Experimental characterization and modeling of airflow and heat transfer in a closed refrigerated display cabinet

Caractérisation expérimentale et modélisation des écoulements d’air et transferts thermiques dans un meuble frigorifique fermé L'utilisation des meubles frigorifiques de vente fermés a augmenté régulièrement dans les supermarchés en raison des économies d'énergie réalisées par rapport aux meubles ouverts. D’où la nécessité d'élargir les connaissances scientifiques à ce type de meuble. Pour l’instant la plupart des études de la littérature ont porté sur l'amélioration de l'efficacité énergétique après l'installation de portes, tandis que les études sur les mécanismes de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés sont rares. De plus, il convient d’étudier également les circulations d’air car ils influencent les échanges de chaleur entre l’air et les produits, donc leur température. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les phénomènes d’écoulement d’air et de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés par la mise en œuvre d'approches expérimentales et numériques.Des investigations expérimentales ont été menées sur un meuble frigorifique fermé placé dans une cellule d’essai à température contrôlée. Quatre-vingts thermocouples calibrés répartis dans le meuble ont permis d’observer les évolutions spatio-temporelles des températures de l’air et du produit dans différentes conditions de fonctionnement. Nous avons fait varier la température de l'air ambiant (15, 19, 24 et 29 ° C), le volume occupé par le produit (meuble vide ou plus ou moins chargé de blocs de méthylcellulose) et la fréquence d'ouverture des portes (0 : fermé en permanence, 10, 20, 40, 60 Ouvertures Par Heure - OPH). Des expériences ont également été réalisées dans une configuration ouverte du meuble frigorifique (portes complètement retirées) afin de déterminer les avantages des portes sur les performances thermiques.Les résultats ont montré que lorsque les portes étaient fermées en permanence, les champs de température étaient similaires quels que soient la température ambiante et le pourcentage de volume occupé : la température la plus élevée se situe à l’avant de l'étagère supérieure alors que la température la plus basse est observée à l’arrière de l'étagère inférieure. Cette répartition change lorsque les portes sont périodiquement ou définitivement ouvertes : la position où la température est la plus élevée migre vers l’avant de l'étagère du milieu. Même pour une fréquence très élevée d’ouverture des portes (60 OPH), les températures de l’air et des produits dans le meuble fermé sont restées plus basses d’au moins 1,0 ° C par rapport au meuble sans portes.Des mesures de vitesse d'air par anémométrie à fil chaud au niveau du rideau d’air ont permis d'observer son allure générale tandis que les mesures effectuées dans le conduit arrière ont permis de quantifier la répartition du flux d'air à travers le plaque arrière perforée. L’utilisation d’une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV) a permis de caractériser le rideau d’air avec une résolution et une précision spatiale supérieures. Les résultats ont notamment montré l’existence d’une zone de recirculation de l'air dans la partie supérieure du meuble où l’on observe également une infiltration d'air ambiant chaud par les fentes présentes autour des portes. Ceci induit une augmentation de la température du rideau d'air. Des simulations numériques bidimensionnelles d’écoulement (CFD) avec le modèle de turbulence k-ε ont permis de reproduire les principaux phénomènes d'écoulement observés par PIV et de voir leur influence sur la distribution de température dans le meuble.Enfin, un modèle simplifié des transferts de chaleur a été développé par une approche zonale en régime permanent et en régime transitoire ce qui permet respectivement de prévoir les températures moyennes de l’air et du produit et les fluctuations de température en fonction des cycles marche / arrêt du compresseur. Le modèle transitoire a été résolu avec une approche spectrale. L'influence de différents paramètres sur les niveaux de température et l'amortissement des fluctuations peut ainsi être identifiée.