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

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.The use of closed refrigerated display cabinets in supermarkets has been increased steadily because of the potential energy savings compared to open ones. This growing trend has contributed to the necessity to expand research in the field of retail refrigeration. Most studies in literature, however, focused on the improvements of energy efficiency after door installation while studies on the mechanism of heat transfer and airflow within closed display cabinets are still limited. In fact, the airflow pattern influences the heat exchange between air and products, thus, product temperature. This PhD thesis aims to gain an insight into the mechanism of airflow and heat transfer in closed refrigerated display cabinets by the implementation of experimental and numerical approaches.Experimental investigations were conducted in a closed refrigerated display cabinet (an integral type with a single band air curtain and two double-glazing doors) located in a controlled-temperature test room. Air/product temperatures and air velocity are the main parameters taken into investigations. Eighty calibrated thermocouples distributed throughout the cabinet made it possible to observe the spatial and temporal evolutions of the air and product temperatures under different operating conditions. These conditions were ambient air temperature (15, 19, 24 and 29 °C), product-occupied volume (unloaded, half-loaded and full-loaded with test packages made of methylcellulose), door-opening frequency (0 - permanently closed, 10, 20, 40, 60 Openings Per Hour - OPH) and opening duration (15s and 30s). An automatic door opening system was developed and allowed to apply the opening regime as prescribed in the standard test (EN ISO 23953-2, 2015). The experiment was also conducted in an open configuration of the cabinet (doors were completely removed) to determine the benefits of the doors on the temperature performance. The results showed that when the doors were permanently closed, the temperature distribution in the cabinet was similar whatever the ambient temperatures and occupied-volume percentages – the highest temperature position at the front-top shelf and the lowest temperature position at the rear-bottom shelf. The temperature distribution changed when the doors were periodically or permanently open – the front of the middle shelf became the highest temperature position while the lowest temperature position remained at the rear-bottom shelf. However, the air and product temperatures in the cabinet with doors remained lower despite a very high door-opening frequency (i.e. 60 OPH, product temperatures at least 1.0 °C lower), compared to the case without doors.Air velocity measurement using a hot-wire anemometer at the front of the cabinet from the discharge to the return air grilles allowed to observe the shape of the air curtain, while the measurement in the rear duct allowed to quantify the air flow distribution over the perforated back panel of different shelves. The use of a Particle Image Velocimetry (PIV) technique allowed the characterization of the air curtain with higher spatial resolution and accuracy. The result showed a zone of air recirculation at the upper part of the cabinet where warm ambient air infiltration through the door gaps was also observed, leading to an increase in the air curtain temperature. A 2D-CFD k-ε turbulence model was developed to reproduce the main flow phenomena observed by PIV so that its influence on the internal temperature distribution can be examined.Finally, a simplified heat transfer model was developed based on a zonal approach in both static and dynamic regimes which permits, respectively, the predictions of time-averaged air and product temperatures and temperature fluctuations according to the on/off cycle of the compressor regulation. The dynamic model was solved with a spectral approach, thus the influence of different parameters on the damping of the temperature fluctuations can be identified