transferts thermiques avec changement d’état...

Transferts thermiques avec changement d’état liquide-solide

Aspects SystèmeAspects Système

Concepts d’échange

E h th i à t iEchange thermique à travers une paroiConnaissance des propriétés de l’interface entre un matériau liquide et la paroi sur laquelle il se solidifie Empiriqueparoi sur laquelle il se solidifie Empirique

Echange thermique par contact direct

L’intérêt réside dans l’utilisation de l’énergie à un niveau thermique voisin de la température de fusion. p

On s’affranchit aussi de la variation volumique lors du changement d’état, qui engendre des contraintes mécaniques et des résistances de contact par dé ll l é i f ibl l idécollement entre le matériau fusible et la paroi.

2

Choix d’un Matériau à Changement de Phase ( MCP )chaleur latentechaleur latente

2 1 1 2( )S F F F L FH H M c T T M L T M c T T

- température de fusion adéquate- grande chaleur latente

grande densité- grande densité- faible coût- faible dangerosité

t bilité d l t- stabilité dans le temps- fiabilité des matériaux de confinement- faible surfusion

Exemples:- eau- solutions salines ( eutectique, péritectique…)

l ti l li- solutions alcooliques- paraffines et mélanges de paraffines

- Corps inorganiques- Corps organiques

Organic PCMs - Paraffin (CnH2n+2) and Fatty acids (CH3(CH2)2nCOOH) Advantages

Availability in a large temperature rangeAvailability in a large temperature rangeLow or no supercoolingCompatibility with conventional material of constructionNo segregationChemically stableGood melting heatSafe and non-reactiveRecyclableRecyclable

Disadvantages Low thermal conductivity in their solid state (High heat transfer rates are required during the freezing cycle).Flammable. Due to cost consideration only technical grade paraffins may be used which are essentially paraffin mixture.

Inorganic - Salt hydrates (MnH2O) Advantages

Low cost and easy availabilityGood melting heatGood melting heatNon-flammable

Disadvantages Change of volume is very highSupercooling is major problem in solid-liquid transitionNucleating agents are needed

6

7

8

i i i i é i à

Exemples d’applications

Les principales applications des Matériaux à changement de phase sont les suivantes :

Stockage et transport de l’énergie thermiqueStockage et transport de l énergie thermique

Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux

Industrie textile

Protection thermique de composants et circuits électroniques

Climatisation passive

Isolation des bâtiments

Exemples d’applicationsStockage et transport de l’énergie thermique

ContexteContraintes environnementales

Amélioration de l’efficacité énergétique

g p g q

Contraintes environnementalesDisponibilités des ressources

énergétiques

Meilleure maitrise de la demande Energétique

Réduction des émissions de CO2

Stockage et transport de l’énergie thermique

Dissocier dans le temps et dans l’espace la production de l’utilisation de l’énergiel énergie.

Rationalisation de l’utilisation de l’énergie

Domaine du froidDomaine du froid Réglementations successives en matière de fluides frigorigènes.

Stockage et transport du froid par changement de phase solide liquide

Solutions adaptées à la réfrigération industrielle et aux systèmes de climatisation

Avantages du stockageAir conditionné

• Réduction de la puissance frigorifique installéeinvestissements moindres80

100

120

sans stockage investissements moindres

• Diminution du coût de l’énergieConsommation d’électricité avec

20

40

60

80kW

sans stockage

tarifs spéciaux( puissance, nuit )

• Sécurisation de la production du

0

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23heures • Sécurisation de la production du

froid

• Optimisation du fonctionnement des 100

120

avec stockage

groupes frigorifiques

• Environnementfluides frigorigènes CO

40

60

80

kW Déstockage

fluides frigorigènes, CO2

• Chaleur latente :réduction taille stock

0

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Production directeStockage Stockage

heures

Les fluides frigoporteurs Distribution du froid via un fluide secondaire

P d i

Compresseur

u

refroidissement direct Fluide frigorigène

Production et utilisation

du froid

Quantité importante de fluide frigorigène

Risques importants de fuites

Con

dens

eur

Éva

pora

teu

r

Détenteur

refroidissement indirectCircuit du frigoporteurC

Fluide frigorigèneCircuit du frigoporteur Compresseur

ense

ur

orat

eur Utilisation du

froidProduction

Con

de

Détenteur

Éva

po du froid

Confinement du circuit frigorifique Frigoporteurs diphasiques liquide -solideà pouvoir énergétique élevé

