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Les systèmes de stockage de l'énergie Thermique (TES) sont utilisés pour stocker/déstocker la chaleur dans un large éventail d'applications qui présentent un comportement intermittent, comme les bâtiments, les systèmes solaires, ou certains systèmes industriels. Les matériaux à changement de phase (MCP) sont classiquement utilisés dans les TES afin d'augmenter leur capacité de stockage, mais ils influencent aussi de manière très significative leur comportement dynamique. Un TES avec MCP attaché à un système dynamique doit être dimensionné en particulier de manière à ce que sa constante de temps réponde à la dynamique des besoins de stockage et de déstockage de la chaleur. De nombreux paramètres influencent les performances thermiques des MCP et ils doivent être utilisés en fonction de leur plage de température de changement de phase afin de correspondre aux besoins de l'application ciblée. Dans la littérature scientifique, les TES avec MCP ont été étudiés ces dernières années par des méthodes expérimentales et numériques le plus souvent en considérant la fusion du MCP dans une enceinte de forme généralement parallélépipédique et sous des conditions aux limites stationnaires fixes en température ou en flux. Peu d'études expérimentales ou numériques ont été réalisées avec des conditions aux limites instationnaires. En outre, beaucoup de ces investigations sont menées en configuration unidimensionnelle et en ne considérant que le mode conductif alors que la convection naturelle est négligée. Pourtant, certaines études ont établi que la convection libre joue un rôle clé dans le transfert de chaleur dans les MCP. Dans le présent travail, un modèle numérique est proposé pour étudier le comportement dynamique d'un TES avec MCP en considérant une configuration 2D avec des conditions aux limites cycliques et en prenant en compte la convection libre. Le MCP utilisé est la paraffine RT42. La géométrie considérée est une enceinte parallélépipédique remplie de ce MCP avec une condition aux limites de température cyclique imposée sur un côté alors que les autres parois sont isolées. L'effet de l'amplitude et de la fréquence de la température imposée sont étudiés avec l'objectif d'optimiser la conception des TES à MCP fonctionnant en régime dynamique de charge et décharge de la chaleur. Des simulations numériques 2D sont réalisées en utilisant un modèle dit « enthalpie–porosité » et un code commercial de CFD. Ce modèle nous permet de déterminer les champs de températures et de vitesses dans le milieu, de suivre les mouvements de l'interface solide/liquide et d'étudier ainsi la réponse globale du système à toute excitation cyclique. Un dispositif expérimental dédié est en cours de montage et permettra de valider le modèle et d'étudier différentes configurations, avec en particulier une où des ailettes de différentes longueurs qui seront utilisées pour améliorer la dynamique du transfert de chaleur entre la source et le MCP.

International audience

The present work proposes a continuous solar adsorption refrigerator for a positive cold storage room of 231 m3 used for fruits and vegetables preservation and installed in the south of Tunisia. After the estimation of the storage room cooling load, which is equal to 13 kW, a parametric study, aims to improve, the performance of the chiller is done in order to achieve the storage room need and to estimate the required heat in the refrigerator generator. A theoretical model, based on the thermodynamics of the adsorption process, heat and mass transfer within the porous medium and energy balance in the system components, is developed and a simulation with Matlab/Simulink, is carried out. The model was established and validated with the literature experimental data. A maximum coefficient of performance of 0.52 and cooling load of 22 kW are reached at cycle time of 800 seconds, the inlet temperatures of heating, cooling and chilled water are 85°C, 22°C and 15°C, respectively.

International audience; A circular tube bundle is one of the simplest geometries that is widely used for heat transfer applications. However, in the recent years, cross-flow heat exchangers with non-circular tube arrangement have been receiving increased attention. The main purpose of this work is to gain insight into the characteristics of heat transfer and fluid flow in different tube bundles arrangements: circular, ellipsoidal and wing-shaped, for heat exchangers taking into account local and bulk entropy generation. All tube shapes are investigated under similar operating condition. This could provide a new way for engineers to design an optimal network of heat exchangers allowing the enhancement of heat transfer and recovery in industrial applications. We conduct a two-dimensional numerical \CFD\ model using finite volume discretization to evaluate the performance of these systems. The effects of pressure drop, exergy and enthalpy balances are both investigated. Entropy generation is sought in order to find the best tube bundles arrangement. Heat transfer correlations are obtained for different situations of tube shapes and suggestions are made for the best geometry that minimizes the total entropy generation (i.e. the irrevesibilities).

