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Etude numérique du stockage latent d’énergie thermique dans un échangeur-stockeur innovant pour l’amélioration des performances énergétiques des bâtiments

Hamid Bellache¹, Jules Voguelin Simo Tala¹, Daniel Bougeard¹, Zohir Younsi²
^⋆ : jules-voguelin.simo.tala@imt-nord-europe.fr
¹ IMT Nord Europe, Institut Mines – Télécom, Univ. Lille, F-59508 Douai, France
² JUNIA-HEI, 13 Rue de Toul, F-59000 Lille, France
Mots clés : Echangeur-stockeur, optimisation, changement de phase, MCP, CFD
Résumé :

La présente étude s’intéresse au développement d’un échangeur-stockeur de chaleur de type tube et calandre intégrant des matériaux à changement de phase MCP. Elle a pour objectif d’analyser numériquement l’effet de l’intensification des transferts thermiques par manipulation passive de l’écoulement du fluide caloporteur sur la cinétique de fusion-solidification du matériau à changement de phase. Les simulations numériques sont réalisées avec le code CFD StarCCM+ 2015. Une première partie de l’étude consiste en la mise en œuvre d’une intensification des transferts thermiques et de l’optimisation des performances thermo-aérauliques d’un écoulement d’air, en régime stationnaire, à un nombre de Reynolds Re=1500 dans un canal cylindrique. L’intensification est effectuée par l’insertion dans le canal de paires de générateurs de vortex de type «ailettes Delta». Une étude paramétrique portant sur le nombre et la position des paires d’ailettes Delta, leurs paramètres géométriques est réalisée afin d’optimiser les performances thermo-aérauliques de la configuration de canal intensifié par rapport à la configuration de canal non intensifiée. Les résultats sont présentés en employant des quantités thermiques et aérauliques globales adimensionnelles telles que le facteur de friction f, le nombre de Nusselt Nu et le facteur d’intensification des performances PEC. Les champs d’hélicité, de température et de coefficient d’échange convectif sont utilisés pour analyser les mécanismes locaux d’échange. La seconde partie de l’étude est consacrée au développement, à partir de la configuration d’écoulement de canal présentant les meilleures performances, d’un échangeur-stockeur intensifié et optimisé. La configuration d’écoulement de canal munie de paires d’ailettes Delta présentant les meilleures performances thermo-aérauliques obtenue dans la première partie de l’étude est équipée d’une calandre cylindrique compartimentée par cinq ailettes radiales équidistantes et remplie d’un MCP paraffinique. Les simulations numériques sont réalisées en régime transitoire pour le même nombre de Reynolds Re=1500, le phénomène de fusion-solidification étant modélisé par la méthode enthalpique. L’impact de l’intensification des échanges thermiques au niveau du fluide caloporteur sur les cinétiques de fusion-solidification du MCP dans les différents compartiments de la calandre est analysé et discuté au niveau local à travers les champs de vitesse, température, vorticité, fraction solide/liquide dans les quatre compartiments ainsi que le coefficient d’échange thermique local intérieur tube. Des analyses globales sont également réalisées notamment en représentant les profils temporels d’évolution des fractions solide/liquide, de la cinétique de fusion/solidification dans les différents compartiments ainsi que la température de sortie du fluide caloporteur pour les deux échangeur-stockeur. Cette étude a notamment montré que les performances thermo-aérauliques du coté fluide caloporteur intérieur tube sont très sensibles et dépendent fortement des paramètres géométriques des perturbateurs, de leur nombre et de leur position. La comparaison des processus de fusion-solidification entre l’échangeur-stockeur à tube caloporteur lisse et celui à tube caloporteur muni d’ailettes Delta optimisé met en évidence dans le MCP un développement des phénomène convectifs naturels plus intenses dans l’échangeur-stockeur intensifié conduisant à une accélération significative des processus de fusion-solidification du MCP dans la calandre, à iso-surface d’échange.