Augmentation de la surface d’échange

Une dernière solution, présentée dans cette partie consiste à intégrer le MCP dans un échangeur à surface augmentée afin de maximiser le flux total transféré. Cette technique est beaucoup plus facile car elle consiste bien souvent à utiliser des designs d’échangeurs déjà existants et à les adapter ou les améliorer pour une application spécifique, en fonction des puissances et des densités énergétiques envisagées.

- L’encapsulation du MCP qui permet de travailler dans un échangeur en batch avec lit fixe.

- L’utilisation d’ailettes, qu’elles soient transverses ou longitudinales.

- La mise en place d’un faisceau de tubes ou de tubes en U.

Une synthèse des publications les plus pertinentes associées à ce type de méthodes est présentée ci-après.

4.3.1. Macro-encapsulation

Une première solution pour augmenter la surface d’échange est de piéger le MCP dans une capsule conductrice et compatible avec le MCP et le fluide caloporteur. L’extension de la surface d’échange ainsi créée permet d’augmenter le flux de chaleur transféré au MCP. Cette technologie réduit les dimensions caractéristiques de transfert et évite la formation de trop grandes résistances thermiques. Les principales fonctions et spécifications d’une capsule de MCP sont les suivantes [91] :

- La capsule doit avoir une bonne résistance mécanique, éventuellement de la flexibilité, tenir à la corrosion et être compatible avec le MCP et fluide caloporteur envisagés. - La capsule joue le rôle de barrière pour protéger le MCP des interactions néfastes avec

son environnement.

- La capsule doit apporter suffisamment de surface de transfert.

- Sa structure doit être stable thermiquement et chimiquement et sa fabrication facile. Il existe deux types d’encapsulation : la macro-encapsulation et la micro-encapsulation. La macro-encapsulation consiste à piéger une quantité significative de MCP dans des capsules de différentes géométries et de les utiliser dans un échangeur à lit fixe. C’est en faisant circuler le fluide caloporteur dans ce lit fixe que l’échange se fait, comme illustré sur la Figure II-32. La quantité de MCP encapsulée peut varier du gramme jusqu’au kilogramme par unité.

Figure II-32 : Container à lit fixe avec capsules de MCP [91]

Dans le cas de la micro-encapsulation, le MCP est contenu dans de petites sphères dont le diamètre est de l’ordre du micromètre. Le matériau de stockage est alors appelé « coulis » ou « slurry » en anglais, fluide toujours transportable avec une phase solide qui ne peut pas figer autour de la surface d’échange. Cette technique permet de mettre en mouvement le MCP dans les échangeurs par convection forcée et est développée dans le paragraphe 4.2.

Plusieurs géométries de macrocapsules peuvent être utilisées. Certaines de ces géométries sont présentées sur la Figure II-33.

Le choix de la capsule dépend essentiellement de l’application envisagée. Les capsules flexibles en plastique ont été développées pour les applications à basse température. Pour les applications à plus haute température, les capsules en métal (acier, cuivre, aluminium), plus robustes, sont préférées. La rigidité des capsules en métal rend la gestion de la pression à l’intérieur plus compliquée à cause de l’expansion volumique du MCP lors de la fusion. Dans ce cas, environ 20 % du volume de la capsule est laissé vide pour permettre au MCP de fondre sans générer de surpressions et ainsi limiter les risques de fuites [92]. Une publication plus récente propose cependant une nouvelle technique d’encapsulation pour limiter la part de vide nécessaire à l’expansion volumique [93].

a) Billes de métal [52] _{b) Billes de polyolefine [52]}

c) Capsules cylindriques en métal, projet DISTOR [92]

d) Autre type de capsules cylindriques [50]

e) Panneau plat en métal [52] ^{f) Panneau plat en polypropylène [52]}

Figure II-33 : Différentes géométries utilisées pour la macro-encapsulation

Quelques installations expérimentales ont été développées par différents auteurs. A.F. Regin

et al. [91] a recensé l’ensemble des travaux expérimentaux réalisés sur les capsules en fonction de leur forme.

Une étude expérimentale et numérique a été réalisée par A.F. Regin et al. [94] avec des capsules cylindriques en aluminium remplies de MCP et placées à l’horizontale 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 Figure II-34.

Figure II-34 : Images prises toutes les cinq minutes lors de la fusion d’une paraffine dans une capsule cylindrique : en blanc, la phase solide et en noir, la phase liquide [94]

Au tout début de l’essai, entre les instants a) et b), on peut voir une fusion concentrique autour de la capsule, qui correspond à un mode conductif. Ce mode est très court puisque la convection naturelle prend le dessus et permet aux zones supérieures de fondre en premier, laissant la partie inférieure solide quasiment jusqu’à la fin de l’essai.

Un modèle conductif-convectif basé sur les résultats expérimentaux a été développé et utilisé dans une étude paramétrique pour déterminer la géométrie optimale des capsules lors d’une charge. On peut ainsi voir sur la Figure II-35 l’évolution du temps complet de fusion pour différents nombres de Stefan et différents rayons de capsules. Le nombre de Stefan est un nombre adimensionnel qui représente le rapport entre la chaleur sensible et la chaleur latente dans un système en changement de phase solide-liquide.

