Méthodes de production du coulis de glace

La réussite de la transition énergétique passera par une plus grande flexibilité de la demande frigorifique, notamment par le biais du recours au stockage de froid, de façon à pouvoir dissocier la production de froid des pics de demande. Il en résultera une consommation d’énergie plus régulière. Le froid peut être stocké de différentes manières (variations de température, transition de phase ou processus de sorption). Le coulis de glace est à ce titre un frigoporteur particulièrement intéressant. Un tel mélange d’eau et de cristaux de glace combine les avantages de l’eau (bonne disponibilité, pas de propriétés chimiques nocives, bonne pompabilité) avec celles de la glace (densité énergétique élevée grâce à la transition de phase). Ce fluide frigoporteur a été étudié dans le cadre de la plateforme de recherche KETEC sur les techniques frigorifiques et énergétiques. Le sous-projet 9 est consacré à l’amélioration de la production du coulis de glace. Cet article donne un aperçu de l’état de la technique et des recherches relatives aux méthodes de production.

Par Jonathan Rausendorf et Prof. Dr-Ing Habil Thorsten Urbanek (Université Technique de Chemnitz, faculté construction mécanique)

Le coulis de glace se compose, d’un côté, de particules de glace, et de l’autre, d’eau et de solutions aqueuses ; les dimensions des particules de glace font habituellement entre 0.1 et 1 mm. En raison de l’enthalpie de la transition de phase de l’eau en glace et des températures plus faibles, le coulis de glace affiche une densité énergétique supérieure à celle des systèmes à eau glacée usuels pour le transport de froid. Parallèlement à cela, les propriétés en termes de transfert de chaleur sont très bonnes, en raison de la faible dimension des particules, ce qui induit une grande surface de contact entre les deux phases. Le point de fusion du coulis de glace peut être influencé par des additifs présents dans l’eau, comme l’éthanol ou le sel. Dans ces cas-là, on parle généralement d’une solution aqueuse. Le taux de glace peut aller jusqu’à 50%, et parfois même 80% dans certains cas spécifiques. Le coulis de glace reste pompable jusqu’à une teneur en glace de 40%. Cette technique est utilisée pour le refroidissement ou la congélation des denrées alimentaires, en refroidissement industriel ou encore pour l’écrêtement des pointes de demande en refroidissement de confort dans les bâtiments. (1-3)

Techniques de production du coulis de glace

Dans les prochains paragraphes, nous revenons sur les techniques connues et sur les derniers développements en matière de production de coulis de glace. Les données sont basées sur une récente étude bibliographique.

La technique du raclage

La production de coulis de glace selon la technique de raclage (figure 1) (1) est la plus utilisée dans la pratique. De la glace se forme à l’intérieur d’un tube dans lequel coule une solution aqueuse. Un réfrigérant refroidit le tube sur sa face extérieure. Un racloir élimine les particules de glace et les mélange au flux d’eau. L’étude menée ces dernières années se concentre notamment sur les différents types et formes de racloirs, sur le choix des matériaux, sur les revêtements ainsi que sur le mouvement du racloir (axial ou rotatif). On cherche ensuite à mieux cartographier les processus d’écoulement dans le tube, ainsi que les processus de transfert de chaleur (2-5). Les racloirs permettent une production continue et stable du coulis de glace. L’usure du racloir démontre qu’un entretien régulier est nécessaire, et parfois même que le racloir doit purement et simplement être remplacé. Ce qui représente un inconvénient évident, tout comme le rendement relativement faible.

La technique du film d’eau

Cette technique ressemble beaucoup à la technique de raclage. À la place d’un racloir, plusieurs tiges tournent dans un tube vertical refroidi de l’extérieur. Ces tiges font en sorte que d’un côté, la paroi interne reste recouverte d’un film d’eau, et de l’autre, que les cristaux de glace qui se forment sur la paroi interne soient éliminées. Les avantages et inconvénients sont comparables à ceux de la technique de raclage. En laissant couler le film d’eau le long de la paroi, le transfert de chaleur se révèle légèrement meilleur. La consommation d’énergie des tiges rotatives est par contre supérieure à celle d’un racloir. Le mécanisme d’entraînement est également plus complexe (1) (6) (8) (9). Aucune amélioration notable n’a été constatée au cours de ces dernières années sur le plan de la recherche.

