ESTIMATION DE LA HAUTEUR D UN LIT DE STOCKAGE DE L ENERGIE THERMIQUE UTILISANT UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE

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1 0-06 Novembre, 00, Sousse,Tunisie ESTIMATION DE LA HAUTEUR D UN LIT DE STOCKAGE DE L ENERGIE THERMIQUE UTILISANT UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE A. Benmansour A. Benzerdjeb Laboratoire de mécanique appliquée, Université des Sciences et de la Technologie d Oran, BP 0 El-M Naouer Oran, Algérie, benmans@univ-usto.dz Résumé - Dans ce travail nous allons procéder à l estimation de la hauteur optimale pour laquelle le stockage de l énergie thermique par chaleur latente à basses températures (0 C à 00 C) est convenablement assuré en fonction des conditions dynamiques et thermiques de l air à l entrée d un lit fixe rempli de sphères uniformes, disposées au hasard et contenant chacune un matériau à changement de phase (MCP). Pour cela, nous définirons une nouvelle grandeur PS, que nous appellerons pouvoir de stockage (le rapport entre la différence des températures finales Θmax et initiale Θo du MCP et le temps nécessaire à cette opération). Les résultats de la simulation ont permit de montrer qu a partir d une certaine longueur du lit la quantité d énergie thermique stockée ne peut être augmenté qu en envisageant un autre moyen et ce pour un certain diamètre des sphères et un diamètre du lit donné. Mots clés: Stockage d'énergie, Chaleur latente, Changement de phase, Sphère. I. INTRODUCTION L utilisation du solaire dans les systèmes de refroidissement ou de chauffage comme source d énergie alternative à l énergie fossile dont les réserves diminuent chaque jour, d une part et l augmentation continuelle du prix de ces sources d énergie conventionnelles, la demande croissante en énergie et leurs effets nuisibles sur l environnement ont rendu les sources d énergie renouvelables plus attractives. Parmi ces sources d énergie renouvelables, l énergie solaire présente l intérêt d être peu coûteuse et présente partout. Or, cette énergie se caractérise souvent par son inadéquation entre les besoins et la ressource sur plusieurs niveaux : spatial, temporel, en puissance et en température, pose des problèmes de stockage. Le stockage de la chaleur est le moyen le plus évident pour atténuer ces inadéquations car il permet le transfert d énergie des périodes excédentaires aux périodes déficitaires et d adapter ainsi sa production à la consommation. Mais son application industrielle nécessite des compromis sur des critères souvent antagonistes tels que: la densité énergétique (capacité de stockage par unité de volume ou de masse), la puissance thermique instantanée stockée et/ou délivrée, la simplicité du procédé, l'efficacité énergétique (absences de pertes). Différents types d unités de stockage ont été conçus et étudiés. Ils diffèrent tous par la nature du matériau servant de support de stockage et la géométrie du système [,]. Le stockage thermique par chaleur latente dans les liquides ou les solides peut s avérer très intéressant avec l utilisation des matériaux à changement de phase. Ces matériaux présentent l avantage de stocker une grande quantité d énergie avec un bon rapport masse/volume []. Dans des travaux antérieurs [,,6], nous avons étudié de ce type stockage et nous avons mis en évidence l influence des paramètres dynamique et thermique du fluide sur l évolution de la température du MCP le long du lit, dans les deux mode de stockage et de récupération de la chaleur. L objectif de ce travail est d estimer numériquement la hauteur optimale pour laquelle le stockage de l énergie thermique par chaleur latente est convenablement assuré dans un lit fixe de forme cylindrique rempli de sphères uniformes, disposées au hasard et contenant chacune un matériau à changement de phase (MCP), et traversé par un flux d air. Sol_9

2 0-06 Novembre, 00, Sousse,Tunisie Pour cela, nous définirons une nouvelle grandeur PS, que nous appellerons pouvoir de stockage (rapport entre la différence des températures finales Θmax et initiale Θo du matériau à changement de phase, et le temps nécessaire à cette opération). II. SYSTEME DE STOCKAGE DE L ENERGIE L étude numérique a été faite dans le cas d un lit cylindrique de 0 m de long (fig.), rempli de sphères en plastiques de diamètre égal à 0.08 m contenant chacune de la cire de paraffine comme matériau à changement de phase et support de stockage (température de fusion : 8 C - 60 C) et traversé par de l air préalablement chauffé en mode stockage et ambiant lors du déstockage. Cet air est maintenu à une température d entrée constante et supérieure à la température de fusion du matériau choisi. III. RESULTATS ET DISCUSSION Fig.. Schéma du lit de stockage Sur la figure nous avons représenté l évolution des pertes de charge dans le lit en fonction de la vitesse d écoulement de l air et la hauteur du lit. On constate que pour une même valeur de la vitesse de l air, la chute de pression est d autant plus rapide et élevée que la longueur du lit est grande. 0 Pertes de charge (Pa) x = 0.0 m x = 0.7 m x =.00 m V(m/s) Fig.. Pertes de charge en fonction de la vitesse d écoulement pour différents niveaux du lit. Sol_9

