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Transferts thermiques avec changement d’état liquide-solide
Aspects SystèmeAspects Système
Concepts d’échange
E h th i à t iEchange thermique à travers une paroiConnaissance des propriétés de l’interface entre un matériau liquide et la paroi sur laquelle il se solidifie Empiriqueparoi sur laquelle il se solidifie Empirique
Echange thermique par contact direct
L’intérêt réside dans l’utilisation de l’énergie à un niveau thermique voisin de la température de fusion. p
On s’affranchit aussi de la variation volumique lors du changement d’état, qui engendre des contraintes mécaniques et des résistances de contact par dé ll l é i f ibl l idécollement entre le matériau fusible et la paroi.
2
Choix d’un Matériau à Changement de Phase ( MCP )chaleur latentechaleur latente
2 1 1 2( )S F F F L FH H M c T T M L T M c T T
- température de fusion adéquate- grande chaleur latente
grande densité- grande densité- faible coût- faible dangerosité
t bilité d l t- stabilité dans le temps- fiabilité des matériaux de confinement- faible surfusion
Exemples:- eau- solutions salines ( eutectique, péritectique…)
l ti l li- solutions alcooliques- paraffines et mélanges de paraffines
- Corps inorganiques- Corps organiques
Organic PCMs - Paraffin (CnH2n+2) and Fatty acids (CH3(CH2)2nCOOH) Advantages
Availability in a large temperature rangeAvailability in a large temperature rangeLow or no supercoolingCompatibility with conventional material of constructionNo segregationChemically stableGood melting heatSafe and non-reactiveRecyclableRecyclable
Disadvantages Low thermal conductivity in their solid state (High heat transfer rates are required during the freezing cycle).Flammable. Due to cost consideration only technical grade paraffins may be used which are essentially paraffin mixture.
Inorganic - Salt hydrates (MnH2O) Advantages
Low cost and easy availabilityGood melting heatGood melting heatNon-flammable
Disadvantages Change of volume is very highSupercooling is major problem in solid-liquid transitionNucleating agents are needed
6
7
8
i i i i é i à
Exemples d’applications
Les principales applications des Matériaux à changement de phase sont les suivantes :
Stockage et transport de l’énergie thermiqueStockage et transport de l énergie thermique
Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux
Industrie textile
Protection thermique de composants et circuits électroniques
Climatisation passive
Isolation des bâtiments
Exemples d’applicationsStockage et transport de l’énergie thermique
ContexteContraintes environnementales
Amélioration de l’efficacité énergétique
g p g q
Contraintes environnementalesDisponibilités des ressources
énergétiques
Meilleure maitrise de la demande Energétique
Réduction des émissions de CO2
Stockage et transport de l’énergie thermique
Dissocier dans le temps et dans l’espace la production de l’utilisation de l’énergiel énergie.
Rationalisation de l’utilisation de l’énergie
Domaine du froidDomaine du froid Réglementations successives en matière de fluides frigorigènes.
Stockage et transport du froid par changement de phase solide liquide
Solutions adaptées à la réfrigération industrielle et aux systèmes de climatisation
Avantages du stockageAir conditionné
• Réduction de la puissance frigorifique installéeinvestissements moindres80
100
120
sans stockage investissements moindres
• Diminution du coût de l’énergieConsommation d’électricité avec
20
40
60
80kW
sans stockage
tarifs spéciaux( puissance, nuit )
• Sécurisation de la production du
0
20
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23heures • Sécurisation de la production du
froid
• Optimisation du fonctionnement des 100
120
avec stockage
groupes frigorifiques
• Environnementfluides frigorigènes CO
40
60
80
kW Déstockage
fluides frigorigènes, CO2
• Chaleur latente :réduction taille stock
0
20
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Production directeStockage Stockage
heures
Les fluides frigoporteurs Distribution du froid via un fluide secondaire
P d i