La technique de l’eau surfondue

La technique de l’eau surfondue fonctionne sans éléments mobiles. La solution aqueuse s’écoule ainsi de manière aussi régulière que possible à travers un tube qui est refroidi le long de la face externe. La température de l’eau diminue jusqu’au point de congélation, permettant ainsi d’éviter la formation de glace grâce à l’effet de surfusion. La cristallisation s’opère dès que l’eau s’écoule hors du tube, générant ainsi la formation de coulis de glace (figure 3). Plus la surfusion est profonde, plus la part de glace dans le coulis est importante. Un des problèmes potentiels est la formation de glace dans le tube même, ce qui doit absolument être évité. Cela peut être réalisé à l’aide d’une couche hydrofuge ou traitée contre la glace sur la paroi intérieure (10). En outre, aucun facteur susceptible de provoquer un givrage ne doit se produire. Cela concerne notamment les propriétés de la surface du tube, le comportement du flux d’eau ou encore des facteurs extérieurs comme les ondes sonores (11 – 13). Ces paramètres limitent les possibilités de formation fiable et continue du coulis de glace jusqu’à une surfusion de l’eau de 0,7 à 1,8 K et une teneur en glace d’environ 2% (14 -16). Des recherches sont également en cours sur l’écoulement de l’eau surfondue. En dirigeant ce jet sur une surface solide ou liquide, il est possible d’influencer la formation de glace. Une température temporairement plus basse peut également entraîner cette formation. Au cours de tests de laboratoire, on a provoqué la formation de glace au moyen d’ultrasons (6) (13). En dehors des contraintes mentionnées, la technique de l’eau surfondue possède les avantages suivants : une conception simple et un rendement plus élevé (6) (7).

La technique de l’injection

Dans cette technique, il y a un contact direct entre la solution aqueuse et le réfrigérant. La glace se forme donc par transfert de chaleur direct entre les deux médiums. Cela implique l’utilisation de réfrigérants solides et liquides à transition de phase. Le réfrigérant ne peut pas être soluble dans l’eau, et il doit également y avoir une différence de densité suffisamment importante. Le tableau 1 montre une sélection de réfrigérants qui sont utilisés dans la technique d’injection.

Un réfrigérant liquide (par ex. le Fluorinert FC84) est pulvérisé dans un réservoir avec une solution aqueuse. La température du réfrigérant est largement inférieure au point de congélation de la solution aqueuse. Le pulvérisateur répartit ce réfrigérant de manière uniforme sur la solution aqueuse. Les gouttelettes entraînent alors la formation de glace. Se forme ainsi un coulis à la surface de la solution aqueuse. La différence de densité fait couler le réfrigérant vers le fond du réservoir, à la suite de quoi il peut être recueilli pour être à nouveau refroidi et injecté. (Figure 4a). (1) (27) (28). L’injection peut s’effectuer par le haut, mais aussi par le bas ou les côtés.(17)

L’injection de réfrigérants gazeux (air, CO₂) s’opère de manière identique, l’injecteur étant généralement placé au fond. Le gaz réchauffé est ensuite recueilli au sommet du réservoir. Et de là, il peut à nouveau être comprimé et injecté (Figure 4b). Étant donné que les gaz ou mélanges gazeux ont en général une capacité thermique spécifique clairement inférieure, le réchauffement du gaz dans le compresseur ou les conduites d’alimentation représente un facteur important. (20) La séparation du gaz et du coulis de glace se déroule alors à nouveau plus facilement. On doit toutefois tenir compte du fait qu’une partie du gaz peut se dissoudre dans l’eau (20) (21).

