Intensification par ajout d’une structure métallique

Une troisième technique consiste à compartimenter le PCM dans une structure métallique. L’utilisation de cette structure est une solution connue depuis longtemps pour améliorer les transferts de chaleur. On connaît par exemple les structures en ailettes disposées sur des surfaces chaudes pour permettre de les refroidir par convection (moteur de scooter, composant électronique, radiateur électrique). Dans le cas du stockage de chaleur, il est question de remplir les interstices entre les ailettes de PCM. Moins fréquemment, cette structure peut prendre la forme d’un nid d’abeilles. Il s’agit d’une structure assez complexe à fabriquer puisqu’elle nécessite un moule, mais très efficace thermiquement parlant. Nous traitons de chacune de ces structures dans les deux prochains sous-paragraphes.

4.3.1 Intensification à l’aide d’ailettes métalliques plates

L’optimisation des dimensions d’ailettes métalliques en contact avec un matériau PCM est régulièrement étudiée par la communauté scientifique. Saha et Dutta (Saha 2010) établissent des corrélations à partir de données de simulations. Ces corrélations, portant sur les nombres adimensionnels (Nu, Ste, Ra, voir Annexe 1) ainsi que sur les résistances thermiques, sont valables dans le cas d’une paraffine (35°C) dans des compartiments rectangulaires. A des niveaux de température un peu plus élevés, Leland & Recktenwald (Leland 2003, Figure 2.13) étudient le refroidissement d’un composant électronique en plaçant sur sa surface des ailettes d’aluminium, séparées par de la paraffine (47°C). Leur étude porte sur l’optimisation des dimensions des ailettes et des compartiments pour améliorer les transferts de chaleur du composant vers le TES. Leurs résultats de simulation les amènent à proposer les rapports de dimensions suivants :

 L/B = 0,8875

 b/B = 0,0125

 s/w = 0,275

Figure 2.13. Optimisation des dimensions de l’ailette par Leland et al.

Toujours dans le cas de composants électroniques, d’ailettes plates en aluminium et de paraffine (47°C), Wang et al. (Wang 2008) s’attachent à simuler l’influence des mouvements fluides et de l’expansion volumique. Les travaux de Levin et al. (Levin 2013) portent également sur la protection de composants électroniques. Toujours avec de la paraffine (37°C) et des ailettes en aluminium mais dans le cas du bâtiment cette fois, Kozak et al. (Kozak 2013) proposent de stocker l’énergie thermique dans leur TES à partir d’une source chaude et de piloter la diffusion de la chaleur à partir de la convection forcée de l’air ambiant. Kozak et al. mettent en évidence de bonnes performances thermiques

appuyées par des résultats de simulations. La Figure 2.14 montre le dispositif expérimental. Kozak et al. rapportent également des difficultés à contenir la paraffine liquide dans les compartiments dédiés. Une fois liquide, la paraffine se glisse partout, et il est difficile de rendre étanche le TES.

(a) (b)

Figure 2.14. (a) Photo du banc expérimental développé par Kozak et al. et (b) schéma du banc Dans le domaine du solaire concentré, Longeon et al. (Longeon 2013) proposent de stocker l’énergie dans un PCM autour d’un tube dans lequel le fluide de transfert circule (Figure 2.15). Pour intensifier les transferts de chaleur, des ailettes sont placées sur la paroi extérieure du tube, perpendiculaires à l’axe. Ces ailettes compartimentent le PCM. Les auteurs étudient le procédé avec une première approche à basse température en utilisant une paraffine (35°C) en guise de PCM et une paroi en plexiglas (cylindrique) autour des ailettes de façon à visualiser le changement d’état. Ils étudient enfin le sens d’écoulement du fluide, en charge et en décharge, sur les transferts thermiques. Selon eux, il est plus intéressant de charger le TES en apportant le fluide par le bas de façon à favoriser la convection naturelle et donc le temps de charge. Pour la décharge, le sens d’écoulement a moins d’influence car les auteurs précisent que la convection naturelle est quasi inexistante.

Figure 2.15. Banc expérimental développé par Longeon et al.

Malgré de nombreuses recherches sur l’intensification des transferts de chaleur par ailettes plates, aucune ne répond au problème des hautes températures actuellement ni même au problème du stockage de courte durée.

