Analytical and numerical investigation of spray freezing for mine heating

Pour atteindre l'objectif defini par Ottawa de zero emission nette d'ici 2050, il est imperatif pour l'industrie miniere de s'orienter vers des options d'energie durable qui peuvent non seulement augmenter les sources d'energie a base de combustibles fossiles, mais egalement reduire l'empreinte carbone de la mine. Dans ce contexte, la congelation par pulverisation est une nouvelle technologie de chauffage des mines qui a le potentiel d'utiliser les conditions subarctiques du nord du Canada pour fournir la climatisation aux mines toute l'annee. Le concept, bien que seduisant en theorie, est complique par les phenomenes physico-chimiques multi-echelles et multi-physiques associes au processus de changement de phase de l'eau. Ainsi, afin d'explorer davantage cette option renouvelable et rentable pour le chauffage et le refroidissement de l'air d'une mine, il est essentiel de comprendre les processus thermophysiques et cinetiques qui régissent les differentes etapes du processus de congelation.Cette these etudie la thermodynamique hors equilibre et les effets cinetiques d'interface pour toutes les etapes de la solidification des gouttelettes par des methodes analytiques, numeriques et statistiques. La these commence par la presentation d'une revue de pointe de la modelisation des etapes de nucleation, de croissance dendritique et de congelation à l'equilibre pour une gouttelette d'eau spherique en surfusion. La these procède ensuite au développement d'une solution de perturbation singuliere dans la limite du faible nombre de Stefan et du nombre arbitraire de Biot pour le probleme de Stefan biphase dans un domaine spherique fini. Une nouvelle solution asymptotique est obtenue pour une gouttelette a une temperature initiale non glaciale soumise a une condition aux limites convectives à la surface. La nucleation, la croissance dendritique et les modeles asymptotiques developpes sont en outre combines dans un cadre semi-analytique qui predit avec precision chaque etape de la congelation des gouttelettes. La formulation de changement de phase sans equilibre de l'etape de recalescence est couplee a une approximation de changement de phase quasi-stationnaire en utilisant des series de perturbations pour l'etape de congelation à l'equilibre afin de produire une solution de forme fermee precise de la dynamique de congelation. Les resultats du modele combine sont compares a trois ensembles de donnees experimentales differents et a un modèle numerique CFD base sur la methode enthalpie-porosite. Le cadre analytique d'ordre reduit entraine une reduction d'environ 98% du temps de calcul par rapport a la solution numerique avec une precision comparable de 5% avec les donnees experimentales. En outre, pour incorporer les effets de la dynamique de recalescence sur le temps de congelation et la chaleur liberee pendant le processus de congelation, l'etude formule un modele de croissance cristalline inventif couple a un modele de nucleation heterogene. Un cadre statistique est developpe pour l'analyse de sensibilite qui utilise la methode de Monte-Carlo pour quantifier rigoureusement l'influence de l'auto-diffusivite et du facteur cinetique d'interface sur le modele de croissance cristalline. Les parametres du modèle sont optimisés a l'aide d'un code integre qui utilise la minimisation de la methode de la somme des moindres carres. Ce cadre pour une seule gouttelette est en outre etendu a une configuration de pulverisation pour calculer la thermodynamique du processus de congelation par pulverisation pour une mine souterraine profonde. Les resultats indiquent que le modele semi-analytique predit de maniere robuste les caracteristiques thermiques du potentiel de congelation par pulverisation pour le chauffage de la mine. Le taux de chaleur tel que predit par le modele se compare a moins de 5 % des donnees de terrain de la mine Frood-Stobie

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