Synthèse du chapitre

Dans ce chapitre, l’installation expérimentale basse température et son fonctionnement ont été présentés. Quatre sections d’essais aux dimensions caractéristiques comparables ont été testées en charge et en décharge : un tube lisse en inox, un faisceau de sept tubes en inox, un tube en acier avec des ailettes longitudinales et un tube en cuivre avec des ailettes circulaires. Plusieurs configurations d’injection ont été testées, notamment l’injection par le haut et par le bas en position verticale et l’injection sur le côté en position horizontale. Cette campagne d’essais a donc permis de mettre en exergue l’importance des phénomènes liés à la gravité et montrer ou non la faisabilité technique des différents modes d’utilisation. L’analyse des fronts de fusion/solidification ainsi que des températures apporte une compréhension assez précise du comportement du MCP à la fois de manière globale mais aussi de manière locale.

En résumé, les courbes de températures présentent une forme typique d’un changement de phase. Cinq modes principaux sont mis en évidence lors de la charge et la décharge :

- L’augmentation/diminution de la température de l’état initial jusqu’au point de fusion. En charge, cette courbe caractérise un transfert essentiellement conductif entre le fluide caloporteur et le MCP solide. En décharge, la pente de la courbe peut être influencée par les mouvements de convection naturelle qui peuvent se mettre en place en début d’essai dans le MCP liquide.

- La quasi-stabilisation de la température entre les points de début et de fin de changement d’état, Tsolidus et Tliquidus, correspondant au changement de phase. La présence de deux températures de début et de fin de changement d’état traduit le fait que le MCP est impur.

- L’augmentation/diminution de la température du point de changement de phase à un point de stabilisation. Cette deuxième quasi-stabilisation correspond à une diminution du flux échangé étant donné l’apport ou la perte de chaleur engendré par l’échange du liquide/solide avec l’extérieur. Elle peut aussi correspondre à la fusion/solidification d’une zone sans ailettes qui augmente la résistance thermique globale et tend à faire se stabiliser les températures situées en amont du front de fusion/solidification.

- L’augmentation/réduction de la température jusqu’à une température de stabilisation, proche de la température d’injection.

Dans les échangeurs ne bloquant pas les mouvements de MCP liquide, la répartition des courbes de températures en fonction de la position axiale pour la configuration verticale et angulaire pour la configuration horizontale est influencée par la convection naturelle. La convection naturelle permet notamment d’homogénéiser les températures dans le MCP liquide en début de décharge, inversant la stratification thermique en décharge par le haut dans les échangeurs à tube lisse ou retardant la solidification des zones supérieures de l’échangeur à faisceau de tubes en décharge à l’horizontale. Elle apporte en outre du MCP liquide chaud dans les zones supérieures de l’échangeur en charge par le bas et permet de rogner la couche de solide superficielle de haut et bas et non de bas en haut. La convection naturelle est donc à prendre en compte dans l’analyse des performances de chaque configuration d’injection.

L’expansion volumique à la fusion ou la contraction volumique à la solidification influencent également la répartition axiale (pour la position verticale) et angulaire (pour la position horizontale) des courbes de température. L’augmentation ou la baisse du niveau liquide permet l’apparition d’un deuxième front de fusion/solidification évoluant de haut en bas dans l’échangeur et ce même dans le design à ailettes circulaires où les mouvements de liquide sont pourtant cloisonnés entre deux ailettes et le long de l’hélice.

Pour sélectionner la meilleure configuration d’injection, plusieurs critères sont pris en compte comme :

- Le temps d’essai qui doit souvent être le plus court possible pour garantir une puissance thermique suffisante

- L’évolution du front de fusion/solidification de type piston pour simplifier la gestion thermique des réservoirs de stockage. L’avancée régulière du front permet d’une part de limiter les contraintes mécaniques dans l’échangeur, notamment celles liées à l’expansion volumique et rend possible le contrôle du niveau de charge/décharge lors d’une charge/décharge partielle.

- Pour les mêmes raisons, une répartition de la température assez marquée en fonction de la position axiale sera préférée. Dans un système sans visualisation, la simple analyse des courbes de température permettra ainsi de connaître la position du front de fusion/solidification et l’état de charge/décharge du réservoir.

- Enfin, les décharges utilisant un maximum de surface d’échange sans la création de vides permettent un meilleur échange lors de la charge suivante.

Pour toutes ces raisons, la charge par le haut et la décharge par le bas sont sélectionnées.

L’analyse qualitative des phénomènes de transfert thermique dans différents échangeurs a ainsi permis de comprendre l’impact non négligeable de la convection naturelle mais aussi de l’expansion/rétreint volumique. La mise en évidence de ces mouvements de liquides et de leur influence sur les fronts de fusion/solidification a mené à la sélection de configurations d’injection préférentielles. Afin de valider le comportement du liquide en charge par le haut et en décharge par le bas, une étude numérique a été réalisée dans le design où les mouvements de convection naturelle sont prépondérants : le faisceau de tubes. Cette analyse numérique est présentée dans le chapitre IV.

Par ailleurs, l’analyse qualitative présentée dans ce chapitre expérimental ne permet pas de comparer les échangeurs entre eux. Bien que les essais aient été réalisés avec des paramètres expérimentaux les plus proches possibles, les conditions limites ne sont pas identiques entre les différents essais. Trop de divergences dans les températures initiales, les géométries et les métaux utilisés sont à déplorer. Les courbes de fluide caloporteur habituellement utilisées pour comparer les échangeurs entre eux n’apportent, par ailleurs, pas suffisamment d’informations sur les puissances échangées et l’énergie stockée étant donné le niveau d’incertitude trop grand sur le profil de température en régime laminaire. Ainsi, pour comparer les échangeurs entre eux une analyse quantitative prenant en compte les différences entre les géométries, les températures d’injection et températures initiales est proposée et sera décrite dans le chapitre V.

Chapitre IV : Modélisation du