Echangeurs de chaleur

La bonne gestion thermique du système entier engendre les bonnes caractéristiques opérationnelles du réservoir. Timothée et al [77] ont étudié l’effet de la variation du flux de refroidissement sur le temps de remplissage en dihydrogène, le matériau est le Ti1.1MnCr, et l’échangeur de chaleur utilisé dans cette étude est un échangeur de chaleur tubulaire. En augmentant l’intensité du flux de refroidissement, la température interne du réservoir converge plus rapidement vers sa valeur initiale, en gardant par conséquent une bonne force motrice (écart entre pression appliquée réelle et pression d’équilibre) pour la réaction d’absorption.

Cette convergence rapide de la température interne indique une bonne efficacité de la gestion thermique du réservoir, ce qui est rattaché directement au coefficient de la convection thermique du flux de refroidissement. Dans le tableau 8, les coefficients de convection en fonction du flux de refroidissement sont indiqués.

58 Flux massique (g/s) Coefficient de convection h (W m⁄ ²k) Corrélation utilisée

0,006 900 Hausen

0,013 1100 Hausen

0,06 7200 Petukhov

0,16 17000 Petukhov

0,32 30000 Petukhov

Tableau 8: Coefficient de convection en fonction du flux de refroidissement [77]

D’autre part, Tsutomu et al [78] ont examiné l’effet de l’implémentation d’un échangeur de chaleur à ailettes. L’idée de l’utilisation d’un échangeur de ce type est d’augmenter la surface d’échange thermique afin de gérer rapidement tout changement brusque de température.

Normalement, avec l’augmentation de la surface d’échange thermique, l’efficacité du système augmente en améliorant les temps de remplissage et vidange du réservoir. Par ailleurs, Satya Sekhar et al. [79] ont proposé une analyse de performance pour un réservoir à hydrure qui est couplé avec différents types d’échangeurs de chaleur. Dans leur étude, les types d’échangeurs de chaleur se divisent en deux catégories : interne et externe. Dans le cas interne, les formes étudiées sont les suivantes : échangeur tubulaire rectiligne et échangeur hélicoïdal (forme d’hélice). En revanche, dans le cas externe, les formes étudiées sont des échangeurs avec ou sans ailettes. L’étude de ces familles d’échangeurs de chaleur a montré que, pour la gestion thermique par implémentation interne ou externe, la dynamique de remplissage a été améliorée dans l’ordre d’efficacité par : gestion interne (échangeur tubulaire rectiligne), gestion externe (échangeur sans ailette), gestion interne (échangeur hélicoïdal) et enfin gestion externe (échangeur avec des ailettes transversales). Le sujet de l’optimisation des échangeurs de chaleur dans les réservoirs à hydrures a encore de l’importance car ces résultats servent à concevoir le système pour améliorer le temps de remplissage/vidange. Raju et al [80] ont encore présenté une optimisation entre trois types d’échangeurs de chaleur : échangeur de chaleur multitubes parallèles interconnectés par des ailettes, échangeur de chaleur hélicoïdal, échangeur de chaleur multitubes parallèles. La figure 29 représente un dessin schématisé de ces trois types d’échangeurs de chaleur.

59 Figure 29 : Types d'échangeurs de chaleur étudiés par Raju et al. [80] (a- échangeur multitubes

interconnectés par des ailettes, b-échangeur hélicoïdal, c- échangeur multitubes parallèles) Les résultats ont montré que l’échangeur à forme hélicoïdale assure une gestion thermique optimum pour les réservoirs à hydrure. Dans le même but d’optimisation des échangeurs de chaleur, d’autres types ont été développés et étudiés par Garrison et al [81]. La figure 30 montre les deux types utilisés dans leur étude. Cette étude a montré que l’échangeur tubulaire à ailettes transversales a une efficacité thermique meilleure que l’échangeur à ailettes longitudinales.

Concernant les réservoirs à hydrure, le mécanisme du refroidissement en cas d’absorption est le suivant : le fluide qui est situé à proximité de l’hydrure commence à se réchauffer et à se vaporiser tout en diffusant le long du tube pour arriver à un dissipateur thermique (système de refroidissement), où il libère la chaleur emmagasinée dans le milieu extérieur. En cas de désorption, le mécanisme inverse de transfert se produit (la chaleur sera apportée d’une source extérieure vers le réservoir à hydrure).

Figure 30 : Types d’échangeurs de chaleur étudiés par Garrison et al. [81] (a- échangeur tubulaire à ailettes transversales, b- échangeur tubulaire à ailettes longitudinales)

60 Liu et al [82] ont étudié sous forme théorique le rôle des ‘heat pipes’ (dispositif pour le transfert de chaleur par transition de phase) dans l’amélioration du temps de remplissage d’un réservoir à hydrure. Leur étude a indiqué que l’utilisation des ‘heat pipes’ accroît le taux d’absorption, et par conséquent diminue le temps de remplissage. De plus, cette étude a révélé que l’efficacité des transferts thermiques dépend du rayon des tubes (‘pipes’), cette efficacité augmente en réduisant la valeur du rayon. Chung C et al [83] ont trouvé expérimentalement que l’utilisation des ‘heat pipes’ dans les réservoirs à hydrures affecte positivement la vitesse d’absorption et de désorption, la figure 31 montre, dans le cas d’absorption, l’amélioration du temps de remplissage.

Figure 31 : Temps de remplissage pour deux configurations (avec et sans ‘heat pipes’) [83]

A partir des travaux de recherche cités, il s’avère que la gestion thermique d’un système de stockage solide de dihydrogène est le facteur majeur qui influe sur l’efficacité du remplissage/vidange d’un réservoir. Plusieurs stratégies d’implémentation d’échangeurs de chaleur ou de ‘heat pipes’ peuvent être envisagées, seule l’étude d’optimisation de ces systèmes indique la stratégie et les types les plus efficaces.

Le couplage du réservoir à hydrure avec un échangeur de chaleur, sera abordé lors de l’étude théorique de la réaction de stockage dans la poudre d’alliage TiFe0.9Mn0.1 (chapitre 4). La configuration de l’échangeur de chaleur qui sera alors utilisé est mono-tubulaire rectiligne comme celui de Sekhar et al. [79]. La différence sera l’échange thermique externe (le fluide caloporteur circulant dans l’espace annulaire sur la surface extérieure du réservoir, avec une circulation longitudinale). Ce type d’échangeurs de chaleur concerne toute la surface d’échange

61 avec le réservoir, ce qui a pour effet d’améliorer les performances des échanges thermiques.