Performances d'un système frigorifique domestique avec stockage par chaleur latente

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1 Pefomances d'un système figoifique domestique avec stockage pa chaleu latente Kamel AZZOUZ 1*, Denis LEDUCQ 1, Jacques GUILPART 1, Dominique GOBIN 2 1 CEMAGREF Unité de Recheche Génie des Pocédés Figoifiques, BP Antony Cedex 2 CNRS-Laboatoie FAST, Bat 502-Campus Univesitaie Osay -Fance * (auteu coespondant : kamel.azzouz@cemagef.f) Résumé - Un pototype de éfigéateu à haute inetie themique utilisant un matéiau à changement de phase a été éalisé. Des essais ont été effectués pou plusieus chages themiques à difféentes tempéatues ambiantes. Les données montent une nette éduction des fluctuations de tempéatue dans l'enceinte éfigéée et une amélioation du compotement du système en temes d'autonomie et d'efficacité énegétique. L'impact de l'inetie themique su le système figoifique est pésenté à pati de ses paamètes de fonctionnement (tempéatue d'évapoation et de condensation, consommation du compesseu, autonomie, temps de fonctionnement). Nomenclatue BP pession d évapoation, ba Indices et exposants COP coefficient de pefomance, - ai ai K coefficient d'échange global, Wm -2.K -1 comp compesseu S suface d échange, m 2 ext extéieue T tempéatue, K fig figoifique Symboles gecs ésistance puissance, W ρ masse volumique, kg.m Intoduction Difféents tavaux de echeche menés ces denièes années ont claiement monté que la consevation domestique des aliments posait des poblèmes cuciaux, aussi bien en ce qui concene le niveau des tempéatues obsevées dans les éfigéateus [1] que les pefomances énegétiques de ces équipements [2]. Il appaaît donc que la echeche de solutions aux poblèmes posés pa cet équipement éponde paticulièement bien à un double besoin, visant d une pat la sécuité alimentaie et d aute pat la éduction de la consommation d électicité domestique. L intégation de matéiaux à changement de phase (PCM) dans les éfigéateus domestiques est une solution technologique innovante et économique qui pemet d appote une éponse à ces deux poblèmes. L effet d une plus gande inetie themique due à l utilisation de ces matéiaux a pou conséquence de limite le nombe d aêts-démaages (chaque démaage étant caactéisé pa une suconsommation électique [3]), de pivilégie cetaines heues de fonctionnement dans la jounée et de stabilise la tempéatue pou une meilleue consevation des aliments. Afin de quantifie l impact énegétique lié à l ajout du PCM, de pose des citèes de choix du matéiau de stockage et de son conditionnement, le éfigéateu et le PCM ont été instumentés et des mesues en égime dynamique ont été effectuées.

2 2. Desciption du dispositif expéimental Le éfigéateu de base qui a sevi à la conception du pototype est un éfigéateu à une pote sans compatiment foid, de la maque BOSCH: (KS 30 R 425). L'isolant qui ecouve la paoi aièe de l'évapoateu a été etié pou pemette d insée et de fixe su l'évapoateu à l'aide une colle silicone le conteneu en Plexiglas du PCM. Le matéiau à changement de phase est ainsi en contact diect avec l'évapoateu (Figue 1 et 2). Pou une meilleue igidité de l ensemble, le conteneu est constitué de 6 compatiments distincts de dimension : 300 x 200 x 5 mm. La égulation d oigine du éfigéateu a été emplacée pa un égulateu TOR, de manièe à contôle complètement le mode de égulation du éfigéateu. isolant évapoateu PCM Figue 1 : Repésentation schématique du éfigéateu avec PCM Figue 2 : Vue de l évapoateu avec les compatiment de PCM) Afin de caactéise le fonctionnement du pototype, l'ensemble éfigéateu et PCM ont été instumentés. Des themocouples de type T (cuive / constantan) péalablement étalonnés (pécision:+/- 0,25 C) ont été installés à l'entée et à la sotie des éléments constituant le pototype. L'élément de stockage a été équipé de 15 themocouples placés à difféentes positions afin de desse une catogaphie themique de l ensemble du PCM. L'instumentation de l'évapoateu et du condenseu a été éalisée de manièe à pemette le suivi de l'état du figoigène en plusieus points du cicuit. Comme il nous était difficile de place les themocouples en contact diect avec le fluide figoigène (diamète hydaulique assez faible), nous avons évalué les tempéatues du fluide figoigène pa contact du themocouple avec le tube du cicuit en penant soin d'isole themiquement le tout vis-à-vis de l'ambiance. La tempéatue de l ai dans l'enceinte figoifique a été mesuée à plusieus hauteus à l aide de themocouples installés su un suppot. Deux capteus de pession (de pécision 0,01 ba) placés à l'aspiation et au efoulement du compesseu pemettent de détemine la pession d'évapoation et de condensation. Un wattmète numéique (de pécision +/- 1W), affichant simultanément la tension, le couant et la puissance pemet de mesue la puissance électique consommée pa le compesseu. 3. Essais et ésultats Les essais du pototype utilisant une épaisseu de 5 mm d eau comme PCM, ont étés effectués pou plusieus tempéatues extéieues (de 15 à 30 C) et pou difféentes chages themiques (chauffage intéieu ente 9 et 29W). L ensemble de ces essais ont été éalisés dans une cellule à hygométie et tempéatue contôlées (égulée à ±0.2 C).