Possibilité de stockageMinimise la charge du

12

Possibilité de stockagegfluide frigorigène

Stockage d’énergieDissocier l ’utilisation de la production d ’énergiep g

Stockage du chaud

Sensible

Chaleur latente1T 2T

Thermo-chimique

St k d f idStockage du froid

•cinétiques de stockage et/ou déstockaget f t d h l•transferts de chaleur

•comportement du stock dans les systèmes

Etudes sur les Matériaux à Changement de Phase

Stockage d’énergie

Stockage par chaleur sensible :

H H M c T T 2 1 2 1H H M c T T

Stockage par chaleur latente :

2 1 1 2( )S F F F L FH H M c T T M L T M c T T

Stockage thermochimique :

Stockage d’énergie

Stockage par chaleur sensible :

1212 TTcMHH

Stockage par chaleur latente :

21S12 TTcM)T(LMTTcMHH F2LFF1FS12 TTcM)T(LMTTcMHH

Exemple :Exemple :si on réchauffe de la glace de –1°C à +1°C, on stocke 94,8 kWh/ m3.Même énergie, pour la même quantité d’eau, échauffement de 0°C à 81,5°C.

15

stockage du chaud par fusion12 TT

- habitat- vêtements, thermos

protection électronique

TT stockage du froid par cristallisation

- protection électronique

12 TT stockage du froid par cristallisation

- industrie du froid- conditionnement d ’air- secours

16

Différents procédés de stockage par chaleur latente

• Bacs à glace (systèmes très répandus)– Cuve contenant de l’eau en contact direct avec une batterie où circule un liquide froid

• Matériaux à Changement de Phase encapsulés– MCP confinés dans des capsules de différentes formesp

• Fluides frigoporteurs diphasiques (R&D)– Liquides comportant des parties solides en suspension qui peuvent fondre en échangeant de

la chaleur latente.

BACS A GLACECuve contenant de l’eau en contact direct avec une batterie où circule un liquide froid

U i é lè18

Unité complète

BACS A GLACE

B lti Ai il Baltimore Aircoil Company

Batterie

19

BACS A GLACE

Fusion interne : circulation d’eau glycoléeg y

glace glace

eau glycoléeeau

eau glycolée

Fusion externe : pompage de l’eau glacée

eau eau

Fu n t rn p mpag au g ac

glace

20Eau glycolée

Nodules encapsulés

SurfusionPlusieurs nodules contenant un même agent nucléant au cours d’un refroidissement

8 K sans agent nucléant2-3 K avec agent nucléant adéquat

Mê d l diffé lMême nodule pour différents cycles

ENCAPSULATED PCM

22Charge mode Discharge mode

23

Pilote de stockage du froidg

24

Pilote de stockage du froid

25

P d k dé kP d k dé kProcessus de stockage déstockageProcessus de stockage déstockageD d D d Deux modes :Deux modes :

Mode Normal Mode InverseMode Inverse

gg

Stockage StockageDéstockage Déstockage

26

Vertical mode normal

27

Vertical mode normal

28

Vertical mode inverseVertical mode inverse

29

Horizontal

30

MODELISATION VERTICAL MODE NORMAL

N

immV TTqcdtdTVc 1

idt 1

t)t(nN)T(Jn L

31

3

/c

3

0 1FS

LLi T

Lcrr

31

Quasi-stationnaire

envf

bbbb

3ib RR

)t(TTdt

)t(dTcr34)t(

Avec b = L ou S

drL)t(4)t(TT)t( ,c2F

dt

L)t(r4)t(RRR

)()t( ,cFL,c

,cenvf

F,c

eipenv r

1r1

k41R

111)t(R

2f 4h1R

i,cS

,c r)t(rk4)t(R

2er4h

convectionh

32

STOCKAGE Débit

Température finale

33

DESTOCKAGE

DébitDébit

Température finale

34

li id (CO )

Fluides frigoporteurs diphasiques

- liquide-vapeur (CO2)

- liquide-solide

Phase solide de même nature que le liquide porteurPhase solide de même nature que le liquide porteur

- eau+glace (0°C)

- solutions aqueuses (alcools, sels, ammoniac)+glacecoulis de glace

Phase solide d ’une nature différente du liquide porteur

- émulsions

di i ti l i- dispersions particulaires

- d’une solution liquide d’eau et d’éthanol :

- d’une phase solide de glace pure :

Phase porteuse

Potentiel énergétique du frigoporteur

Coulis de glace du mélange eau-éthanol.

