Soutenance mémoire
Stockage de l’énergie thermique et les MCP
Phénomène de changement de phase
Plusieurs études expérimentales et numériques sont aussi réalisées afin d’analyser et comprendre le comportement de changement de phase des MCP en fusion/solidification.
Une étude expérimentale et numérique a été réalisée par Regin et al. pour analyser le comportement de fusion de MCP avec des capsules cylindriques en aluminium remplies de MCP (paraffine) et placées horizontalement dans un réservoir de stockage d’eau chaude domestique provenant d’un champ solaire. Un système de visualisation en bout de capsules permet de voir l’évolution du front de fusion sans perturber l’échange. Des images prises toutes les 5 min lors d’une charge avec de l’eau à 75 °C sont visibles sur la. Au début de l’essai, ils ont pu voir une fusion concentrique autour de la capsule, puis la fusion des zones supérieures, alors que la partie inférieure est restée quasiment solide jusqu’à la fin de l’essai.
Systèmes de stockage avec et sans MCP
Ahmad et al. ont simulé numériquement avec TRNSYS et ont validé par une étude expérimentale, le comportement thermique d’une cellule ayant des parois associant MCP et VIP en le comparant à une cellule ayant des parois ne comportant pas de MCP. Les auteurs ont montré que l’utilisation de matériaux à changements de phase (MCP) dans le bâtiment permet d’augmenter l’inertie thermique
tout en gardant de faibles épaisseurs (25 mm) de parois. Ainsi que le couplage avec un super-isolant (VIP : Vacuum Insulation Panel) permet d’augmenter encore cette inertie telle que durant le déstockage, ils ont observé que la température de la cellule avec MCP s’abaisse à 23 °C alors que la température extérieure était proche de 12 °C. Varol et al. ont déterminé expérimentalement les performances d’un capteur solaire en utilisant les carbonates de sodium décahydraté (Na2CO310H2O) comme MCP, dont la température de fusion est de 33 °C. Ce dernier a été placé au fond du collecteur et lui ont ajouté une huile spéciale pour accélérer le transfert thermique. Le fluide (eau) circule dans le système par une pompe centrifuge .
Le matériau à changement de phase (MCP) a fait l’objet d’une étude expérimentale au mois de mars et l’efficacité des capteurs a été évaluée. Les résultats des expériences ont été comparés avec ceux d’un système conventionnel sans MCP. Ils ont prouvé que le système de capteur solaire avec MCP (Na2CO310H2O) est plus efficace par rapport au système conventionnel (sans MCP) à cause du stockage important de l’énergie durant la journée.
Combinaison des MCP
Une autre technique pour améliorer les performances du stockage latent, consiste à associer plusieurs MCP qui ont des températures de fusion différentes. Le taux de chaleur transférée dans l’unité de stockage et les performances du système dépendent en premier lieu de la différence de température entre le fluide caloporteur et le point de fusion du MCP pour cela, un grand nombre de publications est tourné vers l’étude d’associer plusieurs MCP dans les stockages latents. Ainsi, T. Watanabe et al. ont développé un module de stockage de chaleur latente avec des taux de stockage et de déstockage rapides, composé de trois types de MCP ayant des températures de fusion différentes remplies dans des capsules cylindriques pour un échangeur. L’eau était utilisée comme fluide caloporteur . Les auteurs ont observé une augmentation de taux de stockage et déstockage de la chaleur en particulier avec un faible débit d’eau.
Utilisation des MCP dans le bâtiment
Le stockage d’énergie est considéré actuellement comme un moyen de mieux géré la demande de l’énergie dans le secteur du bâtiment. Dans plusieurs situations, nous pouvons stocker de l’énergie solaire dans les MCP et l’utiliser. Benmansour a présenté une étude numérique du stockage de l’énergie thermique par chaleur latente à basses températures (0 °C à 100 °C) dans un lit cylindrique multicouche composé de trois sections de hauteurs égales .
