Evaluation de l’intensification du transfert de chaleur dans une unité de stockage thermique latent par l’utilisation d’une géométrie d’échange de type multitube et calandre aileté

Le stockage thermique latent est un procédé de stockage prometteur qui a suscité beaucoup d’intérêt ces dernières années en raison de sa densité énergétique élevée. Cependant, il se heurte à un problème majeur, celui de la faible conductivité thermique des matériaux utilisés pour ce type de stockage, à savoir les Matériaux à Changement de Phase (MCP), avec pour conséquence une limitation des échanges de la chaleur à l’intérieur de l’unité de stockage. Parmi les techniques utilisées pour surmonter ce problème figure l’intensification du transfert de chaleur par extension de surface. Dans cette optique, la présente étude numérique propose une nouvelle configuration d’échangeur de chaleur de type tube et calandre, dénommée unité de stockage multitube et calandre aileté. Cette unité de stockage est destinée à la récupération et la valorisation de la chaleur fatale industrielle à basse et moyenne température. Elle consiste en quatre tubes caloporteur reliés entre eux par des ailettes longitudinales ainsi qu’à la calandre. Pour évaluer ses performances pendant les phases de fusion et de solidification, elle a été comparée à iso-volume du MCP avec un échangeur multitube, constitué de 4 tubes nus (sans ailettes), qui sert de géométrie de référence. Le MCP considéré dans cette étude est l’érythritol contenu dans la calandre, et l’huile thermique Hytherm 600 qui circule dans les tubes est utilisée comme fluide caloporteur. L’étude est menée avec le code de calcul Star CCM+ en employant l’approche enthalpie-porosité pour la modélisation du changement de phase. Après une phase de validation de notre approche avec des résultats numériques de la littérature et une analyse de l’indépendance au maillage et pas de temps, les résultats sont analysés tant au niveau local que global pour déterminer précisément les performances et l’intensification des échanges apportée par la géométrie avec extension de surface. Les résultats montrent que la configuration multitube à ailettes améliore le transfert de chaleur entre le fluide caloporteur et le MCP par rapport au multitube nu, se traduisant par une réduction du temps de fusion de 27,4 % et du temps de solidification de 31,5 %. Cette étude montre également que les effets tridimensionnels liés au gradient axial de température dans les tubes caloporteur ont une influence non négligeable sur les processus de fusion-solidification.