Les réfrigérants à transition de phase sont également injectés par le bas. Le réfrigérant s’évapore ensuite, et extrait ce faisant de la chaleur de l’eau, ce qui entraîne la formation de particules de glace. Le réfrigérant gazeux remonte au sommet, où il est recueilli ; ensuite, le cycle peut à nouveau commencer. Contrairement au cycle avec gaz ou liquide uniquement, le réfrigérant doit ici non seulement être refroidi, mais il doit aussi à nouveau condenser.

Les atouts de la technique de l’injection sont : une conception simple, un bon transfert de chaleur et un rendement élevé. Un des problèmes potentiels est la formation de glace dans l’installation de pulvérisation. Ensuite, il n’est pas toujours simple de séparer le réfrigérant de l’eau, surtout dans le cas de réfrigérants liquides. En général, il y a toujours une petite quantité de réfrigérant qui se dissout dans l’eau et/ou qui reste piégée dans les particules de glace. Cela peut se révéler problématique lorsque le coulis de glace n’est pas utilisé dans un circuit fermé. (2) (6) (29). On ne trouve pas de publications récentes à propos de l’injection de réfrigérants liquides. L’injection de gaz fait par contre encore l’objet de nombreuses recherches.

La technique du vide

Il existe différentes méthodes pour produire du coulis de glace en créant un vide. Dans une chambre qui est partiellement remplie d’eau, le point triple de l’eau (6 mbar, 273,16 K) est créé à l’aide d’une pompe à vide. Étant donné que la pompe aspire systématiquement de la vapeur d’eau du réservoir, un quantité d’eau de plus importante va s’évaporer. L’énergie nécessaire à l’évaporation est extraite de l’eau liquide, ce qui entraîne la formation de glace ou de coulis de glace (figure 5) (1) (29-32).

Une autre méthode consiste à pulvériser de l’eau dans la chambre à vide. Une étude récente revient sur certains aspects spécifiques de la production du vide, comme la pompe à vide, la condensation de la vapeur d’eau, l’ajout d’additifs pour influencer le point triple, ou encore les propriétés des particules de glace.

Pour cette méthode, on utilise en général uniquement de l’eau, ce qui rend cette technique particulièrement écologique. Le fait de devoir maintenir ce vide entraîne des exigences plus élevées en matière de technique d’installation. De l’important volume spécifique de vapeur d’eau résulte également la taille relativement importante de l’installation. (2) (6).

Autres principes

Une étude présente un processus de récupération (27). Une surface est alternativement refroidie et réchauffée. Des particules de glace se forment pendant la phase de refroidissement. En phase de réchauffement, ces dernières se détachent de la surface et forment ainsi du coulis de glace. Contrairement à la technique du raclage, aucune élément mobile n’est nécessaire. Une autre étude (35) s’intéresse à un processus d’induction pour détacher la glace ; elle suggère son utilisation pour la production de coulis de glace, sans mentionner de processus concret. Ce principe est rarement cité dans la littérature et ne semble plus faire l’objet de recherches.

La technique du lit fluidisé recourt à un échangeur de chaleur tubulaire dans lequel le réfrigérant s’évapore d’un côté. De l’autre côté s’écoule une solution aqueuse. L’eau contient des petites particules, de verre ou de métal par exemple, qui circulent également à travers les tubes (lit fluidisé). Tout comme dans les autres méthodes, de cristaux de glace vont se former sur le paroi du tube. Ces cristaux sont détachés de la paroi par des particules solides. Ces dernières garantissent un meilleur transfert de chaleur. Les particules de glace et les particules solides sont séparées : la glace quitte l’échangeur de chaleur sous forme de coulis, alors que les particules solides restent dans l’échangeur de chaleur (figure 6). La conception simple et stable de l’échangeur de chaleur ainsi que le bon transfert de chaleur constituent les atouts majeurs de cette méthode. Toutefois, lorsque la différence de température entre la paroi et le fluide devient trop grande, la glace va se former en quantité trop importante, et celle-ci ne pourra dès lors plus être suffisamment évacuée par les particules solides. Le fonctionnement stable du processus n’est dès lors plus assuré, ce qui limite l’employabilité du principe. En outre, des débits élevés sont nécessaires pour garantir l’élimination d’une quantité suffisante de glace de la paroi du tuyau. Dans le domaine de la recherche, aucun développement significatif relatif à cette technique n’a été publié au cours des dernières années.