Compresseur
u
refroidissement direct Fluide frigorigène
Production et utilisation
du froid
Quantité importante de fluide frigorigène
Risques importants de fuites
Con
dens
eur
Éva
pora
teu
r
Détenteur
refroidissement indirectCircuit du frigoporteurC
Fluide frigorigèneCircuit du frigoporteur Compresseur
ense
ur
orat
eur Utilisation du
froidProduction
Con
de
Détenteur
Éva
po du froid
Confinement du circuit frigorifique Frigoporteurs diphasiques liquide -solideà pouvoir énergétique élevé
Possibilité de stockageMinimise la charge du
12
Possibilité de stockagegfluide frigorigène
Stockage d’énergieDissocier l ’utilisation de la production d ’énergiep g
Stockage du chaud
Sensible
Chaleur latente1T 2T
Thermo-chimique
St k d f idStockage du froid
•cinétiques de stockage et/ou déstockaget f t d h l•transferts de chaleur
•comportement du stock dans les systèmes
Etudes sur les Matériaux à Changement de Phase
Stockage d’énergie
Stockage par chaleur sensible :
H H M c T T 2 1 2 1H H M c T T
Stockage par chaleur latente :
2 1 1 2( )S F F F L FH H M c T T M L T M c T T
Stockage thermochimique :
Stockage d’énergie
Stockage par chaleur sensible :
1212 TTcMHH
Stockage par chaleur latente :
21S12 TTcM)T(LMTTcMHH F2LFF1FS12 TTcM)T(LMTTcMHH
Exemple :Exemple :si on réchauffe de la glace de –1°C à +1°C, on stocke 94,8 kWh/ m3.Même énergie, pour la même quantité d’eau, échauffement de 0°C à 81,5°C.
15
stockage du chaud par fusion12 TT
- habitat- vêtements, thermos
protection électronique
TT stockage du froid par cristallisation
- protection électronique
12 TT stockage du froid par cristallisation
- industrie du froid- conditionnement d ’air- secours
16
Différents procédés de stockage par chaleur latente
• Bacs à glace (systèmes très répandus)– Cuve contenant de l’eau en contact direct avec une batterie où circule un liquide froid
• Matériaux à Changement de Phase encapsulés– MCP confinés dans des capsules de différentes formesp
• Fluides frigoporteurs diphasiques (R&D)– Liquides comportant des parties solides en suspension qui peuvent fondre en échangeant de
la chaleur latente.
BACS A GLACECuve contenant de l’eau en contact direct avec une batterie où circule un liquide froid
U i é lè18
Unité complète
BACS A GLACE
B lti Ai il Baltimore Aircoil Company
Batterie
19
BACS A GLACE
Fusion interne : circulation d’eau glycoléeg y
glace glace
eau glycoléeeau
eau glycolée
Fusion externe : pompage de l’eau glacée
eau eau
Fu n t rn p mpag au g ac
glace
20Eau glycolée
Nodules encapsulés
SurfusionPlusieurs nodules contenant un même agent nucléant au cours d’un refroidissement
8 K sans agent nucléant2-3 K avec agent nucléant adéquat
Mê d l diffé lMême nodule pour différents cycles
ENCAPSULATED PCM
22Charge mode Discharge mode
23
Pilote de stockage du froidg
24
Pilote de stockage du froid
25
P d k dé kP d k dé kProcessus de stockage déstockageProcessus de stockage déstockageD d D d Deux modes :Deux modes :
Mode Normal Mode InverseMode Inverse
gg
Stockage StockageDéstockage Déstockage
26
Vertical mode normal
27
Vertical mode normal
28
Vertical mode inverseVertical mode inverse
29
Horizontal
30
MODELISATION VERTICAL MODE NORMAL
N
immV TTqcdtdTVc 1
idt 1
t)t(nN)T(Jn L
31
3
/c
3
0 1FS
LLi T
Lcrr
31
Quasi-stationnaire
envf
bbbb
3ib RR
)t(TTdt
)t(dTcr34)t(
Avec b = L ou S
drL)t(4)t(TT)t( ,c2F
dt
L)t(r4)t(RRR
)()t( ,cFL,c
,cenvf
F,c
eipenv r
1r1
k41R
111)t(R
2f 4h1R
i,cS
,c r)t(rk4)t(R
2er4h
convectionh
32
STOCKAGE Débit
Température finale
33
DESTOCKAGE
DébitDébit
Température finale
34
li id (CO )
Fluides frigoporteurs diphasiques
- liquide-vapeur (CO2)
- liquide-solide
Phase solide de même nature que le liquide porteurPhase solide de même nature que le liquide porteur
- eau+glace (0°C)
- solutions aqueuses (alcools, sels, ammoniac)+glacecoulis de glace
Phase solide d ’une nature différente du liquide porteur
- émulsions
di i ti l i- dispersions particulaires
- d’une solution liquide d’eau et d’éthanol :
- d’une phase solide de glace pure :
Phase porteuse
Potentiel énergétique du frigoporteur
Coulis de glace du mélange eau-éthanol.