4.3.2 Intensification à l’aide d’un nid d’abeilles métallique

Comme nous venons de le voir dans le paragraphe précédent, la paraffine est un PCM souvent utilisé pour le stockage thermique latent. Ainsi Hasse et al. (Hasse 2011), dans l’objectif d’amélioration des performances énergétiques du bâtiment, proposent l’utilisation d’un nid d’abeilles en aluminium,

remplis de paraffine (fusion à 27°C) implanté dans les murs. Leur montage expérimental a subi des cycles thermiques journaliers entre 11 et 39°C.

Dans le domaine de l’électronique, Mahmoud et al. (Mahmoud 2013) proposent une étude paramétrique sur la taille et la forme des compartiments de PCM et l’influence sur les transferts thermiques pour le stockage de l’énergie dissipée par un composant (Figure 2.16).

Figure 2.16. Différentes géométries de compartiments étudiées par Mahmoud et al.

Les conclusions des auteurs sont relatives à leur niveau de température (inférieur à 100°C) et de puissance (de 3 à 5 W). Ils précisent néanmoins que l’utilisation de la structure en nid d’abeilles :

 Fournit des performances thermiques similaires aux compartiments carrés ;

 Permet d’alléger la masse totale du TES ;

 Permet d’avoir un assemblage plus simple ;

 Permet de réduire les coûts de fabrication.

Enfin le fait de compartimenter le PCM dans une structure métallique et d’autant plus indispensable que les puissances de charge ou de décharge sont élevées. La structure en nid d’abeilles composé de métal s’intègre donc parfaitement au stockage de protection que nous voulons développer.

Ce qu’il faut retenir

Intensification des transferts de chaleur dans un TES à chaleur latente

L’intensification des transferts de chaleur dans le matériau à changement de phase se fait par ajout de particules de graphite dans le PCM, ou par compartimentage du PCM dans des capsules (basse température). Une structure métallique peut servir à compartimenter le PCM. A haute température, la structure métallique semble la solution la plus facile à mettre en œuvre. Néanmoins, un TES à chaleur latente à plus de 600°C faisant interagir des PCMs et une matrice métallique n’a jamais été étudié. De nombreux exemples existent à des températures inférieures à 100°C pour la gestion de la température des composants électroniques. La structure métallique se présente sous la forme d’ailettes plates ou d’un motif de type nid d’abeilles. La géométrie à ailettes plates sera testée en première approche. La conception du TES avec une structure plus proche du nid d’abeilles sera ensuite étudiée car elle présente un intérêt en terme de réduction de la masse du TES.

Conclusion

Pour protéger thermiquement les modules absorbeur, un stockage de protection placé directement sur la face arrière est envisagé. Chaque module absorbeur a une surface d’échange de 40x20 cm et nécessite 5 MJ d’énergie thermique. Le TES doit fournir cette quantité d’énergie avec une densité de flux maximale de 125 kW/m² durant 15 minutes. La chaleur latente est le moyen technique de stockage retenu. Cela présente une bonne densité énergétique et donc un gain de masse et de volume à l’arrière du récepteur. La très bonne capacité de stockage thermique des matériaux à changement de phase (et en particulier leur chaleur latente de fusion) est un critère déterminant pour stocker une grande quantité d’énergie dans un volume minimum à l’arrière d’un module absorbeur. Parmi de nombreux PCM, le carbonate de lithium, qui fond à 723°C, est choisi. Le PCM est compatible avec le cuivre qui est le matériau principal constitutif du récepteur. Mais sa faible conductivité thermique est un facteur limitant pour les transferts de chaleur du TES vers le module absorbeur. Il est donc question de placer une structure métallique pour compartimenter le PCM. Cette structure doit être en contact avec la surface arrière du module absorbeur de façon à augmenter la surface d’échange thermique. Au cours du chapitre suivant, un modèle numérique est développé pour servir d’outil de dimensionnement d’un banc expérimental du stockage.