35

Etudes à caractère fondamentalCoulis de glace

Etudes à caractère fondamental• Analyse enthalpique du mélange eau-éthanol

0

50

-100

-50

0

g )

-200

-150

ntha

lpie

( J/

kg

1%

2%

Concentration massique d ’éthanol

-350

-300

-250En

%

5%

10%

15%

-400

350

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

Température ( °C)

Etudes à caractère fondamental• Mesure de la concentration en glace dans les écoulements

– Mesure de la température (équilibre thermodynamique)

T(°C)T( C)

0 aiw1w Ts

liquidus

afg w

1w

Tf

solidus(dépot de

glace+ Tb= 110 5°C(dépot de

glace) +eau/éthanol solidus

(dépot decristauxd'éthanol)

-118

Tb=-110.5 C

0 0.935 1wai waf

d éthanol) wa

fraction massiqued'éthanol

fraction massiquesolide de glace

fraction massique d'éthanol

0,8

0,9

1,0g

0,005

0,01

0,6

0,7

0,80,03

0,05

0,08

0 3

0,4

0,50,08

0,10

0,14

0,1

0,2

0,30,18

0,24

0,320,0

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

température en °C

0,32

température en C

Etude hydraulique et stockage

• Banc d'essais de coulis de glace

production stockage étudeproductioncoulis

stockagecoulis

étudecoulis

• Production du coulis

1

1- compresseur groupe froid2- condenseur3- vannes de détente

2

3

3 vannes de détente4- évaporateur5- pompe de circulation6- cuve de stockage7- pompe de circulation

3

466

7

5

7

vers boucle d'essai

retourboucle d'essai

• Instrumentationsstroboscope

caméra

débitmètre massique

écoulement

0-2mb

0-20mb

manomètres différentiels

transmetteur

0-200mb

0-2000mb

P (mmb)

convertisseur A/NPitot

carte video

ordinateur de contrôle

T (°C) Q (l/s) (kg/m3)

– Utilisation du débitmètre à effet Coriolis

Débitmètre à effet Coriolis de type « Rosemound Elite 100» C débi è d dé i l débiCe débitmètre permet de déterminer le débit massiquem , la masse volumique du fluide circulant dans la boucle et la température T avec les précisions suivantes :

h/k1 h/kg1m 3m/kg5.0

C5.0T

Débitmètre à effet Coriolis Elite 100Débitmètre à effet Coriolis Elite 100

L

L sL

Résultats expérimentaux (eau + 10 % éthanol)• Caractéristiques de la glace

– les particules de glace sont différentes les unes parles particules de glace sont différentes les unes parrapport aux autres : le mélange est hétérogène

– la forme des cristaux est préférentiellementla forme des cristaux est préférentiellementelliptique.

• Les cristaux ont une dimension variant de l'ordre du 1/l0ème de mm au millimètre maximum

Résultats expérimentauxC té i ti d l’é l t• Caractéristiques de l’écoulement

eau + 10 % éthanol tube D = 50 mm

E l t lit bilEcoulement avec lit mobileU = 0,1 m/s; T = -4,9 °C, 5 % de glace

Ecoulement hétérogèneU = 0,2 m/s; T = -5,2 °C, 10 % de glace

E l t h è

Ecoulement annulaireBloc homogène compact mobile

Ecoulement homogèneU = 0,5 m/s; T = -5,9 °C, 20 % de glace

• Cartographie d ’écoulementg pD = 50 mm

0,7

0,8

annulairehomogène

0,5

0,6

lang

e (m

/s) lit mobile

hétérogènelit stationnaire

0,3

0,4

esse

de

mél

0,1

0,2Vite

0,0

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

fraction massique de glace wmgfraction massique de glace wmg

Résultats expérimentaux• Pertes de charges D = 50 mm

500

600

400

(Pa/

m)