National audience; Dans ce papier, une étude théorique reposant sur la modélisation thermique d’une roue de Curie est présentée. Celle-ci permet d’appréhender le comportement thermique d’une roue de Curie, fonctionnant en régime stationnaire dans des conditions opératoires bien définies, dans le but d’optimiser sa conception. Pour cela, un modèle thermique analytique unidimensionnel stationnaire, basé sur une approche Lagrangienne, a été développé. Celui-ci permet de déterminer la distribution locale au cours du temps de la température dans le matériau magnétocalorique exposé à une source de chaleur périodique supposée sinusoïdale. Grâce à ce modèle, les effets de différents paramètres (nature du matériau magnétocalorique, nature et température du fluide) ont été mis en évidence et étudiés.

National audience; L’augmentation progressive du besoin de la réfrigération en industrie et de la climatisation nécessite l’utilisation croissante des systèmes diphasiques à compression mécanique de vapeur. Néanmoins, ces systèmes présentent l’inconvénient de fonctionner avec des fluides frigorigènes qui ont souvent un impact direct sur la couche d’ozone et/ou une contribution significative à l’effet de serre. La qualité environnementale des nouveaux fluides sera assurée probablement au détriment de la performance énergétique ou de la stabilité de ces systèmes thermiques. Il est donc pertinent de chercher de nouvelles solutions de production de froid assurant une haute efficacité énergétique et un faible impact environnemental. La réfrigération magnétique à base de matériaux à effet magnétocalorique apparaît de plus en plus comme une solution potentiellement viable [1]. Le coefficient de performance (COP) optimal théorique des systèmes magnétocaloriques étant du même ordre que celui des systèmes diphasiques à compression mécanique de vapeur et leur fonctionnement se faisant avec des matériaux solides couplés à de l’eau, les possibilités semblent donc coller aux exigences actuelles. De plus, cette nouvelle technologie utilise de faibles pressions et tourne à faibles fréquences (entre 1 et 10 Hz au lieu de 50 Hz pour la technologie classique), ce qui est positif pour la durée de vie, les nuisances sonores, le coût d’entretien et la sécurité. Dans ce contexte, une étude expérimentale réalisée sur un régénérateur magnétique actif de forme parallélépipédique, constitué de 47 plaques métalliques horizontales de dimensions 70x17x1.2 mm 3 avec un espacement choisi entre ces plaques de 0.2 mm, est présentée dans ce papier. Ce régénérateur est placé entre les noyaux polaires d’un électro-aimant dont le champ magnétique est réglable en intensité et en fréquence. Le matériau magnétocalorique utilisé est le Gadolinium (Gd), qui est le matériau de référence largement utilisé dans la littérature [2]. Son choix est principalement motivé par son effet magnétocalorique important et par sa facilité de mise en œuvre. Le fluide caloporteur choisi est l’eau distillée mélangée avec une faible concentration d’anticorrosif. Afin de comprendre le comportement de ce régénérateur magnétique actif fonctionnant à température ambiante, une caractérisation thermomagnétique préliminaire de celui-ci a été réalisée en absence de fluide caloporteur. Les effets de plusieurs paramètres (e.g. l’intensité du champ magnétique et la fréquence d’aimantation/désaimantation) ont ainsi été étudiés, et des premiers résultats sont présentés dans ce papier. Au-delà de l’application pour la réfrigération, la magnétocalorie ouvre des perspectives pour la conversion chaleur/électricité via deux orientations possibles : la génération de courant induit sous l’effet de la variation du flux magnétique et la conversion mécanique de la chaleur [3].

National audience; Les performances du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur à faisceaux de tubes dépendent de la nature de l'écoulement qui prend place à l'intérieur de ces tubes. L'optimisation des conditions d'écoulement, essentiellement le nombre de Reynolds une fois le fluide fixé, doit porter à la fois sur le transfert de chaleur et sur la perte de charge. Ces deux éléments ne peuvent être correctement pris en compte que par l'intermédiaire de l'étude de la création d'entropie totale ou de la destruction d'exergie. Le transfert de chaleur et la perte de charge évoluent en écoulement turbulent en sens inverses avec le nombre de Reynolds ce qui permet, moyennant quelques hypothèses sur les profils de température et de vitesse et en utilisant des corrélations pour le nombre Nusselt et pour le coefficient de frottement , de trouver une valeur optimale de Re qui correspond au meilleur compromis. Nous développons dans ce travail les calculs analytiques pour le cas laminaire, qui lui présente la particularité d'avoir un nombre de Nusselt constant indépendant de Re. Nous nous intéressons dans une deuxième partie à l'utilisation de la CFD qui devrait permettre de trouver cet optimum sans avoir à utiliser d'approximation sur les profils ou de corrélations. Nous développons ici les équations qui permettent de post-traiter les résultats des profils de CFD pour en déduire les valeurs des entropies totales créées.