3 0-06 Novembre, 00, Sousse,Tunisie Nous avons représenté sur les figures et l évolution de la température du lit durant la période de stockage pour un rapport hauteur/diamètre du lit (H/D) variant de à et une vitesse d'écoulement de l'air constante (débit d air). La tendance générale de ces deux courbes est que la température du lit durant le stockage diminue avec H/D. C est dû au fait que le volume de stockage augmente avec H/D et par conséquent plus de chaleur est nécessaire au lit pour augmenter sa température et son efficacité de stockage. De plus ces figures indiquent que pour toutes les valeurs de H/D, la durée du stockage (temps nécessaire au lit pour atteindre sa température maximum, correspondant à l état de saturation thermique) diminue avec la vitesse d'écoulement de l'air (débit d air). C est dû au fait que comme plus d air chaud est introduit dans le lit, plus de chaleur est stockée dans le système et ce qui par conséquent fait croître le coefficient de transfert de chaleur entre le fluide en mouvement et les particules sphériques. 80 Vitesse = 0. m/s Ta = 0 C Température du lit ( C) H/D = H/D = H/D = T (mn) Fig.. Evolution de la température du lit en fonction du temps pour différents H/D, durant le stockage (V=0.m/s) 80 Vitesse = 0. m/s Ta = 0 C Température du lit ( C) H/D = H/D = H/D = T (mn) Fig.. Evolution de la température du lit en fonction du temps pour différents H/D, durant le stockage (V=0.m/s) Sol_9

4 0-06 Novembre, 00, Sousse,Tunisie Nous désignons par pouvoir de stockage le rapport entre la différence des températures finales Θmax et initiale Θo du matériau à changement de phase, et le temps nécessaire à cette opération. La valeur initiale Θo sera limitée à une température minimale de 0 C en dessous de laquelle nous ne descendrons pas. Vouloir descendre en dessous de cette valeur n apporte rien de plus sur le plan récupération de la chaleur. Ainsi défini, le pouvoir de stockage est égal à : PS = Θmax Θ o (en degré / heure) t Du fait que Θo ne peut être inférieur à 0 C et que le temps maximum de stockage est de dix heures, le pouvoir de stockage se situe entre les limites 0 PS Θ max 0 t (avec t 0) On constate que selon les situations, et pour certaines conditions thermiques d entrée, Θ max = 8 C sera atteint en moins de 0 heures et par conséquent PS sera fonction de t. Nous avons étudié l évolution du pouvoir de stockage, de chacune des couches de hauteur égale à 0 cm dans un lit de 80 cm de hauteur. Les résultats obtenus sont rassemblés sur les figures, 6 et 7. Sur chacune des figures, nous avons représenté le pouvoir de stockage en fonction de la profondeur du lit pour vitesses d écoulement différentes. Sur chaque figure nous donnons trois séries de courbes correspondant à trois températures d entrée d air, T e différentes (T e = 70, 80, 8 C). D une manière générale pour toutes les vitesses, le pouvoir de stockage est important jusqu'à une profondeur de 0 cm dans le lit. Au delà de cette distance, il atteint des valeurs faibles pour garantir une qualité de stockage convenable Ta = 0 C u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s Fig.. Evolution du pouvoir de stockage en fonction de la hauteur du lit pour différentes vitesses d écoulement (T e =70 C) Sol_9

5 0-06 Novembre, 00, Sousse,Tunisie Ta = C u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s Fig. 6. Evolution du pouvoir de stockage en fonction de la hauteur du lit pour différentes vitesses d écoulement(t e =80 C)..0 Ta = 0 C u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s u g = 0. m/s Fig. 7. Evolution du pouvoir de stockage en fonction de la hauteur du lit pour différentes vitesses d écoulement (T e =8 C) Sur la figure 8 nous avons rassemblé tous nos résultats soit une trentaine de courbes. Le domaine hachuré est assez large et fait apparaître un PS acceptable pour des hauteurs du lit inférieures ou égales à 0 cm. Nous retiendrons cette distance de 0 cm comme hauteur optimale du lit dans le domaine de variation des conditions dynamiques et thermiques d entrée d air. Si nous voulons augmenter la qualité du stockage, nous devons envisager à partir de cette hauteur de 0 cm un moyen pour augmenter la quantité d énergie thermique stockée. Sol_9

6 0-06 Novembre, 00, Sousse,Tunisie. Ug = 0. m/s, 0. m/s, 0. m/s, 0. m/s 0. m/s) Ta = 0 C, C, 0 C Te = 70 C, 80 C, 8 C Fig. 8. Variation du pouvoir de stockage suivant la hauteur du lit CONCLUSION Cette étude a porté sur une analyse du stockage de l'énergie thermique par la chaleur latente à basses températures dans un lit fixe rempli de sphères uniformes contenant chacune un matériau à changement de phase et traversé par un flux d air. Les résultats obtenues ont permis de déterminer les domaines de stockage les plus efficaces et d estimer par conséquent les dimensions optimales de l unité de stockage la chaleur est convenablement assuré. Si on veut augmenter la quantité d énergie stockée il faudrait envisager un moyen différent tel que le stockage multicouche qui consiste à utiliser plusieurs matériaux à changement de phase de température différente. REFERENCES [] D.E. Beasley & C. Ramanarayan, Thermal Response of Packed Bed of Spheres Containing a Phase Change Material. Int. J. Energy Research (989), -6. [] R.J. Wood, S.D. Gladwell, P.W. O Callaghan & S.D. Probert, Low Temperature Thermal Energy Storage Using Packed Beds Encapsulated Phase Change Materials. Int. Conf. Energy Storage, Brighton, UK. (98), -. [] J. Duffie & W. Beckmann, Solar Engineering of Thermal Processes, John Welly and Son. New York (980). [] A. Benmansour & M.A. Hamdan, Simulation du Stockage de l Energie Thermique dans un Lit Fixe de Sphères Contenant un Matériau à Changement de Phase. Revue des Energies Renouvelables, - ( 00), 6-. [] A. Benmansour & M.A. Hamdan&.A. Bengueddach, Experimental and Numerical Investigation of solid particles Thermal Energy Storage Unit, Applied Thermal Engineering, 6 (006), -8. [6] A. Benmansour, Réponse Dynamique d un Lit Fixe pour le Stockage de l Energie Thermique utilisant un Matériau à Changement de Phase. Revue des Energies Renouvelables, - ( 009), Sol_9