𝑆𝑡𝑒 =^{𝐶𝑝(𝑇fusion− 𝑇)} ∆h_S-L

(II-6)

Figure II-35 : Evolution du temps complet de fusion dans une capsule cylindrique en aluminium pour différents rayons et nombres de Stefan [94]

Il en ressort que le diamètre des capsules a un impact sur le temps de fusion et que plus le rayon est petit, plus la fusion est rapide. Ce qui semble être en accord avec l’idée que la diminution des dimensions caractéristiques d’échange permet de réduire la résistance thermique du MCP. Par ailleurs, la diminution du nombre de Stefan qui est équivalente à une réduction du gradient de température entre le point de fusion du MCP et la température extérieure de la capsule conduit à l’augmentation du temps de fusion. La diminution du

a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l)

gradient de température réduit en effet la puissance de transfert entre la capsule et le fluide caloporteur à l’extérieur de celle-ci.

La macro-encapsulation est ainsi un moyen de réduire les dimensions caractéristiques de transfert dans les MCP. Sa mise en œuvre peut être compliquée par l’expansion volumique des MCP lors de la fusion. De plus, l’étude de la stabilité thermique des capsules et la compatibilité chimique entre le MCP et sa capsule est nécessaire pour assurer la fonctionnalité du système à long terme.

4.3.2. Tubes ailetés

Lorsque l’on se place dans la configuration d’un échangeur tube-calandre, une des possibilités d’augmentation de la surface d’échange est l’utilisation d’ailettes. Celles-ci peuvent prendre plusieurs formes regroupées dans le Tableau II-2.

Un nombre conséquent d’études expérimentales a été réalisé sur les échangeurs latents avec ailettes. Les plus pertinentes ont été classées ci-après par type d’ailettes et orientation de l’échangeur. L’état de l’art sur les ailettes est classé en deux parties :

- Les ailettes circulaires à l’horizontale et à la verticale

- Les ailettes longitudinales à l’horizontale et à la verticale

A chaque fois, il sera montré l’intérêt de la configuration par rapport à un cas de référence, puis le design sera observé et enfin les mécanismes de transfert principaux seront mis en évidence.

Tableau II-2 : Types d’ailettes et schémas associés [95] Ailettes hélicoïdales, les plus courantes,

appelées ailettes transverses

Ailettes annulaires

Ailettes à piquant

Ailettes en fil préformé

Ailettes longitudinales

4.3.2.1. Ailettes circulaires

A l’horizontale

Intérêt des ailettes à l’horizontale

M. Medrano et al. [96] a comparé trois échangeurs de chaleur type tube-calandre, dont un avec des ailettes transverses et deux échangeurs compacts présentés sur la Figure II-36 à l’horizontale. Ces échangeurs ont été testés en fusion et en solidification grâce à de la paraffine RT35 ayant une température de fusion de 35 °C, proche de la température ambiante, lors d’essais en fusion et en solidification. Les deux échangeurs compacts 4) et 5) présentent une bonne compacité, respectivement de 209 m²/m³ et 89 m²/m³ mais leur poids, de 4.3 kg et 15 kg respectivement, complique leur utilisation. L’échangeur 3) présente une compacité de 70 m²/m³ et un poids de 1.8 kg, ce qui est deux fois moins lourd que l’échangeur 4). Les échangeurs 1) et 2) ont des poids comparables à celui de l’échangeur 3) avec respectivement 1.5 et 1.8 kg mais une compacité limitée étant donné que la surface d’échange est limitée au tube central. Pour la configuration 2), la présence de graphite peut compenser la surface d’échange limitée.

Par ailleurs, dans cette étude, tous les échangeurs ne sont pas remplis avec la même quantité de MCP. Ainsi, il est possible de calculer à l’avance quelle sera la part d’énergie stockée en latent dans le MCP et la part d’énergie stockée en sensible dans l’échangeur à vide. La part d’énergie latente est calculée en multipliant la masse de MCP à la chaleur latente et en divisant par la plage de température du changement de phase, de 27 à 42 °C. La part d’énergie sensible est simplement le produit de la capacité calorifique des matériaux de l’échangeur par la masse. Les résultats pour chacun des échangeurs sont présentés dans les deux colonnes de droite du tableau. Le rapport entre la part d’énergie latente et la part d’énergie sensible doit être le plus grand possible. Ainsi, les échangeurs 1), 2) et 3), à tubes concentriques sont ceux qui stockent l’énergie majoritairement dans le MCP. L’échangeur 5) stocke quant à lui deux fois plus d’énergie en sensible qu’en latent.

Ainsi, si une analyse est faite sur les simples volumes de MCP, le poids des échangeurs, la compacité, et la part d’énergie sensible et latente, l’échangeur 1), simple tube concentrique en cuivre et l’échangeur 5), échangeur à plaque d’Alfa Laval sont éliminés : le premier car il présente une surface d’échange trop limitée, le deuxième car son poids est trop élevé et l’ajout de plaques métalliques transforme le système de stockage en un stockage majoritairement sensible.

Type d’échangeur de chaleur Photo de l’échangeur de chaleur ^Poids (kg) Compacité (m²/m3) Energie latente (kJ/°C) Energie sensible (kJ/°C) 1) Tube simple