Etude Thermique des Performances d'un Echangeur de Chaleur à Section Elliptique pour le Stockage Thermique par Chaleur Latente

Abstract

Vu leurs avantages en matière de stockage thermique, les matériaux à changement de phase (MCPs) reçoivent beaucoup d'attention, aussi bien dans l’industrie que dans la recherche scientifique. Le MCP peut être intégré dans des échangeurs de chaleur pour différentes applications telles que le stockage thermique, le chauffage solaire, le rafraichissement, le transport des produits thermosensibles, etc. Les chercheurs œuvrent constamment pour améliorer les systèmes thermiques afin de concevoir des systèmes rentables et efficaces dans surtout le respect de l'environnement. La géométrie d’encapsulation du MCP peut affecter considérablement les performances thermiques du MCP. Différentes géométries ont donc été étudiées (rectangulaire, cylindrique, sphérique ou autre) avec et sans ailettes pour étudier les processus de charge/décharge thermique du MCP (milieu du stockage). Or, les tubes à section circulaire ont été beaucoup étudiés tandis que les tubes à section elliptique ont en fait reçu moins d'attention, bien qu'ils puissent avoir de meilleures performances pour le stockage thermique. D’ailleurs, les MCPs ont généralement une faible conductivité thermique, ce qui réduit considérablement leurs caractéristiques de charge et de décharge thermique. Donc, la dispersion de nanoparticules de haute conductivité thermique dans le MCP améliore la conductivité thermique effective du nanocomposite résultant. Donc, cette étude vise à améliorer les performances d’un MCP dans un tube d’échangeur thermique. Les contributions de cette thèses se résument notamment en : - Dans un premier temps, la fusion d’un MCP (n-eicosane) dans un échangeur de tubes à section elliptique est étudiée pour examiner l'effet de la géométrie du tube sur les caractéristiques thermiques du MCP. L’orientation du tube par rapport à la gravité reçoit alors une attention particulière. - Ensuite, l’effet de l’insertion de nanoparticules à base de graphene dans un MCP (nano-MCP) est étudié dans un tube d’échangeur de chaleur. Le modèle mathématique 2D utilisé dans cette étude est basé sur la méthode d'enthalpie-porosité ainsi que les techniques des volumes finis. Un logiciel commercial de calcul est utilisé pour résoudre les équations de conservation (continuité, mouvement et énergie). Les prédictions numériques sont validées par comparaison avec les résultats expérimentaux et ceux de référence (benchmark) disponibles dans la littérature. Les résultats de la présente étude ont montré que les courants convectifs de flottabilité ont un effet considérable sur le taux de fusion dans les tubes elliptiques. Or, la convection de type RayleighBénard capturée dans l'enceinte elliptique horizontale a rendu la fusion du MCP plus rapide que dans le cas de l'enceinte elliptique verticale. De ce fait, un taux de fusion élevé et par conséquent une durée de fusion nettement réduite sont obtenus comparée à l'enceinte elliptique verticale. Par ailleurs, les résultats ont montré que la dispersion des nanoparticules (NPGs) dans le MCP (1- tetradecanol) permet de réduire la durée de décharge à hauteur de 50% tandis que le processus de charge a montré un comportement assez compliqué dans la mesure ou une concentration élevée des nanoparticules tend à affaiblir la convection naturelle dans le MCP liquide à cause de l’augmentation de la viscosité du nanocomposite, ce qui rend donc les transferts thermiques et le processus de fusion plus lents. Mots-clés: MCP, Tube elliptique, Fusion/Solidification, Nano-MCP, Echangeur de chaleur