Résumé et conclusions

De l’étude bibliographique, il ressort que les méthodes de production de coulis de glace déjà connues ont continué à être améliorées. Mais fondamentalement, aucune nouvelle méthode n’a été découverte. Les sources ont montré les variations et l’évolution des différents aspects des processus. Différents composants ont ainsi encore été améliorés ; on pense ici au meilleur rendement des pompes à vide ou à l’optimalisation de la forme des racloirs. On a également mené des recherches sur de nouveaux matériaux et revêtements pour la méthode de la surfusion. Idem pour les frigoporteurs alternatifs et les additifs à l’eau. Mais, malgré les avantages théoriques, les applications du coulis de glace restent plutôt rares dans la pratique.

Et c’est précisément ici que le sous-projet 9 de la plateforme de recherche Ketec en réfrigération et technologies de l’énergie veut jouer un rôle (38). Il intègre l’étude de nouveaux processus pour produire du coulis de glace. Les partenaires du projet estiment qu’un processus pouvant évoluer vers de plus grandes puissances présente des avantages. Ces grandes puissances sont nécessaires pour équiper les installations de plus grandes dimensions (réseaux de chaleur, industrie pharmaceutique…). En Allemagne, celles-ci sont désormais exclusivement desservies à l’aide de réservoirs tampons pour coulis de glace (500 – 7.500 m³). Autre point d’attention : l’utilisation et le stockage du coulis de glace dans les installations existantes. Un des avantages potentiels du coulis de glace est de pouvoir accroître la capacité des systèmes de conduites existants en injectant du coulis de glace pour couvrir les charges de pointe.

Remerciements

L’étude qui constitue la base de cet article a été soutenue par le ministère national allemand de l’enseignement et de la recherche, sous la référence 03SF0623A, dans le cadre d’un décret du Duitse Bundestag. Nous remercions tout particulièrement Jülich pour son soutien à l’étude. Les auteurs sont responsables du contenu de l’article.

www.ketec.online

Source: Rausendorf

Bibiliographie

[1] Urbaneck, T.: Kältespeicher. De Gruyter Oldenbourg, 2012. - ISBN 3-486-70776-0

[2] Han, Z.; Ma, Q.; Fang, Y.; Hua, L.; Jin, C.; Huang, J.: Progress and Innovations of Ice Slurry Generation Based on Scraped-surface Method. In: Journal of Physics: Conference Series Bd. 1550, IOP Publishing (2020), Nr. 1550 04202.

[3] Hekmatsyar, D. F.; Rayhan, F. A.; Pamitran, A. S.: Optimization of ice slurry generator with scraper blade coated by teflon for fishery industry. In: AIP Conference Proceedings, 2019.

[4] Martínez, D. S.; Solano, J. P.; Illán, F.; Viedma, A.: Analysis of heat transfer phenomena during ice slurry production in scraped surface plate heat exchangers. In: International Journal of Refrigeration Bd. 48, Elsevier BV (2014), S. 221-232.

[5] Pascual, M. R.; Derksen, J. J.; Rosmalen, G. M. V.; Witkamp, G. J.: Flow and particle motion in scraped heat exchanger crystallizers. In: Chemical Engineering Science Bd. 64, Elsevier BV (2009), Nr. 24, S. 5153-5161.

[6] Zhang, P.; Ma, Z. W.: An overview of fundamental studies and applications of phase change material slurries to secondary loop refrigeration and air conditioning systems. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews Bd. 16, Elsevier BV (2012), Nr. 7, S. 5021-5058.

[7] Zou, L.; Zhang, X.; Zheng, Q.: Research progress on preparation of binary ice by vacuum flash evaporation: A review. In: International Journal of Refrigeration Bd. 121, Elsevier BV (2021), S. 72-85.