200

300

e de

cha

rge

(

U=0,687m/s

U=0,5m/s

100

200

Perte

U=0,25m/s

U=0,15m/s

0

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30fraction massique de glace

U=0,04m/s

fraction massique de glace

Résultats expérimentaux• Pertes de charge D =25 mm

10000

ge (P

a/m

)

1000

te d

e ch

arg

U=2.6m/s

U=2m/s

Pert

U=1.5m/s

U=1m/s

U 0 5 /100

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

U=0.5m/s

fraction massique de glace

slurry setup

(1) (5)

(6)

(2)

(5)

(6)

(3)Inner tube : 22 mm (2)

(4)

T

diameter• smooth surface• 2 improved surfaces

PID

(7)

(3)

(1) Storage tank(2) Scraper type heat exchanger(3) Pumps(4) Coriolis flowmeter PID~(4) Coriolis flowmeter(5) Valves(6) Heat exchanger(7) Heating resistance LC

Solid concentration

49SL So d co ce t at o

HEAT TRANSFER STUDIES

Si l h t d Wilson plot technique14,01

From the measured flow rates and inlet and outlet temperatures

Single phase study Wilson plot technique (graphical method)

p

3 .Pr.Re.Ch

Based upon measurements of overall heat transfer coefficient

Determination of the coefficients and the exponents relative to heat transfers tube side and annular side haCa et

Variation of the flow rate in the tube side fixing it in the

a

htCt etannular side, then conversely.Wilson linear equation.

U

t

Two - phase study

is known (single phase study)h is determined b the e pression of the o erall heat transfer coefficient

LMTD method UTLM.S.U aaa Re.Ch

ht is determined by the expression of the overall heat transfer coefficient

1aiaiai

t DDln

k2D

h1

U1

DDh

50

teate Dk2hUD

Experimental resultsExperimental results

Experimental pressure drop versus ice concentration for different flow rates

Experimental heat transfer coefficient versus ice concentration for different flow rates

3500

4000

4500

5000

3500

4000

4500

5000

W m

-2 K

-1)

1500

2000

2500

3000

DP

(Pa/

m)

1500

2000

2500

3000

ansf

er c

oeff

icen

t (W

0

500

1000

0 5 10 15 20 250

500

1000

0 5 10 15 20 25Ice concentration

Hea

t tra

Ice concentration

0.7 kg/s 0.6 kg/s 0.5 kg/s 0.4 kg/s 0.3 kg/s 0.2 kg/s 0.12 kg/s

Ice concentration

0.7 kg/s 0.6 kg/s 0.5 kg/s 0.3 kg/s 0.2 kg/s 0.12

(velocities between 0.3 and 1.8 ms-1)

51

Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux

PCM Energy P. Ltdva-Q-tec AG

52Transport container, which can sustain temperatures of -18 °C at ambient temperatures of around 20 °C for 4 days (va-q-tec AG)

Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux

t ll f f d Q t AGtrolley for food va-Q-tec AGPizza heater, plate for heating and cooling food (pictures: Rubitherm Technologies GmbH)

53

Refroidissement et transport de produits alimentaires ou de produits sensibles pharmaceutiques ou médicaux

Blood transport system (Rubitherm) and transport box (AB Aircontainer A.C.)p y ( ) p ( )

54

Industrie textile

Microscope images of Outlast® acrylic fiber (left), Outlast® viscose fiber (center) and Outlast® coating on textiles (Outlast Europe)

55Schoeller®-PCM-foam applied on a fleece (left) and wool with schoeller®-PCM™-coating (Schoeller)

Cooling vest to cool the body of people who work in hot environments or with extreme physical exercise (Climator AB)p y ( )

56

Ski jacket and pants produced by Colmar using schoeller®-PCMTM

57

Pocket heater, which uses the effect of supercooling to store heat for a long time p g gand to release it when a person is freezing. Left: supercooled state, right: after crystallization was triggered.

58

Kidney belt with PCM, developed by Schoeller textile AG

59Plumeaus produced by Brennet (Outlast) Shoe inlet based on Rubitherm PK

Hot cushions for medical purposes / heat therapy ( Rubitherm Technologies GmbH)Hot cushions for medical purposes / heat therapy ( Rubitherm Technologies GmbH)

60

Induction directe en creuset froid

Exemples d’applicationsInduction directe en creuset froid