Etude de la surfusion dans le stockage d'énergie thermique par chaleur latente

Study of supercooling in latent heat thermal energy storage

• Auteur / Autrice : Ibrahim Shamseddine
• Direction : Pascal Henry Biwole, Farouk Fardoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Pennec, Marie Duquesne, Fadi Hage Chehade
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Zalewski, Jean-Pierre Bedecarrats

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux à changement de phase

Surfusion

Mots clés libres

Stockage d'énergie thermique

Matériau à changement de phase

Surfusion

Expérience

Modèle numérique

Thermal energy storage

Phase change material

Supercooling

Experiment

Numerical model

Résumé

Les limites connues des sources d'énergie traditionnelles, ainsi que la demande croissante en énergie, poussent les scientifiques à réduire la demande énergétique des systèmes techniques et à rechercher des sources d'énergie propres. Les systèmes de stockage de chaleur latente apparaissent comme une solution pour réduire cette demande énergétique. Ces systèmes utilisent des matériaux à changement de phase (MCP) pour stocker et libérer la chaleur en cas de besoin, en tirant parti de la chaleur latente des matériaux. Ils contribuent à réduire la demande d'énergie en répartissant la charge énergétique tout au long de la journée. Cependant, ces systèmes présentent encore un certain nombre de problèmes, comme la surfusion, qui se produit lorsque le MCP reste liquide plutôt que de se solidifier. Ce phénomène naturel empêche le dégagement de chaleur latente lors du changement de phase. Ce travail de thèse présente d'abord un état des lieux du phénomène de surfusion, en listant ses avantages et ses inconvénients selon l’application. Les défis rencontrés lors de la modélisation de la surfusion et les solutions employées par divers auteurs sont également discutés. Cette revue de littérature scientifique sert de base pour atteindre l'objectif du travail, qui est de construire un modèle numérique tenant compte de la surfusion pendant le refroidissement du MCP.Le modèle proposé utilise un modèle d'enthalpie-porosité développé au laboratoire qui tient compte de la convection naturelle pendant la fusion. Ce dernier modèle est ajusté et modifié pour inclure la surfusion, principalement en ajoutant un terme de source de chaleur qui représente le dégagement de chaleur latente. Le modèle est ensuite validé par une série d'expériences. Ces dernières sont réalisées en fonction des facteurs identifiés dans l’état de l’art comme ayant le plus grand impact sur la surfusion. Elles incluent plusieurs types de MCP, à savoir un MCP organique (octadécane), un MCP eutectique et un MCP inorganique (acétate de sodium trihydraté). Les expériences utilisent également diverses géométries de réservoirs et différentes vitesses de refroidissement du MCP. Les résultats démontrent l'effet du volume du récipient, de sa rugosité de surface, de l'isolation thermique, du type de MCP employé, de la vitesse de refroidissement et des chocs mécaniques sur le degré de surfusion. Les expériences étudient également l'impact de la convection naturelle sur les processus de fusion et de solidification. Les résultats obtenus peuvent fournir des données expérimentales de référence pour les modèles numériques de changement de phase. Enfin, le modèle validé est utilisé pour étudier l'effet de la surfusion dans les systèmes de génie thermique. La première application est un ballon d'eau chaude, dans lequel le MCP est chargé en énergie thermique pendant les heures creuses et se décharge lorsque la température de l'eau baisse. La deuxième application est un système de chauffage à MCP intégré dans un bâtiment résidentiel. On découvre que la présence de surfusion a un effet significatif sur les performances des systèmes, qui est représenté par les réponses transitoires de la température de l'eau et de l'air, respectivement pour chaque application. La température finale atteinte est plus faible lorsque la surfusion est présente.

The limitations of traditional energy sources, as well as the increasing demand for energy, push scientists to lower the energy demand of engineering systems and to search for clean energy sources. Latent heat thermal energy storage systems are emerging as one solution for reducing energy demand. These systems use phase change materials to store and release heat when needed, taking advantage of the latent heat of the materials. They aid in lowering the energy demand by distributing the energy load throughout the day. However, these systems still have several issues, one of which is supercooling, which occurs when the PCM remains liquid rather than solidifying. This natural phenomenon prevents the release of latent heat. The present work first provides a review of the supercooling phenomenon, listing its benefits and drawbacks depending on the application. The challenges encountered during the modeling of supercooling and the solutions employed by various authors are also discussed. The review serves as the foundation for achieving the goal of this work, which is to build a numerical model that accounts for supercooling during cooling.The proposed model uses an in-lab existing enthalpy-porosity model that accounts for natural convection during melting. The latter model is adjusted and modified to include supercooling, mainly by adding a heat source term that represents the latent heat release. The model is then validated through a series of experiments. The experiments are carried out in accordance with the factors identified in the review as having the greatest impact on supercooling. They include several PCM types, namely an organic PCM (octadecane), a eutectic PCM, and an inorganic PCM (sodium acetate trihydrate). They also use various PCM container geometry and cooling rates. The results demonstrate the effect of the container’s volume, surface roughness and thermal insulation, PCM type, cooling rate, and mechanical shocks on the supercooling degree. The experiments also investigate the impact of natural convection on the melting and solidification processes. The obtained results may provide benchmark experimental data for numerical models of phase change. Finally, the validated model is used to investigate the effect of supercooling in thermal engineering systems. The first application is a hot water tank, in which the PCM is charged with thermal energy during off-peak hours and discharges when the water temperature drops. The second application is a PCM-integrated free heating system in a residential building. It is discovered that the presence of supercooling has a significant effect on the system’s performance, which is represented by the transient temperature of the water and the air, respectively for each application. The final temperature reached is lower when supercooling is present.