35
Etudes à caractère fondamentalCoulis de glace
Etudes à caractère fondamental• Analyse enthalpique du mélange eau-éthanol
0
50
-100
-50
0
g )
-200
-150
ntha
lpie
( J/
kg
1%
2%
Concentration massique d ’éthanol
-350
-300
-250En
%
5%
10%
15%
-400
350
-10 -8 -6 -4 -2 0 2
Température ( °C)
Etudes à caractère fondamental• Mesure de la concentration en glace dans les écoulements
– Mesure de la température (équilibre thermodynamique)
T(°C)T( C)
0 aiw1w Ts
liquidus
afg w
1w
Tf
solidus(dépot de
glace+ Tb= 110 5°C(dépot de
glace) +eau/éthanol solidus
(dépot decristauxd'éthanol)
-118
Tb=-110.5 C
0 0.935 1wai waf
d éthanol) wa
fraction massiqued'éthanol
fraction massiquesolide de glace
fraction massique d'éthanol
0,8
0,9
1,0g
0,005
0,01
0,6
0,7
0,80,03
0,05
0,08
0 3
0,4
0,50,08
0,10
0,14
0,1
0,2
0,30,18
0,24
0,320,0
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
température en °C
0,32
température en C
Etude hydraulique et stockage
• Banc d'essais de coulis de glace
production stockage étudeproductioncoulis
stockagecoulis
étudecoulis
• Production du coulis
1
1- compresseur groupe froid2- condenseur3- vannes de détente
2
3
3 vannes de détente4- évaporateur5- pompe de circulation6- cuve de stockage7- pompe de circulation
3
466
7
5
7
vers boucle d'essai
retourboucle d'essai
• Instrumentationsstroboscope
caméra
débitmètre massique
écoulement
0-2mb
0-20mb
manomètres différentiels
transmetteur
0-200mb
0-2000mb
P (mmb)
convertisseur A/NPitot
carte video
ordinateur de contrôle
T (°C) Q (l/s) (kg/m3)
– Utilisation du débitmètre à effet Coriolis
Débitmètre à effet Coriolis de type « Rosemound Elite 100» C débi è d dé i l débiCe débitmètre permet de déterminer le débit massiquem , la masse volumique du fluide circulant dans la boucle et la température T avec les précisions suivantes :
h/k1 h/kg1m 3m/kg5.0
C5.0T
Débitmètre à effet Coriolis Elite 100Débitmètre à effet Coriolis Elite 100
L
L sL
Résultats expérimentaux (eau + 10 % éthanol)• Caractéristiques de la glace
– les particules de glace sont différentes les unes parles particules de glace sont différentes les unes parrapport aux autres : le mélange est hétérogène
– la forme des cristaux est préférentiellementla forme des cristaux est préférentiellementelliptique.