3 3.1. Caactéisation themique du éfigéateu avec PCM La qualité de l isolation d une enceinte éfigéée est caactéisée pa son coefficient global de tansmission de chaleu K, qui définit la puissance themique échangée en égime pemanent pa unité de suface moyenne géométique de paoi, sous un écat de tempéatue de 1 K ente l intéieu et l extéieu de l enceinte. La mesue du coefficient K du éfigéateu avec PCM est éalisée dans une cellule à tempéatue contôlée. Une ésistance chauffante founissant une puissance de chauffage constante est placée à l intéieu de l enceinte éfigéée ; à l aide d un héostat, on ègle la puissance émise dans l enceinte du éfigéateu. Connaissant la puissance founie à l intéieu de l enceinte du éfigéateu à l aide d un wattmète, on sait que les seules petes sont celles dues à taves les paois. En égime pemanent on a : d moy ( T T ) = = K S (1) ai ext où est la puissance founie pa la ésistance themique (en W), mesuée pa un wattmète, et d est la puissance de dépeditions themiques pa les paois (en W). Ainsi les petes globales du éfigéateu avec PCM, caactéisées pa K, sont de l'ode de 0,42 W/m²K, ésultat quasi identique à celle sans PCM ( K sans PCM : 0,415 W/m²K [4]) Mesue du Coefficient de pefomance du éfigéateu (COP) La méthode de mesue du COP consiste à intoduie une ésistance chauffante dans l'enceinte du éfigéateu en mache pou simule une chage themique (aliments, ouvetues de pote). Su un cycle de fonctionnement, le coefficient de pefomance moyen est défini comme étant le appot ente la puissance figoifique (demande de foid) et la puissance électique consommée pa le compesseu. À pati de la tempéatue moyenne de l'ai dans l'enceinte ( T ai ), la tempéatue dans la cellule d'essai ( T ext ), la puissance de chauffe ( ) et la consommation du compesseu, on peut calcule le COP avec la fomule suivante: fig K ( Text Tai ) + COP = = comp comp (2) 4. Discussion Les essais d abod effectués en utilisant l eau comme matéiau à changement de phase (matéiau pésentant l avantage d une stabilité dans le temps et une tès bonne chaleu latente de changement de phase), ont pemis de mette en évidence l existence de tois modes de fonctionnement : - fonctionnement avec le PCM patiellement fondu, cas coespondant à des chages themiques élevées (ésistance de chauffe > 19 W). - fonctionnement avec le PCM patiellement solidifié, cas coespondant à des chages themiques faibles (tempéatue d ambiance < 15 C). - fonctionnement avec le PCM complètement solidifié puis complètement fondu.

4 Une tempéatue extéieue élevée (ou une chage themique élevée) a en effet pou conséquence une emontée apide de la tempéatue intéieue et un démaage du moteu, ce qui ne pemet pas une fonte complète du PCM (fusion patielle) (Figue 3). Au contaie une chage themique faible ne pemet pas de faie fonctionne le compesseu suffisamment longtemps pou intégalement congele le PCM (Figue 4). Il existe pa conte un domaine de fonctionnement assez lage où le PCM fond et congèle complètement. - 9 C + 0,5 C - 5 C -5 C + 2 C + 5 C Figue 3 : Répatition des tempéatues dans le PCM au démaage du compesseu (cas d'une fusion patielle: T ext =15 C, R Figue 4: Répatition des tempéatues dans le PCM à l'aêt du compesseu (cas d'une solidification patielle: T ext =20 C, R =29W) Ces difféents compotements du système montent l'impotance de la chage themique (tempéatue d ambiance et puissance de chauffe) dans le choix de la tempéatue de changement de phase du PCM, sachant qu à l'aêt du système, la tempéatue de l'évapoateu est voisine de la tempéatue de changement de phase du PCM. L évolution de la tempéatue de l ai dans l enceinte du éfigéateu avec eau comme PCM donnée dans la Figue 5, monte que l ajout d une plaque de PCM de 5 mm dans la face aièe de l évapoateu pemet de éduie significativement les fluctuations de tempéatue dans l enceinte du éfigéateu tout en diminuant le temps de fonctionnement du compesseu (17,5 % avec PCM conte 25 % sans PCM). Ainsi pou 2,8 lites d eau, coespondant à une capacité de stockage de 924 kj et un églage de la consigne du themostat pou une tempéatue d ai de 5 C, il est possible d avoi une autonomie (maintien du goupe foid à l aêt) de 8 heues et demie. Pou cet essai, l amélioation énegétique dûe à l ajout du stockage pa chaleu latente est de l ode de 25% (Tableau 1). Elle est sensiblement identique pou tous les essais losque l on a fusion et solidification totales. Cette amélioation du coefficient de pefomance est due à une emontée de la pession d évapoation de l ode de 0,2 ba (Figue 6), ce qui coespond à un gain d envion 6 C en tempéatue d évapoation. Cette emontée de la tempéatue d évapoation a aussi pou conséquence une puissance figoifique plus élevée losque le compesseu est en fonctionnement. Losque la tempéatue d évapoation augmente, la masse volumique du figoigène à 3 3 l aspiation de l évapoateu augmente ( ρ 2,22 kg / m, ρ 2,76 kg / m ), le sans pcm = avec pcm = débit massique aspié pa le compesseu augmente donc (le débit volumétique estant le

