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