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Étude de cas sur la modélisation du stockage d'énergie par PCM pour un cycle de refroidissement à éjecteur solaire. 

PCM energy storage modeling case study for a solar-ejector cooling cycle.

Auteurs : ALLOUCHE Y.

Type de monographie : Thèse de doctorat

Résumé

Le thème abordé en cette thèse de doctorat est l'évaluation d’une suspension (slurry) d’un matériau à changement de phase (PCM) comme moyen de stockage de l’énergie thermique à basse température, et faisant partie d'un système de climatisation solaire piloté par un cycle de refroidissement par éjecteur de vapeur. Le PCM étudié est constitué d’une suspension aqueuse d’un matériau à changement de phase micro-encapsulé (RT15) en suspension dans l'eau avec une concentration massique de 45% et ayant une température de changement de phase autour de 15ºC. L’objectif principal de cette thèse est de créer une base scientifique et une méthodologie adéquate pour évaluer et concevoir des systèmes de stockage par chaleur latente. Le travail se concentre sur deux axes principaux : la caractérisation des propriétés thermo-physiques du PCM et l’étude du transfert de chaleur. Ces deux domaines sont explorés en utilisant deux approches expérimentales et numériques. Un modèle numérique est égale-ment développé afin d’être utilisé pour la simulation dynamique des performances d'un système de climatisation solaire muni d’un cycle d’éjecteur de vapeur et d’un système de stockage de froid par des matériaux à changement de phase.
Afin de créer une base fondamentale pour les travaux de recherche menés au cours de cette thèse, une revue bibliographique approfondie présentant l’état de l’art du thème abordé est présentée. Les technologies de refroidissement solaires existants, à savoir les systèmes solaires thermiques, thermo-électriques et thermo-mécaniques sont résumées avec leurs caractéris-tiques de performances les plus pertinentes. Les systèmes de stockage de l’énergie thermique typiques sont discutés avec une attention particulière apportée au stockage de l’énergie par chaleur latente. Les matériaux à changement de phase pour le stockage de l'énergie thermique sont classifiés, leurs avantages et défis sont discutés en détails. Les techniques expérimentales et modèles mathématiques existants les plus couramment utilisés pour décrire les propriétés physiques non-linéaires des matériaux à changement de phase sont présentés.
Bien que le travail se concentre sur le stockage de l’énergie thermique dans le PCM, un modèle numérique d'un éjecteur de vapeur d'une capacité de 5 kW a été développé en utilisant la dy-namique des fluides computationnelle (CFD). L'objectif étant de mieux comprendre la structure de l’écoulement à l'intérieur de l'éjecteur et donc les performances du cycle de refroidisse-ment. Les effets des conditions opératoires sur le rapport d'entraînement et sur la pression critique sont analysés. Une carte de performance de l'éjecteur est conçue afin d’être utilisée dans un outil de simulation dynamique également développé au cours de cette thèse.
La caractérisation thermo-physique des matériaux à changement de phase est fondamentale pour la conception et l'intégration réussie d'une unité de stockage de chaleur latente dans un système d'énergie thermique. Dans ce travail la chaleur spécifique, la variation de l’enthalpie, la conductivité thermique, ainsi que la densité de la suspension du PCM sont expérimentalement déterminées. Une étude rhéologique est également réalisée à l'aide d'un viscosimètre rotatif équipé d’un système de réglage de la température. Un comportement non-newtonien dilatant (shear thickening) de la suspension a été identifié. Afin de comparer directement la perfor-mance thermique du PCM à un système de stockage utilisant l’eau (stockage par chaleur sen-sible), une analyse expérimentale du transfert de chaleur dans un réservoir de stockage cylin-drique de 100 litres est effectuée, pendant le processus de chargement, sous les mêmes condi-tions opératoires. Les résultats ont montré que la quantité d'énergie stockée en utilisant la sus-pension de PCM est 53% supérieure à celle de l'eau après 10 heures de chargement, pour un même volume de stockage. Il a aussi été observé que le coefficient de transfert de chaleur entre la suspension de PCM et la paroi du tube, lors du processus de chargement, augmente au cours du changement de phase, mais reste inférieur aux valeurs obtenues pour l'eau.
Un modèle CFD tridimensionnelle du réservoir de stockage du PCM utilisant le logiciel commer-cial ANSYS / FLUENT est également réalisé afin d’évaluer sa capacité de simuler avec précision le stockage d'énergie pendant le processus de chargement. Les propriétés thermo-physiques utilisées dans le modèle sont basées sur les résultats des données expérimentales obtenus dans cette thèse. L'importance et les caractéristiques de la structure d'écoulement lors du transfert thermique par convection naturelle à l'intérieur du réservoir de stockage contenant la suspen-sion du PCM sont analysées. Les résultats obtenus à partir de la simulation numérique sont va-lidés avec les données expérimentales. Il a été constaté que la température du PCM, le taux de stockage d'énergie thermique ainsi que l'énergie accumulée à l'intérieur du réservoir ont été simulés avec une erreur inférieure à 10% pour différents débits massiques du fluide de trans-fert de la chaleur de charge.
Un modèle de simulation dynamique pour le système solaire de refroidissement équipé d’un éjecteur et d’une unité de stockage de froid intégrée par PCM est développé à l’aide du logiciel TRNSYS. Une étude de cas est effectuée qui vise à satisfaire les besoins en refroidissement pen-dant la saison d’été d'un espace de bureaux ayant un volume de 140 m3 situés à Tunis, en Tuni-sie. Une étude paramétrique a indiqué que l'installation d’un petit réservoir de stockage d’eau chaude est suffisante et avantageuse. D’autres part, il a été constaté que l’intégration d’un ré-servoir de stockage de froid remplie de PCM serait avantageuse en termes d'efficacité globale du système. Basé sur l'analyse paramétrique effectuée à l’aide de l'outil de simulation dyna-mique développé, des recommandations de conception d’un tel système sont présentées afin d’assurer un fonctionnement performant.

Documents disponibles

Format PDF

Pages : 248 p.

Disponible

Gratuit

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Détails

  • Titre original : PCM energy storage modeling case study for a solar-ejector cooling cycle.
  • Identifiant de la fiche : 30030792
  • Langues : Français, Anglais, Arabe
  • Sujet : Technologie
  • Édition : National Engineering School of Tunis (ENIT)/Faculty of Engineering of the university of Porto (FEUP) - Tunis - Portugal/Tunisie
  • Date d'édition : 03/2016

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