Chaque section contient des sphères uniformes remplies d’un matériau à changement de phase avec des températures de fusion différentes, disposées au hasard et traversées par un flux d’air. Un modèle numérique mono dimensionnel à deux phases séparées a permis de prédire la distribution axiale de la température du fluide et du matériau le long du lit, ainsi que les performances de ce lit fixe dans les deux modes de stockage et de récupération de la chaleur pour une température du fluide à l’entrée constante. Le modèle développé s’applique à la fois pour un processus de changement de phase isotherme et non isotherme. L’évolution de la température à l’intérieur du lit a permis de déterminer les domaines de stockage les plus efficaces et de définir par conséquent les dimensions optimales de l’unité de stockage. Ainsi, ce modèle a montré que l’utilisation de trois MCP au lieu d’un seul se traduit par un gain énergétique sensible en particulier pour les faibles débits et peut être appliqué à un lit multicouche composé d’un nombre de sections quelconques.
Critères de choix et de conception de systèmes de stockage
Si la capacité thermique, qui est la quantité d’énergie stockée et restituée, est un point clé dans la conception d’un système de stockage, le choix de la technologie de stockage est crucial. Les critères de choix d’une technologie de stockage dépendent du besoin, auquel on associe un cahier de charges, des contraintes de réglementation, de coût et d’environnement… Tous ces points doivent être pris en compte lors de la conception et du dimensionnement de l’unité de stockage. Lors de l’étude du besoin, se pose également la question de la durée de stockage :
de quelques heures à une journée, pour la gestion des sources intermittentes productrices de la chaleur en journée et restituée le soir ;
de plusieurs mois, stockage saisonnier du surplus de la chaleur produit en été et restituée en hiver.
parmi les trois principes de stockage thermique (sensible, latent ou thermo chimique) le choix porte donc sur des critères :
thermodynamiques (température de fusion, capacité calorifique, conductibilité thermique…).
physiques et chimiques (stabilité chimique, absence de décomposition et corrosion…).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Recherche bibliographique
1.1. Introduction
1.2. Utilisation des MCP dans les systèmes de stockage
1.3. Phénomène de changement de phase
1.4. Systèmes de stockage avec et sans MCP
1.5. Amélioration du transfert thermique dans les MCP
1.5.1 Macro-encapsulation
1.5.2 Ailettes
1.5.3 Améliorer de la conductivité thermique …
1.5.4 Augmentation du flux transféré par utilisation de MCP multiples
1.6. Combinaison des MCP
1.7. Utilisation des MCP dans les bâtiments
Chapitre 2 : Stockage de l’énergie thermique et les MCP
2.1. Introduction
2.2. Stockage d’énergie
2.2.1. Types de stockage d’énergie
2.2.2. Classification des systèmes de stockage de l’énergie thermique
2.2.3. Principes du stockage d’énergie thermique
2.2.4. Types de stockage d’énergie thermique
2.2.5. Critères de choix et de conception de systèmes de stockage
2.2.6. Phénomène de changement de phase liquide-solide
2.2.7. Comparaison entre les changements de phase
2.2.8. Phénomènes influençant sur l’efficacité du stockage
2.3. Echangeurs de chaleur
2.3.1. Définition
2.3.2. Types d’échangeurs
2.4. Ailettes
2.4.1. Définition
2.4.2. Principe
2.4.3. Types d’ailettes employées dans les échangeurs de chaleur
2.5. Matériaux à changement de phase
2.5.1. Définition
2.5.2. Types de MCP
2.5.3. Avantages et inconvénients des trois types de MCP
2.5.4. Critères du choix d’un MCP
2.5.5. Applications
2.5.6. Matériaux de stockage à chaleur sensible
Chapitre 3 : Procédure expérimentale
3.1. Introduction
3.2. Banc expérimental
3.3. Echangeurs de chaleur
3.4. La cire de paraffine (MCP)
3.5. Chaine d’acquisition
3.5.1. Description du logiciel LabView
3.5.2. Présentation de l’interface
3.6. Installation des thermocouples
3.7. Etalonnage, précision et sensibilité des capteurs
3.8. Procédure expérimentale
3.9. Positionnement des échangeurs
Chapitre 4 : Résultats et interprétations
4.1. Introduction
4.2. Stockeur avec un seul échangeur (configuration 1)
4.3. Stockeur avec deux échangeurs (configuration 2)
4.4. Stockeur avec trois échangeurs (configuration 3)
4.5. Effet du nombre d’échangeur sur la différence de température de l’air
4.6. Effet du nombre d’échangeur sur l’énergie échangée
4.7. Effet de l’espace entre les échangeurs
4.8. Effet du nombre d’échangeur sur l’efficacité du stockeur
Conclusion générale
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