Analyse expérimentale du processus de solidification de l’eau pure autour du point d’inversion de sa masse volumique dans un échangeur tube-calandre : Application au stockage latent de froid
Jules Voguelin Simo Tala, Khaoula Chafiki, Daniel Bougeard
: jules-voguelin.simo.tala@imt-nord-europe.fr
IMT Nord Europe, Institut Mines – Télécom, Univ. Lille, CERI Energie et Environnement, F-59000, Lille, France
Mots clés : Echangeur-Stockeur, Solidification, MCP, Inversion masse volumique-température, Etude expérimentale
Résumé :
Le stockage d’énergie thermique est un enjeu majeur dans diverses activités humaines impliquant des flux intermittents d’énergie. Il peut se faire sous forme sensible ou latente dans des unités de stockage de différents types. Le stockage latent dans des matériaux à changement de phase présente un avantage remarquable par rapport au stockage sensible en raison de la grande densité énergétique volumique des MCP. Toutefois, les MCP courants ont très souvent de faibles conductivités thermiques ce qui a tendance à freiner les échanges thermiques entre le fluide de transfert et le milieu de stockage. Lors du processus de solidification ou de fusion d’un MCP, les gradients de température qui existent au sein du matériau induisent des phénomènes convectifs naturels qui en retour participent à l’accélération desdits processus. La présente étude s’intéresse à l’analyse expérimentale du processus de solidification d’un MCP pour des applications de stockage d’énergie thermique à basse température. Un banc d’essai spécifiquement construit permet d’analyser les phénomènes locaux et globaux lors du stockage d’énergie thermique latent dans un échangeur-stockeur. Le MCP considéré dans cette étude est de l’eau pure contenue dans la calandre d’un échangeur-stockeur de type tube-calandre en configuration horizontale, pour laquelle la température initiale du MCP est choisie autour du point d’inversion de sa dépendance masse volumique-température. L’étude expérimentale permet la visualisation du front de solidification couplée à la thermométrie locale dans le MCP. L’objectif de l’étude est de mettre en évidence l’influence de la température initiale du MCP sur les phénomènes convectifs et par conséquent sur la forme du front de solidification, particulièrement pour des valeurs de température initiales proches du point d’inversion de la masse volumique. Cette étude a montré que la forme du front de solidification est fortement affectée par la température initiale du MCP selon que celle-ci est supérieure ou inférieure au point d’inversion de masse volumique du MCP, induisant soit une asymétrie soit une allure symétrique de la masse solidifiée autour du tube frigoporteur. Les mesures quantitatives de température ont permis de mettre en évidence de façon indirecte l’inversion des forces de flottabilité sur le processus de solidification et son impact sur la forme du front de solidification. L’étude présentée dans cette communication est une première étape dans un processus de constitution d’une base de donnes qualitatives et quantitatives permettant d’améliorer les modèles numériques de prédiction des processus de fusion-solidification, particulièrement pour les MCP présentant un point d’inversion de la dépendance masse volumique-température.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-095
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