Etude numérique du stockage latent d’énergie thermique pour l’amélioration de l’inertie thermique d’un réservoir d’eau chaude sanitaire

Alexis Iung1^{1}, Jules Voguelin Simo Tala2^{2}, S. Amir Bahrani2^{2}, Mylène Lagardere Deleglise1^{1}
⋆^{\star} : alexis.iung@imt-nord-europe.fr
1^{1} IMT Nord Europe, Institut Mines-Télécom, Univ. Lille, CERI Matériaux et Procédés, F-59000 Lille, France
2^{2} IMT Nord Europe, Institut Mines-Télécom, Univ. Lille, CERI Energie et Environnement, F-59000 Lille, France
Mots clés : Réservoir d’eau chaude, changement de phase, MCP, CFD, corrélation thermique
Résumé :

Dans un contexte de sobriété énergétique, la chaire industrielle ANR Corenstock propose d’augmenter l’inertie thermique d’un élément de stockage d’eau chaude sanitaire par l’intégration de de matériaux à changement de phase MCP. L’étude a pour objectif d’étudier numériquement l’enveloppe du réservoir modifiée, compartimentée en cellules annulaires élémentaires et de déterminer l’effet des dimensions de celles-ci sur la cinétique de fusion-solidification du MCP. Les simulations numériques sont réalisées avec le code CFD Star CCM+ 2020. Le phénomène de fusion-solidification a été modélisé par la méthode enthalpique avec une résolution 2D axisymétrique.

L’étude repose sur l’analyse paramétrique d’une cellule composite-MCP composée d’un matériau conducteur en contact avec l’eau à l’intérieur du ballon, d’un MCP et d’un matériau isolant en contact avec l’extérieur. Une température uniforme est imposée du côté du matériau conducteur et la partie du matériau en contact avec l’extérieur a été supposée adiabatique. Le matériau à changement de phase considéré pour l’étude est un MCP organique de type paraffine (RT 55). Les propriétés thermo-physiques du RT 55 sont supposées constantes dans chacune des phases.

Cette analyse a permis de déterminer l’influence de la variation de la hauteur et de l’épaisseur de la cellule sur les temps caractéristiques de fusion et solidification du MCP et par conséquent sur le temps d’un cycle de charge-décharge de la cellule. Les résultats sont présentés en utilisant les nombres adimensionnels tels que le nombre de Rayleigh Ra, le nombre de Fourier Fo et le facteur de forme F de la cellule dans le but de construire une corrélation thermique pour cette cellule.

Cette étude met en évidence l’existence d’une hauteur critique de cellule pour une épaisseur donnée à partir de laquelle les temps caractéristiques de fusion-solidification restent constants, permettant ainsi de déterminer le nombre minimal de cellules à implémenter dans l’enveloppe du réservoir d’eau chaude.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-100

PDF : download