Stockage à chaleur latente liquide/solide Master Energie Solaire II - Pr Xavier PY.
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Stockage à chaleur latente liquide/solide
Master Energie Solaire II - Pr Xavier PY
Chaleur latente liquide/solide
chaleursensible
domaineliquide/solide
L
S
chaleurlatente
T (°C)
t (s)
VarianceW = 1
Règle des phases : w = C – r + 2 – C nombre de constituants, r nombre de réaction, nombre de phase
W = 2 W = 2
t (s)
T (°C)
fusion
solidification
Cp solide Cp liquide
Finfusion
Tfusion
Tsolidification
surfusion
QW/g
Effet thermique retardé par la conduction
t
T
Chaleur latente liquide/solide
Comparaison chaleurs sensible/latente
En masse relative En volume relatif
Béton (15)
(Cp 15K)
Béton (11)(Cp 15K)
PCM inorganiques (1)
PCM organiques (2.5)
Eau (6)(Cp 15K)
Eau (4)
(Cp 15K)
PCM organiques
(1.25)
PCM inorganiques (1)
Pour une même quantité de chaleur stockée
Admettant un T de 15 Ken chaleur sensible
Stockage à chaleur latente liquide/solide
(1)Forte capacité de stockage
(2)Température auto-régulée
(3)Système modulaire
(4)Grande variété de T de travail
Avantages principaux
Familles de matériaux de stockage
Nota bene : on note PCM pour « Phase Change Material » mais on trouve aussi MCP plus ambiguë de par « m Cp » !!!
(1)Solutions aqueuses de sels et eau basses T, pas chersurfusion, corrosion,
(2) PCM organiques (chimie du carbone) + chers, inflammables, surfusion (polyols)
alcanes, paraffines, polyols, polymères,… stables, inertes, faciles
(3) PCM inorganiques (sans carbone) fortes capacités, moyennes à hautes T,
sels : chlorures, sulfates, nitrates,… nombreux, prix, disponibilité et mélanges binaires, ternaires,… corrosion, toxicité,
(4) Métaux lourds, chers, capacitéconductivité, hautes T
structure moléculaire du pentaerythritol
PCM type alcanes et paraffines
PCM pour les applications habitat
PCM pour les applications habitat
Matériaux L/S – moyennes à hautes T
Matériaux L/S – hautes températures
Conductivités thermiques
Matériaux L/S – basses aux hautes T
L MJ/m3
334
T (°C)
120-200
eau241
0.04
0
paraffines
60 200
334.5
537
polyols
1200
NaCl
1063
Na2CO3
701
800
MgCl2
969
333
KNO3
568
NaNO3
393
KOH
306
Variabilité des prix
LIMITATIONS des PCM
(1)Le phénomène de surfusion
(2)La conductivité thermique
(3)La corrosion
(4)La stabilité thermique et chimique
(5)La toxicité
(6)L’inflammabilité
(7)Le prix
(8)La disponibilité
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 50 100 150 200 250
T (°C)
DH
thermogramme de changement d’état du DUCITOL Au calorimètre C80 (PROMES)
Phénomène de surfusion
Surfusion 80 °C
Retard à la formation du premier cristal
Conséquences sur le stockage
Sur une même grille
2)(
exp)()(TTT
BTATJ
F
Premier cristal : loi probabiliste … !
PCM V = 0,3 L V ~ mm3 V ~ m3
Eau 8 °C 20 °C 36 °C
Paraffines - 1 °C 15 °C
Organiques - 20 °C > 100°C
métaux - 1 – 2 °C > 200 °C
Surfusion : effet du volume
Inhibition de la surfusion
(1) Par agent nucléant
- approche empirique- isomorphisme
(2) Par trempe thermique
(3) Par vibrations
Exemple sur l’eau :
8°C sans agent nucléant2-3°C avec agent nucléant adéquat
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12
N° Cycle thermique
T (
°C)
Tf Dulcitol
Ts Dulcitol
Tf + 5% CaSO4
Ts + 5% CaSO4
températures de fusion et solidification du Dulcitol sans et avec CaSO4 (5%)
Très faible conductivité thermique : 0,2 – 2 W m-1 K-1
Conséquences:
puissance de charge faible
puissance de déstockage faible
puissances décroissanteset asymétriques
Rex
liquide
Rp
RPCM
solide
2 mm
5 à 7 cm
2 mm
5 à 7 cm
Limitation en conductivité thermique
Très faible conductivité thermique
Conséquences:
puissance de charge faible
puissance de déstockage faible
puissances décroissanteset asymétriques
Rex
r
r+dr
rin
rext
liquide
solide
Rp
RPCM
Déstockage : principales limitations
2 mm
5 à 7 cm
2 mm
5 à 7 cm
Eléments de calcul de dimensionnement
Géométrie cylindrique (en coupe, longueur L)
Bilan thermique
Pth= (Tf – Text) / Rtotale
Rtotale= Rext + Rparoie + RPCM
Rext= 1/(hext2 rext L)Rparoie= eparoie/paroie
RPCM= ln(rint/r)/(2 PCM L)
Pth= PCM Hlatente 2 r L dr/dt
Rex
r
r+dr
rin
rext
liquide
solide
Rp
RPCM
Text
Tf
eparoie
PCMHlatente 2 r L dr = (Tf – Text)dt
1/(hext2 rext L) + eparoie/paroie + ln(rint/r)/(2 PCM L)
Eléments de calcul de dimensionnement
Bilan thermique sur un nodule :
Bilan thermique sur une couche de n nodules :
(1)Créer de l’interface
Nodules
Echangeurs
(2) Améliorer la conductivité effective
AilettesMousses métalliquesComposites
Gestion de la limitation en conductivité
(2) Améliorer la conductivité effective
temps0
5
10
15
20
25
30
T(°
C)
temps0
5
10
15
20
25
30
T(°
C)
GNEP
n-hexadécane
temps0
5
10
15
20
25
30
