Analyse numérique de l’effet de l’intensification des transferts thermiques par extension de surface sur les cinétiques de fusion/solidification d’un MCP dans un échangeur-stockeur tube-calandre

Appolinaire Kabore1^{1}, Jules Voguelin Simo Tala1^{1}, Zohir Younsi2^{2}, Daniel Bougeard1^{1}
⋆^{\star} : appolinaire.kabore@imt-nord-europe.fr
1^{1} IMT Nord Europe, Institut Mines – Télécom, Univ. Lille, CERI Energie et Environnement, F-59000, Lille, France
2^{2} Univ. Lille, Institut Mines-Télécom, Univ. Artois, Junia, ULR 4515 – LGCgE, Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement, F-59000, Lille, France
Mots clés : Echangeur-stockeur, Intensification, MCP, Changement de phase, CFD
Résumé :

Cette étude s’intéresse à l’analyse de l’impact de l’intensification des transferts thermiques par extension de surface côté calandre sur les cinétiques de fusion/solidification dans un échangeur tube calandre utilisant un matériau à changement de phase (MCP). Le MCP utilisé est le PureTemp 23 (PT23), produit commercial bio-sourcé à base d’extraits végétaux. L’application visée est le développement d’un échangeur-stockeur destiné à l’amélioration du confort thermique dans le bâtiment, à travers une double approche de chauffage et de rafraîchissement. L’étude est réalisée en utilisant le code de calcul StarCCM+ et son module de changement de phase basé sur la méthode enthalpie-porosité et à travers une implémentation appropriée du terme source de flottabilité. La démarche numérique utilisée pour la modélisation du changement de phase a été validée par des comparaisons avec des résultats numériques et expérimentaux de la littérature.

La première partie de l’étude consiste à évaluer l’impact de l’augmentation de surface en utilisant des ailettes de type radial côté calandre sur les niveaux de puissance échangée, mais également son impact sur le processus de fusion/solidification du MCP. De ce fait, une première configuration porte sur un tube nu et une calandre, désignée par configuration de référence, et la deuxième sur un tube muni d’ailettes radiales uniformement reparties, pour lequel les ailettes sont en contact avec le MCP dans la calandre. L’étude est réalisée en régime laminaire et instationnaire, gardant le volume de MCP constant dans la calandre afin d’évaluer l’unique effet de l’extension de surface. La deuxième partie de l’étude s’intéresse à l’impact de la redistribution des extensions de surfaces sur les mécanismes de transferts thermiques et les cinétiques de fusion/solidification du MCP à iso-compacité, iso-volume de MCP afin de déterminer une configuration d’ailettes optimale pour la charge et la décharge d’un système de stockage latent.

Les éléments de comparaison utilisés dans l’étude sont notamment la puissance thermique échangée entre le fluide caloporteur et le MCP, la fraction solide ou liquide du MCP, et localement la dynamique de l’écoulement du MCP en phase liquide. L’objectif de l’étude est d’analyser l’influence des extensions de surface et de la répartition de ces extensions dans le MCP à iso-surface d’échange sur les cinétiques de fusion/solidification dans le but de minimiser les temps caractéristiques de charge-décharge de l’échangeur pour une application à l’amélioration du confort thermique dans l’habitat. Les résultats présentées dans cet article concernent principalement ceux de la charge de l’échangeur stockeur. Cette étude s’insère dans le cadre d’un projet de thèse cofinancée par l’ADEME et la région Hauts-de-France.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-104

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