Résumé
La thèse portera sur l’étude d’un composite à base de matériaux à changement de phase dans une matrice conductrice et notamment du transfert thermique associé à travers une structure encapsulante. L’étude de caractérisation et de modélisation sera réalisée à l’échelle du matériau et de l’échangeur.
Contexte et enjeux scientifiques
Le stockage de chaleur par chaleur latente est une technique largement étudiée très majoritairement pour des applications basées sur du stockage d’énergie d’origine solaire comprenant un cycle thermique par jour. Ce faible nombre de cycles allonge la durée de retour sur investissement des solutions et ainsi limite sévèrement l’utilisation de certaines techniques pourtant plus performantes. C’est pourquoi dans le bâtiment, l’utilisation de Matériaux à Changement de Phase (MCP) est principalement envisagée aujourd’hui plus pour ses aspects de confort thermique, par écrêtage des températures, que pour ses propriétés de stockage.
L’application visée dans la thèse se focalise sur le stockage de chaleur pour les procédés industriels avec un nombre important de cycles thermiques par jour et des puissances relativement plus importantes que dans les applications solaires (1kW/m2K). La gamme de températures visée est située entre 40 et 200°C englobant une large gamme d’applications. Le stockage de chaleur s’effectue lors de la phase de refroidissement du procédé, la chaleur étant restituée lors de la phase du chauffage. Ce recyclage de chaleur dite fatale, permet de réduire la consommation énergétique du procédé.
Compte tenu de la faible conductivité des MCP, l’obtention de taux de transfert de chaleur compatible avec les applications industrielles impose une surface d’échange importante ou une amélioration de la conductivité par mélange ou par imprégnation dans une structure conductrice. La thèse se propose d’étudier cette intensification du transfert à l’aide de structures conductrices de type Graphite Naturel Expansé (GNE).
Ce choix génère une nouvelle problématique. En effet, lors du changement de phase, le MCP change de volume engendrant alors une déformation de la structure conductrice qui le contient. Suivant l’amplitude de la déformation, la structure peut alors être dégradée, produisant une modification du transfert thermique. Cette déformation peut être limitée par une encapsulation du matériau composite MCP-GNE. En plus de ses vertus mécaniques, l’encapsulation permet de protéger le matériau composite du milieu extérieur, permettant éventuellement une configuration où le fluide caloporteur circule autour du matériau composite. Cependant, cette encapsulation affecte le transfert thermique. Il est alors nécessaire de caractériser ce transfert thermique pour divers encapsulants. Le transfert est, bien entendu, fonction de la nature de l’encapsulant, rigide ou élastique, de la topologie de la structure conductrice et des propriétés rhéologiques du MCP. La thèse devra se pencher sur les aspects thermiques, thermomécaniques et hydrauliques qui affectent la déformation de la structure conductrice.
De manière courante, la modélisation du changement de phase se fait sans prendre en compte la cinétique de cristallisation. Cette approche reste correcte lorsque la phase de refroidissement est relativement lente et le degré de surfusion faible. Or, pour des vitesses de refroidissement rapides et suivant le type de MCP, la prise en compte de la cinétique peut affecter significativement les prédictions de températures et de flux du modèle. Afin de modéliser correctement les transferts thermiques dans le stock, et ainsi permettre d’identifier les voies d’amélioration, une modélisation de l’équation de la chaleur avec prise en compte de la cinétique du MCP sera réalisée.
Cette étude s’inscrit dans la continuité de deux travaux de thèses cofinancés par L’ADEME : Kévin MERLIN en 2013-2016 et Mariam JADAL en 2016-2019. Dans ces travaux, un matériau composite MCP-GNE sans encapsulation avait été caractérisé et mis en œuvre à travers un prototype (100kW- 6kWh) pour une application sur les stérilisateurs Stériflow. Cette nouvelle thèse a pour application le secteur de la plasturgie. La thèse permettra des approfondissements scientifiques que le programme, orienté vers la mise en œuvre d’un prototype, ne permet pas.