5 même). Cette augmentation du débit massique explique l augmentation de la puissance figoifique. sans PCM avec eau 5 mm Duée T ai Demande Amélioation Autonomie % BP COMP COP Cycle moyen Moyenne COP Fonct [mn] [ C] [W] [W] - % [h] % [ba] 132 5, ,99 1,67 1, , ,9 21,8 10,46 2, % 8,48 17,5 0,98 Tableau 1 : Pefomances du éfigéateu avec et sans PCM Des essais péliminaies ont été effectués avec un PCM stabilisé (gel polymèe + eau) solidifiant à -3 C. Le compotement est poche de celui obsevé avec l eau, l autonomie étant légèement inféieue (6,8 h avec ce PCM conte 8,5 heues avec de l eau) du fait de sa plus faible chaleu latente (Figue 7). 5. Conclusion L'étude expéimentale pésentée ici concene la caactéisation des difféents paamètes de fonctionnement et l'efficacité énegétique d'un système figoifique à haute inetie themique avec matéiau à changement de phase. Un pototype de éfigéateu avec PCM a été conçu et testé pou difféentes chages themiques. Les ésultats obtenus avec PCM montent claiement l intéêt de l intégation d un tel élément dans un éfigéateu domestique. L autonomie du éfigéateu peut atteinde plus de 8h avec une tempéatue ambiante de 20 C. Le coefficient de pefomance est en moyenne plus élevé de 20 à 25%, losque les conditions de fonctionnement sont telles que le matéiau congèle puis fond intégalement. Les ésultats ont aussi mis en évidence la non-unifomité de tempéatue de paoi de l'évapoateu, étant donné l'impotance de la suchauffe en sotie évapoateu. Celle-ci est due au phénomène de emplissage pogessif de l évapoateu en figoigène los du démaage. Réféences [1] O. Laguee : Study of domestic efigeation tempeatue and analysis of factos affecting tempeatue, Intenational Jounal of Refigeation. Vol [2] ADEME : Etude expéimentale des appaeils électoménages à haute efficacité énegétique placés en situation éelle. Rappot final Pojet ECODROME (1998). [3] J. Seano : Numeical and expeimental validation of hemetic ecipocating compessos. Integating in vapou compession efigeating systems. PHD thesis, Technical Univesity of Catalonia (2002). [4] K. Azzouz, D. Leducq, J. Guilpat, D. Gobin : Impoving the enegy efficiency of a vapo compession system using a phase change mateial, Second Confeence on Phase Change Mateial & Sluy, Switzeland Remeciements Ces tavaux ont été éalisés avec le soutien financie de l ADEME (Agence de l Envionnement et de la Maîtise de l Enegie) et de l ANR (Agence Nationale de la Recheche) dans le cade du pojet SIMPFRI avec la collaboation de la société CRISTOPIA et de la société BSH.

6 20 avec PCM (5 mm d'eau) 16 sans PCM Tempéatue [ C] 12 8 autonomie sans PCM : 1,58 h autonomie avec PCM : 8,48 h Temps [mn] Figue 5 : Compaaison de l évolution de la tempéatue de l ai sans PCM et avecpcm (Épaisseu PCM=5 mm T ext =20 C, 2 1,8 avec PCM (5 mm d'eau) sans PCM 1,6 Pession [ba] 1,4 1,2 1 0,8 0,2 ba 0, Temps [mn] Figue 6 : Evolution de la pession d évapoation avec et sans PCM (Épaisseu PCM=5 mm T ext =20 C, 20 sans PCM Tempéatue [ C] avec eau : 5 mm avec PCM à -3 C : 5 mm autonomie avec PCM à -3 C : 6,8 h autonomie avec eau : 8,48 h Temps [mn] Figue 7 : Evolution de la tempéatue de l ai sans PCM, avec EAU et avec PCM à -3 C (Épaisseu PCM=5 mm T ext =20 C,