Comparaison de méthodes de modélisation système d’un stockage de vapeur par Matériaux à Changement de Phase

La vapeur figure parmi les fluides caloporteurs les plus répandus dans l’industrie grâce à sa capacité à transporter une grande quantité de chaleur. Dans de nombreux procédés, la fluctuation de la production et de la demande de cette vapeur rend indispensable l’intégration d’une solution de stockage thermique qui permet d’adapter la puissance produite par la source de chaleur aux besoins du procédé, et in fine de réaliser des économies d’énergie. Parmi les technologies envisagées, le stockage de type tubes-calandre par Matériau à Changement de Phase (MCP) est intéressant pour les applications de stockage de vapeur. Cela est dû à la capacité du MCP à stocker l’énergie à une température quasi constante, ce qui permet de limiter la perte de pression et de minimiser la différence de température de la vapeur entre charge et décharge. Néanmoins, la modélisation d’un système de stockage tubes-calandre par MCP exige des ressources de calcul conséquentes pour modéliser de façon représentative la géométrie et les phénomènes physiques du système. Par conséquent, la mise au point de modèles permettant de dimensionner rapidement et avec précision un module de stockage est essentielle pour faciliter le passage de cette technologie dans l’industrie.

Cette étude vise donc à développer et valider une méthode de modélisation rapide d’un stockage de vapeur par MCP. Le modèle développé représente à la fois l’écoulement diphasique d’eau liquide/vapeur à l’intérieur du tube ainsi que les transferts de chaleur dans la paroi du tube et dans la zone contenant un matériau homogène du MCP et des ailettes. L’intérieur du tube est discrétisé en 1D dans la direction de l’écoulement. Une homogénéité de la vitesse et de la température est supposée entre les phases liquide et gazeuse. A l’extérieur du tube, deux approches sont étudiées pour prédire les transferts thermiques et le changement de phase au sein du matériau homogène MCP + ailettes. La première méthode, décrite dans une thèse précédente, consiste à discrétiser radialement le domaine. Le changement de phase quasi isotherme du MCP est pris en compte par une capacité calorifique (Cp) équivalente. Les effets de la convection naturelle du MCP liquide ainsi que de la géométrie des ailettes sur le transfert de chaleur dans le MCP sont intégrés en calculant une conductivité thermique équivalente obtenue par une corrélation sur les transferts thermiques au niveau de la paroi externe du tube issue de calculs de mécanique des fluides numériques (CFD). La deuxième méthode consiste à ne pas mailler ce domaine dans la direction radiale, cela a pour intérêt de réduire davantage la complexité de la modélisation et par conséquent le temps de calcul. La corrélation issue de la CFD sert à estimer le flux échangé au niveau de la paroi du tube qui permet de prédire l’avancement de la fusion du MCP. Enfin, le modèle de l’écoulement diphasique couplé avec les modèles du transfert radial côté matériau homogène sont validés avec des résultats expérimentaux pour des cas de stockage en charge.