Stockage d’énergie thermique par changement de phase – Application aux réseaux de chaleur

par Matthieu Martinelli

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Philippe Marty.

Le président du jury était Jean-Pierre Bedecarrats.

Le jury était composé de Vittorio Verda, Jean-François Fourmigué, Fabrice Bentivoglio.

Les rapporteurs étaient Didier Delaunay, Christophe Pradere.


  • Résumé

    Cette étude concerne un système de stockage d’énergie thermique par changement de phase, de type tubes et calandre et destiné à être raccordé à la sous-station d’un réseau de chaleur. Le travail s’axe autour des transferts thermiques dans le MCP et du régime de convection dans le fluide caloporteur.La première étude expérimentale s’attache à montrer l’importance des inserts à l’intérieur du tube où circule le fluide caloporteur, pour sortir des régimes de convection mixte défavorables au système. Deux tubes ailettés sont testés avec deux types d’insert différents. Les inserts testés sont cylindriques et hélicoïdaux. Les performances thermiques sont meilleures avec ces derniers. Les tubes ont des densités d’ailettes suffisamment élevées pour que les transferts thermiques par convection, dans le MCP, soient négligeables. Une approche analytique a permis d’estimer les conductivités thermiques effectives dans le MCP au contact des ailettes à partir des résultats expérimentaux. Elles sont estimées à 7,4 et 10,9 W/m/K pour des densités d’ailettes de 7 et 10 fpi respectivement.La seconde campagne expérimentale se penche sur des géométries d’échangeurs novatrices : des tubes équipés soit d’une mousse stochastique en cuivre, soit d’une mousse régulière en aluminium. Les conductivités thermiques effectives sont estimées à 13,4 et 39,5 W/m/K respectivement. Le potentiel de ces échangeurs est mis en avant à travers des comparaisons avec d’autres géométries d’échangeurs. En particulier, l’échangeur à mousse de cuivre permet de transférer plus d’énergie en un temps plus court qu’un échangeur à ailettes radiales en cuivre, bien que la quantité de cuivre dans la mousse soit moindre que dans les ailettes.Enfin, un modèle numérique de CFD 2D-axisymétrique est validé expérimentalement. Ce modèle confirme que la convection naturelle a une influence négligeable sur les performances thermiques à l’échelle du système, mais qu’elle joue un rôle dans la forme du front de fusion entre et en périphérie des ailettes.

  • Titre traduit

    Thermal energy storage with phase change material for district heating network


  • Résumé

    This study is about a shell and tubes latent heat thermal energy storage system. This system is expected to be integrated in a district heating network substation. Heat transfers inside the PCM as well as convection flow regime inside the heat transfer fluid are investigated.A first experimental study aims at demonstrating the necessity of internal insert inside the tubes in order to avoid mixed convection flow regime. Two highly finned tubes as well as two inserts are tested. Inserts are either cylindrical or helical. Better thermal performances are obtained with the helical one. Besides, it is shown that free convection, between the fins is negligible. Effective thermal conductivities are estimated with an experimental and analytical approach at 7.4 and 10.9 W/m/K for the 7 fpi and the 10 fpi tube.A second test campaign is carried out with metallic foams. The first one is stochastic and in copper while the second one is regular and in alumina. Effective thermal conductivities are around 13.4 and 39.4 W/m/K respectively. The copper foam heat exchanger is shown to be better than a copper finned tube in terms of stored energy and thermal power, whereas only half the mass of the fins is used in the foam.Eventually a CFD numerical model is experimentally validated. This model shows that free convection inside the PCM is negligible on the overall thermal performances even though it modifies the solid/liquid interface shape locally.


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