[8] Li, Y.-T.; Yundt, A. P.; Ho, I.-C.; Huang, H.: Schutzrecht US5363660A, Orbital type freezing apparatus and method, 1994.

[9] Gladis, S. P.; Marciniak, M.; O’Hanlon, J. B.; Yundt, B.: Ice Crystal Slurry Tes System Using The Orbital Rod Evaporator. In: EPRI International Conference on sustainable thermal energy storage (TES). Conference Proceedings, 1996.

[10] Oechsle, U.; Spindler, K.: Investigation of micro- and nanostructured coatings for heat exchanger surfaces in an ice store. In: Journal of Physics: Conference Series Bd. 745, IOP Publishing (2016), Nr. 032135, S.1-8.

[11] Faucheux, M.; Muller, G.; Havet, M.; LeBail, A.: Influence of surface roughness on the supercooling degree: Case of selected water/ethanol solutions frozen on aluminium surfaces. In: International Journal of Refrigeration Bd. 29, Elsevier BV (2006), Nr. 7, S. 1218-1224.

[12] Inaba, H.; Takeya, K.; Nozu, S.: Fundamental Study on Continuous Ice Making Using Flowing Supercooled Water. In: JSME International Journal Series B Bd. 37, Japan Society of Mechanical Engineers (1994), Nr. 2, S. 385-393.

[13] Inada, T.; Zhang, X.; Yabe, A.; Kozawa, Y.: Active control of phase change from supercooled water to ice by ultrasonic vibration 1. Control of freezing temperature. In: International Journal of Heat and Mass Transfer Bd. 44, Elsevier BV (2001), Nr. 23, S. 4523-4531.

[14] Kauffeld, M.; Gund, S.: Ice slurry – History, current technologies and future developments. In: International Journal of Refrigeration Bd. 99, Elsevier BV (2019), S. 264-271.

[15] Bédécarrats, J.-P.; David, T.; Castaing-Lasvignottes, J.: Ice slurry production using supercooling phenomenon. In: International Journal of Refrigeration Bd. 33, Elsevier BV (2010), Nr. 1, S. 196-204.

[16] Wang, H.; Feng, R.; Duan, H.; Chen, A.: Investigation into the ice generator with double supercooled heat exchangers. In: Applied Thermal Engineering Bd. 98, Elsevier BV (2016), S. 380-386.

[17] Wijeysundera, N. E.; Hawlader, M. N. A.; Andy, C. W. B.; Hossain, M. K.: Ice-slurry production using direct contact heat transfer. In: International Journal of Refrigeration Bd. 27, Elsevier BV (2004), Nr. 5, S. 511-519.

[18] Wahed, M. A.; Hawlader, M. N. A.: An Analysis of a Direct Contact Ice Slurry Generator. In: Heat Transfer: Volume 1: ASMEDC, 2008.

[19] Hawlader, M. N. A.; Wahed, M. A.: Analyses of ice slurry formation using direct contact heat transfer. In: Applied Energy Bd. 86, Elsevier BV (2009), Nr. 7-8, S. 1170-1178.

[20] Zhang, X.; Zheng, K.; Wang, L.; Wang, W.; Jiang, M.; Zhao, S.: Analysis of ice slurry production by direct contact heat transfer of air and water solution. In: Journal of Zhejiang University SCIENCE A Bd. 14, Zhejiang University Press (2013), Nr. 8, S. 583-588.

[21] Thongwik, S.; Vorayos, N.; Kiatsiriroat, T.; Nuntaphan, A.: Thermal analysis of slurry ice production system using direct contact heat transfer of carbon dioxide and water mixture. In: International Communications in Heat and Mass Transfer Bd. 35, Elsevier BV (2008), Nr. 6, S. 756-761.

[22] Stephan, K.; Stopka, K.-D.: Direct contact heat transfer during evaporation of immiscible liquid mixtures. In: International Journal of Refrigeration Bd. 4 (1981), Nr. 2, S. 91-96.