• Les cristaux ont une dimension variant de l'ordre du 1/l0ème de mm au millimètre maximum
Résultats expérimentauxC té i ti d l’é l t• Caractéristiques de l’écoulement
eau + 10 % éthanol tube D = 50 mm
E l t lit bilEcoulement avec lit mobileU = 0,1 m/s; T = -4,9 °C, 5 % de glace
Ecoulement hétérogèneU = 0,2 m/s; T = -5,2 °C, 10 % de glace
E l t h è
Ecoulement annulaireBloc homogène compact mobile
Ecoulement homogèneU = 0,5 m/s; T = -5,9 °C, 20 % de glace
• Cartographie d ’écoulementg pD = 50 mm
0,7
0,8
annulairehomogène
0,5
0,6
lang
e (m
/s) lit mobile
hétérogènelit stationnaire
0,3
0,4
esse
de
mél
0,1
0,2Vite
0,0
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
fraction massique de glace wmgfraction massique de glace wmg
Résultats expérimentaux• Pertes de charges D = 50 mm
500
600
400
(Pa/
m)
200
300
e de
cha
rge
(
U=0,687m/s
U=0,5m/s
100
200
Perte
U=0,25m/s
U=0,15m/s
0
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30fraction massique de glace
U=0,04m/s
fraction massique de glace
Résultats expérimentaux• Pertes de charge D =25 mm
10000
ge (P
a/m
)
1000
te d
e ch
arg
U=2.6m/s
U=2m/s
Pert
U=1.5m/s
U=1m/s
U 0 5 /100
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
U=0.5m/s
fraction massique de glace
slurry setup
(1) (5)
(6)
(2)
(5)
(6)
(3)Inner tube : 22 mm (2)
(4)
T
diameter• smooth surface• 2 improved surfaces
PID
(7)
(3)
(1) Storage tank(2) Scraper type heat exchanger(3) Pumps(4) Coriolis flowmeter PID~(4) Coriolis flowmeter(5) Valves(6) Heat exchanger(7) Heating resistance LC
Solid concentration
49SL So d co ce t at o
HEAT TRANSFER STUDIES
Si l h t d Wilson plot technique14,01
From the measured flow rates and inlet and outlet temperatures
Single phase study Wilson plot technique (graphical method)
p
3 .Pr.Re.Ch
Based upon measurements of overall heat transfer coefficient
Determination of the coefficients and the exponents relative to heat transfers tube side and annular side haCa et
Variation of the flow rate in the tube side fixing it in the
a
htCt etannular side, then conversely.Wilson linear equation.
U
t
Two - phase study
is known (single phase study)h is determined b the e pression of the o erall heat transfer coefficient
LMTD method UTLM.S.U aaa Re.Ch
ht is determined by the expression of the overall heat transfer coefficient
1aiaiai
t DDln
k2D
h1
U1
DDh
50
teate Dk2hUD
Experimental resultsExperimental results
Experimental pressure drop versus ice concentration for different flow rates
Experimental heat transfer coefficient versus ice concentration for different flow rates
3500
4000
4500
5000
3500
4000
4500
5000
W m
-2 K
-1)
1500
2000
2500
3000
DP
(Pa/
m)
1500
2000
2500
3000
ansf
er c
oeff
icen
t (W
0
500
1000
0 5 10 15 20 250
500
1000
0 5 10 15 20 25Ice concentration
Hea
t tra
Ice concentration
0.7 kg/s 0.6 kg/s 0.5 kg/s 0.4 kg/s 0.3 kg/s 0.2 kg/s 0.12 kg/s
Ice concentration
0.7 kg/s 0.6 kg/s 0.5 kg/s 0.3 kg/s 0.2 kg/s 0.12
(velocities between 0.3 and 1.8 ms-1)
51
Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux
PCM Energy P. Ltdva-Q-tec AG
52Transport container, which can sustain temperatures of -18 °C at ambient temperatures of around 20 °C for 4 days (va-q-tec AG)
Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux
t ll f f d Q t AGtrolley for food va-Q-tec AGPizza heater, plate for heating and cooling food (pictures: Rubitherm Technologies GmbH)
53
Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux
Blood transport system (Rubitherm) and transport box (AB Aircontainer A.C.)p y ( ) p ( )
54
Industrie textile
Microscope images of Outlast® acrylic fiber (left), Outlast® viscose fiber (center) and Outlast® coating on textiles (Outlast Europe)
55Schoeller®-PCM-foam applied on a fleece (left) and wool with schoeller®-PCM™-coating (Schoeller)
Cooling vest to cool the body of people who work in hot environments or with extreme physical exercise (Climator AB)p y ( )
56
Ski jacket and pants produced by Colmar using schoeller®-PCMTM
57
Pocket heater, which uses the effect of supercooling to store heat for a long time p g gand to release it when a person is freezing. Left: supercooled state, right: after crystallization was triggered.
58
Kidney belt with PCM, developed by Schoeller textile AG
59Plumeaus produced by Brennet (Outlast) Shoe inlet based on Rubitherm PK
Hot cushions for medical purposes / heat therapy ( Rubitherm Technologies GmbH)Hot cushions for medical purposes / heat therapy ( Rubitherm Technologies GmbH)
60
Induction directe en creuset froid
Exemples d’applicationsInduction directe en creuset froid