Etude des systèmes composites associant des matériaux à changement de phase pour les systèmes de stockage d'énergie thermique

Study of composite systems involving phase change materials for thermal energy storage systems

• Auteur / Autrice : Maxime Leroy
• Direction : Christel Metivier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 26/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Milieux Fluides Rhéophysique

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Changement de phase

Energie

Energy

Phase change

Fluid mechanics

Résumé

Cette thèse se propose d'étudier les mécanismes physiques et les transferts de chaleur associés aux systèmes basés sur des matériaux à changement de phase (MCP). L'augmentation continue de la consommation d'énergie fossile et de l'approvisionnement en énergie a un impact crucial sur le changement climatique. Des efforts importants ont été déployés ces dernières années pour promouvoir une utilisation plus responsable de l'énergie via notamment le développement de systèmes de stockage d'énergie thermique (TES) efficaces et peu coûteux. Parmi les moyens disponibles pour stocker l'énergie thermique, l'énergie générée/absorbée lors d'une transition de phase (chaleur latente) est l'un des plus largement utilisés. Les matériaux à changement de phase (MCP) présentent une chaleur latente importante par unité de volume, ils sont les composants de base de ces unités TES. Ces matériaux permettent de stocker la chaleur latente pendant la fusion et de libérer cette énergie pendant le processus de solidification. Les principaux avantages de ces systèmes résident dans (i) une température quasi-constante à laquelle la transition de phase se produit et (ii) la réversibilité des cycles tant que les matériaux ne présentent pas d'effets de vieillissement significatifs. Toutefois, le principal inconvénient des MCP est lié à une conductivité thermique assez faible, qui entraîne des taux de charge et de décharge lents. Suite à des travaux récents [Noel et al IJHMT 183 (2022)], nous avons montré que la convection thermique améliore significativement les transferts de chaleur et diminue les temps de transition de phase. L'objet de cette présente thèse est d'étudier les effets conjugués de la convection thermique dans des suspensions de mMCP seules ou associées à des systèmes composites sur les transferts thermiques. Par systèmes composites, nous entendons l'intégration de MCP dans des milieux poreux pouvant améliorer la conductivité thermique du système et/ou favoriser le changement de phase. Ainsi, notre objectif est d'augmenter la capacité thermique effective (associant chaleurs latente et sensible) des systèmes TES basés sur l'utilisation de MCP. A ce titre, il s'agit d'étudier des systèmes complexes généralement opaques qui ne permettent pas d'observation directe et locale via des techniques optiques classiques (PIV, ombroscopie, LIF etc). Pour cette raison, il existe très peu de résultats expérimentaux dans la littérature. Dans cette présente étude, nous proposons de combler ce manque grâce à l'utilisation de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) dont les grandes potentialités ont été démontrées, voire développées dans des travaux antérieurs au LEMTA. La partie expérimentale se divisera en plusieurs grandes étapes : - Caractérisation thermo-physiques des propriétés des matériaux (MCP et mMCP) ainsi que des systèmes composites à différentes échelles, - Etude des écoulements des systèmes composites soumis à des gradients de température. A travers les différentes collaborations d'ores et déjà mises en place (R. Noël de l'Univ. G. Eiffel, Y. Hoarau de l'UNISTRA, Ida Karimfazli de l'Univ. Concordia au Canada), une constante interaction entre résultats expérimentaux et numériques/théoriques sera possible et nécessaire afin de comprendre les mécanismes physiques gouvernant les systèmes à l'étude.

This study focuses on the physical mechanisms and heat transfer associated with systems based on phase change materials (PCMs). The continuous increase in fossil energy consumption and energy supply has a crucial impact on climate change. Significant efforts have been made in recent years to promote more responsible energy use through the development of efficient and low-cost thermal energy storage (TES) systems. Among the available means to store thermal energy, the energy generated/absorbed during a phase transition (latent heat) is one of the most widely used. Phase change materials (PCMs) exhibit significant latent heat per unit volume, they are the basic components of these TES units. These materials store latent heat during melting and release this energy during the solidification process. The main advantages of these systems lie in (i) a near-constant temperature at which the phase transition occurs and (ii) the reversibility of the cycles as long as the materials do not exhibit significant ageing effects. However, the main drawback of PCMs is related to a rather low thermal conductivity, which leads to slow charge and discharge rates. Following recent work [Noel et al IJHMT 183 (2022)], we have shown that thermal convection significantly improves heat transfer and decreases phase transition times. The purpose of this PhD is to study the combined effects of thermal convection in microencapsulated PCMs (mPCMs) suspensions alone or associated with composite systems on heat transfer. By composite systems, we mean the integration of PCMs in porous media that can improve the thermal conductivity of the system and/or promote phase change. Thus, our objective is to increase the effective thermal capacity (combining latent and sensible heat) of TES systems based on the use of PCMs. In this respect, it is a question of studying complex systems which are generally opaque and do not allow direct and local observation via classical optical techniques (PIV, umbroscopy, LIF etc.). For this reason, there are very few experimental results in the literature. In this study, we propose to fill this gap through the use of Magnetic Resonance Imaging (MRI) whose great potential has been demonstrated and even developed in previous works at LEMTA. The experimental part will be divided into several main steps: - Thermo-physical characterization of the properties of materials (PCM and mPCM) as well as composite systems at different scales, - Study of the flow of composite systems subjected to temperature gradients. Through the different collaborations already set up (R. Noël from Univ. G. Eiffel, Y. Hoarau from UNISTRA, Ida Karimfazli from Univ. Concordia in Canada), a constant interaction between experimental and numerical/theoretical results will be possible and necessary in order to understand the physical mechanisms governing the systems under study.