Performances hydrodynamiques, thermiques et énergétiques de géométries chaotiques : application au refroidissement des PEMFC

• Auteur / Autrice : Yahia Lasbet
• Direction : Hassan Peerhossaini, Cathy Castelain, Bruno Auvity
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Transferts thermiques et énergétique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : École polytechnique universitaire de Nantes Université

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Chaos (théorie des systèmes)

Échangeurs de chaleur

Piles à combustible

Résumé

Cette étude se concentre sur l’amélioration des performances thermiques des échangeurs de chaleur intégrés dans les plaques bipolaires de pile à combustible de type PEMFC. La conception courante des échangeurs de chaleur dans ce type d’applications est basée sur un réseau de conduites droites usinées dans les plaques bipolaires. Dans ce travail, nous avons mené une étude numérique et expérimentale dans le but d’analyser et de développer un nouveau système de refroidissement destiné à cette application. L’étude consiste à proposer une nouvelle conception qui permettra de créer au sein de l’écoulement des trajectoires chaotiques. Plusieurs géométries ont été conçues et testées. Une première sélection de géométries a été faite en calculant le rapport entre le nombre de Poiseuille et le nombre de Nusselt. Les géométries qui ont le meilleur compromis (diminution de pertes de charges-augmentation de performances thermiques) sont celles qui présentent le rapport le plus faible. Ce critère est issu d’une approche basée sur le premier principe de la thermodynamique. Dans une deuxième étape, les géométries retenues ont été caractérisées par deux approches concomitantes (approche basée sur le deuxième principe et approche exergétique). L’approche par le deuxième principe révèle que l’énergie détruite due à la dissipation visqueuse est négligeable en régime laminaire. L’analyse de dégradation d’énergie pour les différentes géométries considérées montre que la géométrie avec laquelle le coefficient de transfert thermique convectif est le plus intensifié est également celle pour laquelle la dégradation d’énergie est la plus faible.

This study focuses on improving the thermal performance of heat exchangers integrated into the bipolar plates of the PEMFC type fuel cells. The current design of heat exchangers in these applications is based on a network of straight channels machined in the bipolar plates. We present a numerical and experimental study of a new cooling system dedicated to this application. In this work, we propose a new design that can generate chaotic fluid trajectories. Several geometries are designed and tested. An initial selection of geometries was made by calculating the ratio between the Poiseuille number and the Nusselt number. When this ratio is the weakest, the compromise heat transfer- pressure losses is the best. This criterion is issued from the first law of thermodynamics. In a second step, the selected geometries were characterized by two approaches (the second law and Exergy approach). The second law approach reveals that the energy dissipated due to the viscous dissipation is negligible in laminar flow. The analysis of the degradation of energy for different geometries shows that the geometry for which the convective heat transfer coefficient is higher is also the one in which the degradation of energy is the lowest.