Stockage d’énergie thermique par changement de phase – Application aux réseaux de chaleur
Membres du jury :
M. Didier DELAUNAY, LTN, Nantes, Rapporteur
M. Christophe PRADERE, TREFLE, Bordeaux, Rapporteur
M. Jean-Pierre BEDECARRATS, LATEP, Pau, Examinateur
M. Vittorio VERDA, Polito, Turin, Examinateur
M. Philippe MARTY, LEGI, Grenoble, Directeur de thèse
M. Fabrice BENTIVOGLIO, CEA, Grenoble, Encadrant de thèse
M. Jean-François FOURMIGUE, CEA, Grenoble, Co-encadrant de thèse
Mme Elise LE GOFF, CCIAG, Grenoble, Invitée
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. Un modèle semi-analytique 1D qui repose sur une solution approchée du problème de Stefan est également proposé pour estimer les performances thermiques d’un système de stockage à tubes et calandre.