Optimisation du transfert de chaleur dans un matériau à changement de phase par l’intermédiaire d’ailettes

Les matériaux à changement de phase (MCP) sont utilisés dans les systèmes de stockage d’énergie thermique (TES) pour améliorer la capacité de stockage de quantités substantielles de chaleur. La conception d’un système de stockage de chaleur à MCP présente deux critères majeurs : le choix de la température de changement de phase de MCP et la gestion de leur faible conductivité thermique lors du transfert. Les chercheurs ont étudié diverses approches pour améliorer la dynamique de transfert de chaleur dans un TES avec l’utilisation de MCP. Ces études ont été principalement numériques et ont été réalisées le plus souvent en régime permanent. Peu d’études antérieures ont porté sur une enceinte avec des ailettes métalliques incorporées dans le MCP. De plus, les rôles relatifs de la conduction et de la convection dans le transfert de chaleur global au sein du MCP n’ont pas été clairement abordés. Dans cet article, des outils expérimentaux et numériques sont utilisés pour étudier le comportement dynamique d’une enceinte rectangulaire avec des ailettes incorporées dans le MCP (paraffine RT42). Le montage expérimental est constitué d’une enceinte en Plexiglas remplie de MCP et équipée d’une plaque en cuivre verticale sur un de ses côtés, sur laquelle une condition limite de température cyclique (contrôlée par des cellules Peltier) est imposée. Une caméra infrarouge est utilisée pour mesurer les champs de température en 2D à travers une plaque en Téflon transparente aux infrarouges. Pour améliorer le transfert de chaleur à travers le MCP, les ailettes en cuivre sont positionnées perpendiculairement à la plaque en cuivre (donc horizontalement). Une simulation numérique 2D, prenant en compte à la fois le transfert de chaleur par conduction et convection dans le MCP, est réalisée à l’aide d’un logiciel de CFD commercial basé sur la méthode des volumes finis. La simulation a été validée par rapport aux résultats expérimentaux et permet la détermination des températures et des vitesses à l’intérieur du MCP, ainsi que le suivi de l’interface solide/liquide. Afin d’améliorer l’efficacité de stockage et de déstockage de chaleur du TES, ce travail s’intéresse particulièrement à l’utilisation d’ailettes de différentes longueurs sur la hauteur de l’enceinte.