T(°
C)
temps0
5
10
15
20
25
30
T(°
C)
GNEP
n-hexadécane
T > Tf Py X, Olives R and Mauran S. Paraffin-porous graphite matrix composite as a high and constant power thermal storage material. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001, 44, 2727-2737
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0C E N G (k g m -3)
4 0
6 0
8 0
1 0 0p
(%w
t)
( - ) lo ad ed to ta l p o ro s ity(- -) lo ad e d o p en p o ro s ity T m = 7 3 -8 0 °C T m = -9 °C T m = 1 8 .1 °C
Taux de charge
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0C E N G (k g m -3)
0
2 0
4 0
6 0
8 0
(W
m-1
K-1
)
m o d e lax ia l rad ia l T m (°C ) 7 3 -8 0 -9 1 8
Conductivités thermiques
o = 0.24 W m-1 K-1
T
insulation
T
reference sample
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1R e d u c ed so lid ific a tio n tim e
0
0 .1
0 .2
0 .3
0 .4
0 .5
0 .6
0 .7
0 .8
0 .9
1
Rs/R
p u re p a ra ffin
n = 1
n = 2
n = 9
n = 3
Résistance thermique due au PCM
T= 10 K, hext= 200 W×m-2×K-1
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0t s (s )
0
5 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
2 5 0
P (
W m
-1)
p u re p a ra ffin
n = 1
n = 2
n = 9
Puissance linéique
T= 10 K, hext= 200 W×m-2×K-1
5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0C E N G (k g m -3)
0
0 .1
0 .2
0 .3
opti
miz
atio
n cr
iteri
a
n h ex (W m -2 K -1)0 1 0 01 1 5 02 2 0 03 2 5 04 3 0 05 3 5 0
n = 0
n = 5
5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0h ex (W m -2 K -1)
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
11 0
1 2 0
1 3 0
1 4 0
1 5 0
optim
ized
C
EN
G (
kg m
-3)
Optimisation de la quantité de graphite
Salts Tm (°C) Compatibility
ZnCl2 287 +
KCl 778 +
CaCl2 782 +
NaCl 800 +
NaNO3 307 +
KNO3 337 +
NaOH 317 -
KOH 360 +
Salts Tm (°C) Compatibility
CaCl2 / 2H2O 175 +NaCl / ZnCl2 228 +KCl / ZnCl2 262 +
NaNO3 / KNO3 222-228 +KOH / NaOH 187 -
Extension à plus hautes T: 220 °C
Programme européen DISTOR
Transfert à l’échelle industrielle
Société SGL production de GNE/paraffine et G/sels
Déploiement d’ailettes métalliques
Cher, corrosion, lourd
Autres techniques
Déploiement de garnissages métalliques
Déploiement de fibres de carbone
l’encapsulation macroscopique
Création d’interface
L’encapsulation micronique : de 10 à 50 m
Création d’interface
Source : Hong K., Park S., Mat Chem and Phys.(58)128-131, 1999.
Parfum encapsulé par la melamineMigrin oil = 53%wt.
Microcapsules sur fibre coton avant et après15 cycles de lavage/séchage.
Années 1980 : micoencapsulation développéepar la NASA pour les missions dans l’espace.mais techno finalement pas retenue…
licence concédée à Outlass pour thermorégulation textile.
Historique de la microencapsulation
Mode d’élaboration (BASF)
Source : Outlast
Micronodules dans un tissu
Source : Outlast
Micronodules dans des fibres textiles
Textiles : cosmétiques, adsorbants (militaire, chasse), thermorégulation, antimicrobiale antimicrobien, photochromic, thermochromatic, ignifugation, contrefaçon, insecticide (mites, moustiques) et acaricide,
Alimentaire : protection et gestion des arômes, liaison chaudeMédical : pansements, aromathérapie, médicaments retard (cancer)Agricole : engrais, Procédés : transfert thermique en lit fluidisé
fluides caloporteurs type slurryAutre : Encre électronique « eInk » (MIT Boston)
protection électronique, dépollution des sols,
Domaines d’application
Thermoprotection des plongeurs
Nuckols M.L. Ocean Eng. (26)547-564, 1999.
Outlast Technologies Inc. (Colorado USA)Frisby Technologies(North Carolina USA)BASF (Ludwigshafen, Germany)
Prix : échantillon 25 $/lb
Fournisseurs
CRISTOPIAleader mondial en stockage de froid
à chaleur latente L/S
Le stockage thermique L/S industriellement
de - 33°C à + 27 °C
de 2 à 500 m3
Cuve Verticale Cuve Horizontale
Cuve enterrée
De 2 à 500 m3
C’est le volume qui compte non sa position
Mais toujours alimentation verticale
Configurations d’implantation
La cuve de stockage
Fonctionnement : demande en froid
ProcessComplet :
Besoin frigorifique journalier :
Stockage Nocturne
Fonctionnement : déphasage complet
Découplage complet production/consommation,Utilisateur sur le stock,Utilisation des tarifs nuit, Moins de bruit le jour,Moins de surdimensionnement machine,Réduction investissement,Réduction coûts exploitation,Réduction coûts maintenance.
Production Directe
Bypass du stock
Fonctionnement : bypass du stock
Bien pratique en cas de panne, En cas de maintenance, de sous-capacité, …
Déstockage seul
Pas de nuisanceMaintenance groupeTarif E nuit
Production Directe + Déstockage
Combinaison mixte
Permet de sous-dimensionner la machine et de la faire tourner en régime nominal
Production Directe + Stockage
Combinaison mixte