[23] Zhang, Y.; Su, L.; Dong, K.; Liu, T.: Experimental study of ice slurry production system using direct contact heat transfer of RC318 and water in a horizontal pipe. In: Energy Procedia Bd. 158, Elsevier BV (2019), S. 4495-4501.

[24] Kiatsiriroat, T.; Thalang, K. N.; Dabbhasuta, S.: Ice formation around a jet stream of refrigerant. In: Energy Conversion and Management Bd. 41, Elsevier BV (2000), Nr. 3, S. 213-221.

[25] Kiatsiriroat, T.; Vithayasai, S.; Vorayos, N.; Nuntaphan, A.; Vorayos, N.: Heat transfer prediction for a direct contact ice thermal energy storage. In: Energy Conversion and Management Bd. 44, Elsevier BV (2003), Nr. 4, S. 497-508.

[26] Thitipatanapong, R.; Limmeechokchai, B.: An Experimental Study of The Direct Contact Heat Exchanger for Ice Slurry Production. In: Science & Technology Asia Bd. 10 (2005), Nr. 1, S. 57-64.

[27] Kauffeld, M.: Handbook on ice slurries?: fundamentals and engineering. Paris : International Institute of Refrigeration, 2005. - ISBN 2-913149-44-8

[28] Hayder, S.; Hassan Danook, S.; Sultan, H.: Direct-Contact Evaporation Using Different Refrigerants: A Review. In: Basrah Journal for Engineering Science Bd. 20 (2020), Nr. 2, S. 34-47.

[29] Zou, L.; Zhang, X.; Zheng, Q.: Research progress on preparation of binary ice by vacuum flash evaporation: A review. In: International Journal of Refrigeration Bd. 121, Elsevier BV (2021), S. 72-85.

[30] Safarik, M.; Honke, M.; Steffan, C.: Flüssigeis zur Kälte- und Wärmeversorgung, Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH (2017).

[31] Steffan, C.; Heinrich, C.; Safarik, M.; Honke, M.: Highest Efficiency Ice Storage for Solar Cooling Systems – Experiences with a Vacuum Ice Slurry Cold Thermal Energy Storage. In: Proceedings of SWC2017/SHC2017 : International Solar Energy Society, 2017.

[32] Ophir, A.; Rojanskiy, H.; Siluk, R.; Kanievski, A.; Kanievski, L.: Schutzrecht US 2009/0100857, Compact Heat Pump Using Water as Refrigerant, 2009.

[33] Kim, B.-S.; Lee, Y.-P.; Yoon, S.-Y.; Lee, J.-H.: A Study on Ice Slurry Production by Water Spray. In: International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Bd. 6 (1998), S. 45–55.

[34] Shin, H. T.; Lee, Y. P.; Jurng, J.: Spherical-shaped ice particle production by spraying water in a vacuum chamber. In: Applied Thermal Engineering Bd. 20, Elsevier BV (2000), Nr. 5, S. 439-454.

[35] Schaaf, J.; Kauffeld, M.: Ice aluminum debonding with induction heating. In: Journal of Adhesion Science and Technology Bd. 32, Informa UK Limited (2018), Nr. 19, S. 2111-2127.

[36] Meewisse, J. W.; Ferreira, C. A. I.: Validation of the use of heat transfer models in liquid/solid fluidized beds for ice slurry generation. In: International Journal of Heat and Mass Transfer Bd. 46, Elsevier BV (2003), Nr. 19, S. 3683-3695.

[37] Meewisse, J.: Fluidized bed ice slurry generator for enhanced secondary cooling systems. S.l : s.n, 2004. - ISBN 90-90-18122-9

[38] Urbaneck, T.; Matthes, M.; Richter; M. et al.: www.ketec.online. Internetseite Verbundvorhaben KETEC Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik, 19.07.2022.

[39] Urbaneck, T.; Uhlig, U.; Göschel, T.: Große Kaltwasserspeicher – Stand der Technik in Deutschland. ki – Kälte-, Luft- und Klimatechnik Hüthig 55. Jg. (2019) H. 12 S. 48-53.