Après avoir présenté dans le chapitre bibliographique quelles étaient les différentes possibilités pour améliorer le transfert thermique dans les MCP, un choix a été arrêté sur la solution la plus facile à mettre en œuvre et à priori la moins coûteuse : les échangeurs à surface de transfert augmentée. Il convient maintenant de comprendre comment se comporte le MCP dans de tels systèmes de stockage latent grâce à une étude expérimentale à basse température qui permet d’observer les comportements en températures et grâce aux fronts de fusion/solidification. L’impact de la gravité et des mouvements de MCP liquides sont aussi étudiés grâce à la possibilité d’injecter le fluide caloporteur par le haut ou par le bas de la section d’essais mais aussi grâce à la possibilité de basculer tout l’échangeur à l’horizontale. Les aspects énergétiques et performances seront abordés au chapitre V.
1. Objectifs
L’objectif de ce chapitre consiste à identifier les phénomènes de transferts thermiques prépondérants dans différentes géométries d’échangeurs type tube-calandre. Pour ce faire, une installation expérimentale à basse température est utilisée pour tester quatre échangeurs aux dimensions caractéristiques comparables et aux propriétés thermo-physiques fondamentalement différentes. Les phénomènes de transfert thermique sont analysés en corroborant les fronts de fusion/solidification observés au travers d’une calandre transparente aux profils de température dans le MCP. L’impact de la gravité sur les phénomènes de transfert thermique est analysé grâce à la possibilité d’injecter le fluide caloporteur par le haut ou le bas des sections d’essais et la possibilité de placer la section d’essais à l’horizontale.
2. Présentation du dispositif expérimental à basse température
2.1. Description détaillée de l’installation expérimentale
L’installation expérimentale "SLEEP" est destinée à tester des échangeurs de chaleur, type tube-calandre, dont la calandre est remplie d’un MCP. Elle permet de réaliser des cycles de charge et de décharge de chaleur dans du MCP tout en observant les fronts de fusion/solidification à travers une calandre transparente faite de polycarbonate ainsi qu’en mesurant la température locale par un jeu de thermocouples. Une photo de l’installation expérimentale est présentée sur la Figure III- et un schéma de principe est visible sur la Figure III-2.
Section d’essais
Bains thermostatés
Caméra
Pompes
Figure III-1 : Photographie de l’installation expérimentale à basse température
L’installation expérimentale est composée de différents composants :
- Deux bains thermostatés Fisher Scientific type CC 240 (Bain 1) et CC 405 (Bain 2) permettent de chauffer et refroidir l’eau qui est utilisée comme fluide caloporteur. Chacun est équipé d’une pompe interne permettant la circulation du fluide à l’intérieur du bain.
- Deux pompes centrifuges ISMATEC MCP-Z Standard (Pompe 1 et Pompe 2) reliées chacune à un des bains thermostatés assurent la mise en circulation du fluide caloporteur dans le circuit et permettent le contrôle précis du débit dans le circuit par un réglage électromagnétique (à 10-2 kg/h près).
- Un système de vannes (V0XX) permet le passage du fluide caloporteur dans les deux sens de l’échangeur, c'est-à-dire soit de haut en bas, soit de bas en haut.
- Un échangeur de chaleur de type concentrique est connecté à l’installation et appelé par la suite Section d’Essais ou encore Design. Celle-ci est composée d’un tube réservé au passage du fluide caloporteur et entourée d’une calandre en plexiglass©. L’espace annulaire entre le tube et la calandre est rempli d’un MCP.
- Un bypass contrôlé par des vannes trois voies (V100/V101 et V200/V201) est utilisé pour garder l’échangeur à une température constante tout en stabilisant le circuit de mesure à une autre température. Ce bypass est donc utilisé principalement avant un essai pour maintenir l’échangeur à une température initiale avant d’injecter le fluide caloporteur à la température d’injection souhaitée qui circule dans le circuit de mesure. Afin d’étudier l’influence du sens de circulation du fluide caloporteur dans les sections d’essais (soit de haut en bas, soit de bas en haut), un système de vannes a été mis en place :
- Pour une circulation de haut en bas : les vannes V011 et V021 sont ouvertes, les vannes V012 et V022 sont fermées.