Plan et déroulement
Approche matériaux
Identification des matériaux encapsulants–MCP–GNE éligibles en fonction de cycle de température de l’application visée et choix d’une ou deux configurations pour l’étude (matériaux et topologie).
Caractérisation thermique d’une cellule élémentaire de matériau composite MCP-GNE
- Caractérisation thermique pour différents MCP et agents
- Caractérisation de la cinétique de cristallisation par méthode inverse Modélisation thermomécanique de la déformation du MCP-GNE encapsulé
- Etablissement des lois de comportement de la cellule à partir d’essais de caractérisation des matériaux, notamment à travers la détermination de :
- porosité de la structure conductrice
- loi de comportement thermomécanique de l’encapsulant et la structure conductrice
- loi de comportement rhéologique du MCP
- Etablissement d’un modèle d’écoulement et des pressions internes lors du changement de phase
- Etablissement d’un modèle général de déformation de la cellule
Intégration dans un système
Sur la base des résultats sur l’étude du matériau, étude expérimentale des performances du système de stockage à base du MCP-GNE encapsulés pour une application identifiée.
Choix/dimensionnement du matériau adapté à un cycle thermique défini
- Caractérisation thermique de l’échangeur-stockeur pour différentes configurations d’échangeurs (plaque, tubes, lits fixes ..)
- Mesure des effets thermomécaniques sur les performances thermiques
- Modélisation du stock par méthode semi-analytique
Intégration du stock dans un système thermorégulateur + échangeur-stockeur
- Essais de performance
- Modélisation dynamique du système
Moyens consacrés
Equipes et moyens techniques Icam et LTeN :
- Matériels de caractérisations thermiques, capacités de conception et construction de moyens expérimentaux, moyens de simulations numériques (COMSOL, Star CCM+ et codes développés en interne)
- Encadrement par Xavier PY (Professeur à l’Université e Nantes), Didier DELAUNAY (Directeur de recherche CNRS émérite), Jérôme SOTO (Enseignant-chercheur à l’Icam)
Equipe de l’Université Internationale de Rabat
- Codes de calculs développés en interne
- Encadrement : Mariam JADAL
Références
- Kevin MERLIN, Didier DELAUNAY, Jérôme SOTO, Luc TRAONVOUEZ – “ Heat transfer enhancement in latent heat thermal storage systems: Comparative study of different solutions and thermal contact investigation between the exchanger and the PCM” – Applied Energy 166 (2016) 107–116
- Kevin MERLIN, Didier DELAUNAY, Jérôme SOTO, Luc TRAONVOUEZ – “ Industrial waste heat recovery using an enhanced conductivity latent heat thermal energy storage” – Applied Energy 183 (2016) 491–503
- Jérôme SOTO, Mariam JADAL, Nicolas DE GUYENRO, Didier DELAUNAY, « Thermal cycling aging of encapsulated Phase Change Material – Compressed Expanded Natural Graphite composite” – Thermal Science and Engineering Progress – 22 (2021) 100836 – ISSN : 2451-9049 – https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100836
- Mariam JADAL, Jérôme SOTO, Didier DELAUNAY, “Thermal conductivity evolution of a Compressed Expanded Natural Graphite – Phase Change Material composite after thermal cycling” – Thermal Science and Engineering Progress – (2021) – https://doi.org/10.1016/j.tsep.2021.101047
- Mariam JADAL, Didier DELAUNAY, Lingai LUO, Jérôme SOTO, Nicolas BOYARD – « Hybrid analytical and finite element formulation of a latent heat storage exchanger simulation: Comparison of heat transfer models for enhanced thermal conductivity phase change material “ – IHTC16-23118 – 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16 – August 10-15, 2018, Beijing, China – DOI: 1615/IHTC16.ecs.023118