Références

Publications : dans l’ordre alphabétique du nom du premier auteur

A. Abhat, “Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials”, Solar Energy 30 (1983) 313-332 W.T. Barrett, P.M. Brown, “Eutectic mixture as a flux for glass metls” US Patent, July 1982

H. Bas, V. Ozceyhan, “Heat transfer enhancement in a tube with twisted tape inserts placed separately from the tube wall”, Experimental Thermal and Fluid Science 41 (2012) 51-58

S. Bellan, T. Alam, J. Gonzalez-Aguilar, M. Romero, M. Rahman, D. Goswami, E. Stefanakos, “Numerical and experimental studies on heat transfer characteristics of thermal energy storage packed with molten salt PCM capsules” Applied Thermal Engineering 90 (2015) 970-979

A. Boubault, B. Claudet, O. Faugeroux, G. Olalde, J.J. Serra, “A numerical approach to study the accelerated aging of a solar absorbeur material”, Solar Energy 86 (2012) 3153-3167

A. Boubault, « Etude du vieillissement de matériaux sous haut flux solaire concentré – application aux récepteurs surfaciques des centrales solaires thermodynamiques », Thèse de Doctorat, Université de Perpignan (2013)

L. Cabeza, A. Castell, C. Barreneche, A. de Gracia, A. Fernandez, “Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: a review”, Renewable and Sustainable Energy reviews 15 (2011) 1675-1695

N. Calvet, X. Py, R. Olivès, J.P. Bédécarrats, J.P. Dumas, F. Jay, « Enhanced performances of macro-encapsulated PCM by intensification of the internal effective thermal conductivity”, Energy 55 (2013) 956-964

N. Calvet « Stockages thermiques performants et durables pour procédés solaires : des basses aux hautes températures », Thèse de Doctorat, Université de Perpignan (2010)

B. Cardenas, N. Leon, “High temperature latent thermal energy storage: Phase change materials, design considerations and performance enhancement techniques”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 27 (2013) 724-737

H. Le Chatelier, Compte rendu 118, 350 (1894)

M. Farid, A. Khudhair, S. Razack, S. Al-Hallaj, “A review on phase change energy storage: materials and applications”, Energy Conversion and Management 45 (2004) 1597–1615

A. Gil, M. Medrano, A. Lazaro, P. Dolado, B. Zabla, L. Cabeza, “State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation Part 1, concepts, materials and modellization”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 31-55

N.Gokon, D. Nakano, S. Inuta, T. Kodama, “High temperature carbonate/MgO composite materials as thermal storage media for double-walled solar reformer tubes”, Solar Energy 82 (2008) 1145-1153

N. Gokon, S. Nakamura, K. Matsubara, T. Kodama, “Carbonate molten-salt absorber/reformer: heating and steam reforming performance of reactor tubes”, SolarPaces, Energy Procedia 49 (2014) 1940-1949

N. Gokon, S. Nakamura, T. Yamagushi, T. Kodama, “Cyclic properties of thermal storage/discharge for Al-Si alloy in vacuum for solar thermochemical fuel production”, SolarPaces, Energy Procedia 69 (2015) 1759-1769

C. Hasse, M. Grenet, A. Bontemps, R. Dendievel, H. Sallée, “Realization, test and modeling of honeycomb wallboards containing a phase change material”, Energy and Buildings 43 (2011) 232-238

H. Inaba, P. Tu, “Evaluation of thermophysical characteristics on shape stabilized paraffin as a solid liquid phase change material”, Heat and Mass Transfer 32 (1997) 307-312

G. J. Janz, M. R. Lorenz, “Solid-liquid phase equilibria for mixtures of lithium, sodium, and potassium carbonates”, Thermodynamics vol. 6, No 3, July 1961

G. J. Janz, E. Neuenschwander, F. J. Kelly, Trans Faaday Soc. 59, 841, 1963

G.J. Janz, C. B. Allen, N.P. Bansal, R. M. Murphy, R. P. T. Tomkins, “Physical properties data compilations relevant to energy storage II Molten salts : Data on single and multi-component salt systems” National Standard Reference Data System (NSRDS), US Department of Commerce, pp 102 – 112, April 1979

M.M. Kenisarin, « High temperature phase change materials for thermal energy storage », Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 955-970

L. Kourkova, G. Sadovska, Heat capacity, enthalpy and entropy of Li2CO3 at 303.15-663.15 K”, Thermochimica Acta 452 (2007) 80-81

Y. Kozak, B. Abramzon, G. Ziskind, “Experimental and numerical investigation of a hybrid PCM-air heat sink”, Applied Thermal Engineering 59 (2013) 142-152

