pures. Les densités du liquide saturé ont été calculées ainsi pour des mélanges binaires et ternaires de R32, R125 et R134a sur une large gamme de températures. Les valeurs calculées s'écartent en général de moins de 0,5 à 1% des valeurs expérimentales, ce qui correspond en général à la précision de ces dernières. Les densités de la vapeur saturée calculées avec la même équation d'état modifiée ont été comparées avec les valeurs publiées. La différence entre valeurs expérimentales et calculées est en moyenne de quelque 1,5% pour les mélanges.