ETUDE DES TRANSFERTS THERMIQUES AU SEIN D'UN LIT DE PARTICULES CONTENANT UN MATERIAU A CHANGEMENT DE PHASE POUR LE STOCKAGE DE CHALEUR
Résumé
Une solution de stockage d'électricité, le procédé AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage), consiste à comprimer de l'air en phase de stockage et à le détendre dans une turbine afin de récupérer une partie de l'énergie électrique utilisée pour la compression. Lors de la compression la température de l'air augmente de plusieurs centaines de degrés. Il est alors nécessaire d'abaisser sa température pour permettre son stockage. Afin d'augmenter le rendement du procédé, la chaleur évacuée lors de cette étape est récupérée dans des unités de stockage d'énergie thermique qui peuvent par exemple être constituées de lits (fixes ou fluidisés) de particules contenant un Matériau à Changement de Phase (MCP). L'étude de ces lits de particules est complexe car elle fait intervenir des phénomènes couplés entre eux ayant lieu à différentes échelles (micro : échelle de la particule, méso : d'une partie du lit et macro : de l'ensemble du lit). Le logiciel PeliGRIFF (http://www.peligriff.com) autour duquel s'axe le travail de cette thèse permet de modéliser des systèmes d'écoulements particulaires à l'échelle micro (toutes les interactions particule-particule et fluide-particule sont directement résolues) et méso (les interactions fluide-particule sont modélisées). Pour être en mesure d'y simuler une unité de stockage via les MCP en vue de son dimensionnement tout en gardant une puissance de calcul nécessaire raisonnable, il est alors nécessaire de modéliser les phénomènes ayant lieu à l'échelle de la particule et influençant de manière significative les transferts thermiques aux échelles supérieures, en particulier la convection naturelle au sein de la phase liquide du MCP et le changement de phase lors du stockage/de la libération de la chaleur. Etablir ces modèles demande l'étude préalable d'une particule isolée. Le travail réalisé a donc consisté à évaluer au travers de simulations l'impact de la convection naturelle au niveau de la particule et de déterminer comment et dans quelle gamme de nombres adimensionnels, il est nécessaire de prendre en compte ce phénomène. Pour cela, des simulations sous OpenFOAM d'une unique particule soumise à un gradient de température sous différents nombres de Rayleigh et de Prandtl permettant le déclenchement de la convection naturelle ont été réalisées. Les résultats obtenus ont permis de déterminer l'effet de la convection sur les échanges et d'établir une corrélation reliant le flux de chaleur moyen (échangé entre l'extérieur et le fluide contenu dans la particule) aux nombres de Prandtl et Rayleigh de la particule . Cette corrélation permet de recalculer l'évolution temporelle de la température moyenne de la particule à partir de la connaissance des nombres de Prandtl et Rayleigh. La température moyenne ainsi recalculée et la température moyenne obtenue par simulation sous OpenFOAM ont ensuite été comparées pour divers couples (Rayleigh, Prandtl) afin de valider cette corrélation.
Origine : Fichiers éditeurs autorisés sur une archive ouverte