C. Lai, S. Hokoi, “Thermal performance of an aluminum honeycomb wallboard incorporating microencapsulated PCM”, Energy and Buildings 73 (2014) 37-47

D. Laing, T. Bauer, N. Breidenbach, B. Hachmann, M. Johnson, “Development of high temperature phase change material storages”, Applied Energy 109 (2013) 497-504

J. Leland, G. Recktenwald, “Optimization of a PCM heat sink for extreme environments”, Proceedings of the 19th annual IEEE semiconductor thermal measurement and management symposium (2003)

P. Levin, A. Shitzer, G. Hetsroni, “Numerical optimization of a PCM-based heat sink with internal fins”, International Journal of Heat and Mass Transfer 61 (2013) 638-645

M. Longeon, A. Soupart, J. Fourmigué, A. Bruch, P. Marty, “Experimental and numerical study of annular PCM storage in presence of natural convection”, Applied energy 112 (2013) 175-184

Q. Liu, R. A. Lange, “New density measurements on carbonate liquids and the partial molar volume of the CaCO3 component”, Contrib Mineral Petrol 146 (2003) 370-381

S. Mahmoud, A. Tang, C. Toh, R. Dadah, S. Soo, “Experimental investigation of inserts configuration and PCM type on the thermal performance of PCM based heat sink”, Applied Energy 112 (2013) 1349-1356

E. Onder, N. Sarier, E Cimen, “Encapsulation of phase change materials by complex coacervation to improve thermal performances of woven fabrics”, Thermochimica Acta 467 (2008) 63-72

J.E. Pacheco, H.E. Reilly, G.J. Kolb, C.E. Tyner, “Summary of the Solar Two test and evaluation program”, Sandia National Laboratories, US, report SAND2000-372C, (2000)

S. Pincemin, X. Py R. Olives, M. Christ, “Highly conductive composites made of phase change materials and graphite for thermal storage”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 92 (2008) 603-613

M. Romero, R. Buck, and J.E. Pacheco, “An update on solar central receiver systems, projects and technologies”, Journal of Solar Energy Engineering 124 (2002) 98-108

S.K. Saha, P. Dutta, « Heat transfer correlations for PCM-based heat sinks with plate fins », Applied Thermal Engineering 30 (2010) 2485-2491

A. Salomé, « Développement d’un outil de contrôle de la répartition du flux solaire concentré sur un récepteur de centrale à tour – application à la centrale de Thémis », Thèse de Doctorat, Université de Perpignan (2012)

A.S. Trunin, “Designing and investigations of salt systems for solar energy utilization”, Utilization of sun and other radiation sources in materials research. Kiev: Naukova Dumka (1983) 228-38 [in Russian]

L.F. Volkova, Izvest, Sibir, Otdel, Akad, Nauk, SSSR 7, 33 (1958)

M. Vrinat, « Contribution au développement d’un absorbeur surfacique à air pressurisé haute température pour centrale solaire à concentration à tour », Thèse de Doctorat, Université de Perpignan (2010)

X.Q. Wang, C. Yap, A.S. Mujumdar, “A parametric study of phase change material (PCM)-based heat sinks”, Int Jour of Thermal Sciences 47 (2008) 1055-1068

Z. Wang, H. Wang, X. Li, D. Wang, Q. Zhang, G. Chen, Z. Ren, “Aluminum and Silicon based phase change materials for high capacity energy storage”, Applied Thermal Engineering 89 (2015) 204-208

C. Yaws, “Transport properties of chemicals and hydrocarbon” (2009), ISBN 978-0-8155-2039-9

H. Zhang, X. Wang, D. Wu, “Silica encapsulation of n-octadecane via sol-gel process: A novel microencapsulated phase-change material with enhanced thermal conductivity and performance”. Energy Journal of Colloid and Interface Science 343 (2010) 246-255

Y. Zheng et al. “Experimental and computational study of thermal energy storage with encapsulated NaNO3 for high temperature applications”, Solar Energy 115 (2015) 180-194

M. Zukowski, “Mathematical modeling and numerical simulation of a short term thermal energy storage system using phase change material for heating applications”. Energy Conversion and Management 48 (2007) 155-165

Références provenant d’internet :

Fiche internationale de sécurité chimique du carbonate de lithium : http://www.cdc.gov/niosh/ipcsnfrn/nfrn1109.html

Chapitre 3 : Modélisation numérique