- Pour une circulation de bas en haut : les vannes V012 et V022 sont ouvertes, les vannes V011 et V021 sont fermées.
- Le bypass et la section d’essais étant montés sur un châssis raccordé à la boucle par des flexibles, il est également possible de passer la section d’essais à l’horizontale. Différents instruments de mesure sont mis en place sur la boucle pour contrôler le débit et la température. Notamment, un débitmètre massique type Coriolis Micromotion Rosemount DS012S (FR002) en entrée du circuit de mesure pour mesurer le débit mais aussi des thermocouples type K avec un diamètre de 1 mm mis en place sur le circuit pour contrôler la température du fluide caloporteur. Il est possible de mesurer la température du fluide caloporteur sur le circuit pendant les phases de stabilisation et d’essais et surtout la température du fluide caloporteur en entrée et en sortie de la section d’essais pour calculer les bilans thermiques. Tous les signaux de mesures de ces instruments sont récupérés par des multiplexeurs associés à une centrale d'acquisition de marque Agilent, type 34970A, connectée à un ordinateur.
L’eau est utilisée comme fluide caloporteur. Les propriétés thermo-physiques de l’eau telles qu’utilisées pour l’analyse sont récapitulées dans le Tableau III-1.
Tableau III-1 : Propriétés thermo-physiques de l’eau telles qu’utilisées dans les calculs Propriétés ρ λ Cp μ
Unité kg/m3 W/(m.K) J/(kg.K) Pa.s
2.2. Description des sections d’essais
2.2.1. Echangeurs sélectionnés
Quatre échangeurs type tube-calandre aux dimensions caractéristiques comparables ont été testés sur la boucle expérimentale. Les photos et caractéristiques de ces sections d’essais sont présentées sur la Figure III-3.
a) Tube lisse en inox b) Faisceau de 7 tubes en inox
c) Ailettes longitudinales acier d) Ailettes circulaires en cuivre
Figure III-3 : Photographies des 4 sections d’essais testées sur l’installation expérimentale
Tous les tubes ont une longueur d’environ 400 mm et une hauteur de MCP liquide de 390 mm. Les sections d’essais tube lisse et ailettes présentent des diamètres intérieur et extérieur proches du standard DN15 inox. Les tubes utilisés dans le faisceau de tube ont un diamètre extérieur de 6 mm et une épaisseur de tube de 1 mm. Le diamètre intérieur de la calandre est proche de 40 mm. Toutes les dimensions des sections d’essais sont détaillées sur la Figure III-4.
a) b)
a b c d
Métal
utilisé Inox Inox Acier Cuivre
Dtube, ext mm 21.3 6 19.3 19.7 Dtube, int mm 15 4 14.3 14.7 Dcal, int mm 41 41 40 40 Dailettes mm 38 38.4 Hcal mm 400 400 396 396 HMCP mm 390 390 386 389 Veau L 0.071 0.03 5 0.064 0.067 Vmétal, tube L 0.072 0.04 3 0.052 0.053 Vmétal, ailettes L 0 0 0.085 0.066 VMCP L 0.376 0.43 8 0.288 0.304 Vcal L 0.528 0.52 8 0.498 0.498 𝑽métal 𝑽cal (-) 0.14 0.08 0.28 0.24 Figure III-4 : a) Schéma de principe de la section d’essais, b) dimensions caractéristiques des quatre
sections d’essais sélectionnées
Les sections d’essais sont raccordées à l’installation expérimentale grâce à des raccords clamps brasés ou soudés au tube central, selon que le tube est en inox, acier ou cuivre comme présenté pour la section d’essais ailettes circulaires en cuivre sur la Figure III-5. Des brides inférieures et supérieures sont ajoutées afin de maintenir la calandre qui ferme la section d’essais. Des passages étanches sont positionnés en haut et en bas de la section d’essais pour contrôler la température du fluide caloporteur en entrée et en sortie d’échangeur.
Figure III-5 : Photographie de la section d’essais ailettes circulaires en cuivre avant mise en place de la calandre : détails des raccords et passages étanches