National audience; L'étanchéité est l'un des problèmes majeurs à résoudre lors de la conception des moteurs Stir-ling. En effet, l'élimination des pertes de gaz entre la chambre de compression et de détente et entre la chambre de compression et le carter du moteur, synonymes de pertes énergétiques, est d'une importance capitale surtout si l'on travaille à de hautes pressions ou avec des gaz légers comme l'hélium ou l'hydro-gène. L'utilisation des dispositifs classiques d'étanchéité augmente considérablement les dégradations d'exergie par frottements et diminue la fiabilité à cause des phénomènes d'usure. Pour ces raisons, le recours à des dispositifs sans contact permettant la diminution de ces pertes est d'actualité. Dans ce travail, nous proposons un modèle dynamique analytique des pertes par fuites de gaz au niveau du « déplaceur » ainsi qu'au niveau piston moteur. Ces fuites sont modélisées en considérant des écoulements pulsés en espaces annulaires. Nous développons des expressions de ces pertes en fonction des grandeurs physiques mises en jeux. Cette démarche est très utile à la modélisation du moteur en vue de l'optimisation de ses rendements, et permet de faire de meilleurs compromis au niveau de sa conception. Nomenclature L longueur, m N Vitesse de rotation du moteur, tr/s p pression, P a R rayon, m const. spéc. des gaz parfaits, J.kg −1 .K −1 r coordonnée radiale, m T température, K t temps, s ℜ partie réelle d'un nombre complexe u vitesse, m.s −1 ˙ W puissance, W z coordonnée axiale, m ℑ partie imaginaire d'un nombre complexe Symboles grecs β constante définie dans le texte, m −1 δ variation infinitésimale µ viscosité dynamique, kg.m −1 .s −1 ν viscosité cinématique, m 2 .s −1 ρ masse volumique, kg.m −3 ϕ angle du vilebrequin, degré ω pulsation, rad.s −1

National audience; Dans cette communication nous présentons une modélisation numérique et une installation expérimentale relatives au fonctionnement instationnaire d’un échangeur de chaleur. Nous présentons l’installation expérimentale que nous avons réalisé pour effectuer nos mesures. Il s’agit d’un échangeur bitube possédant une longueur suffis ante permettant de s’affranchir des effets d’entrée. Le modèle que nous en faisons est résolu numériquement et nous en comparons les résultats avec des modèles analytiques et des mesures existantes [1], [2]. Après avoir validé notre modélisation et notre méthode de résolution numérique, nous étudions les évolutions des constantes de temps de cet échangeur en fonction de divers paramètres : types de fluides, propriétés des matériaux et des fluides, paramètres de construction (longueur, épaisseur des parois), et isolation externe. Nous étudions ensuite la réponse d’un tel échangeur à des sollicitations simples du type échelon de débit ou de température sur l’un des deux fluides, ainsi qu’à des sollicitations instationnaires composées pouvant affecter le s deux fluides simultanément. Cette étude particulière à un échangeur bitube a un caractère général par le fait qu’il a été établi [3] qu’en régime instationnaire, plusieurs types d’échangeurs usuels peuvent être modélisés par un échangeur bitube équivalent. Indiquons finalement que le modèle que nous développons et validons ici nous sert de base à la modélisation du comportement, par essence instationnaire, d’un stock thermique de chaleur qui fait partie d’un système de production d’énergie d’origine renouvelable.

National audience; Accompagnant l’augmentation de la population mondiale, la demande d’électricité croit sans cesse même pendant les années récentes. La croissance de cette demande est de plus prévue jusqu’à 2035 dans « World Energy Outlook 2012 ». Plusieurs efforts sont et seront donc réalisés pour satisfaire cette demande. D’autre part, les procédés industriels émettent toujours une quantité importante de chaleur à basse et moyenne température (80 – 200°C) qui ne peut pas être économiquement transformée en électricité par cycle classique de Rankine à cause de la température d’ébullition élevée de l’eau, le fluide classique. Alternativement, le cycle organique de Rankine (Organic Rankine Cycle – ORC en anglais), utilise le même principe que celui classique mais avec un composé organique basse température d’ébullition comme fluide de travail ; il attire à présent beaucoup d’attention pour la génération d’électricité à partir des sources de chaleur à basse température. Dans l’état de l’art actuel, la plupart des discussions est sur le cycle sous-critique organique de Rankine sans ou avec une petite surchauffe de la vapeur à la sortie de l’évaporateur. Mais le cycle ORC supercritique représente aussi une alternative grâce à l’amélioration du rendement et la réduction de la destruction exergétique. Dans ce travail, une optimisation thermodynamique avec la puissance du cycle comme fonction objective est effectuée. Le deuxième principe de la thermodynamique et une efficacité totale des échangeurs thermiques sont en première approche utilisés comme contraintes pour l’optimisation.