Conception optimale du système de stockage: application à une planche à clous

Exemple concret de matériau architecturé : la planche à clous

La conductivité à obtenir pour le matériau architecturé étant relativement faible (de l’ordre de 1 W/m K), des architectures simples peuvent être envisagées, comme l’utilisation de clous traversant une plaque du type ”sandwich” contenant du MCP à cœur (figures 5.1 et 5.2). Le prototype est constitué de deux parties avec des fonctions très distinctes : un conteneur (confinement) et un cœur stockeur d’énergie (stockage). D’une part, le conteneur est con¸cu avec deux plaques métalliques (Dural ou 2017) de 5 mm d’épaisseur constituant les surfaces d’échange thermique (dimensions de surfaces : 280 x 280 mm2 ) entre l’air traversant le système de stockage et le cœur stockeur d’énergie de la plaque. Quatre barres latérales en plexiglas (PMMA) de 32 mm d’épaisseur sont nécessaires pour confiner entièrement le cœur. La plaque architecturée a donc une épaisseur totale de 42 mm. Ces pièces sont assemblées par collage, en utilisant de la colle polyuréthane flexible et l’étanchéité du conteneur est faite avec du silicone.D’autre part, le cœur est constitué de deux composants: un composant actif pour le stockage (le MCP) et un composant métallique pour augmenter la conductivité. En ce qui concerne la partie active, le MCP choisi a été la paraffine RT-42. Le volume de paraffine contenu dans le prototype est de 250 x 250 x 32 mm3 et les propriétés thermiques du matériau actif sont données au tableau 5.1. Pour la matrice conductrice, les clous sont assemblés sur une des deux surfaces d’échange. Des trous sont percés sur la plaque métallique pour venir insérer les clous. L’assemblage clous/plaque est réalisé par collage en utilisant de la colle type ”SuperGlue”. Les clous sont aussi en Dural ou 2017 ayant les dimensions suivantes : un diamètre de 4 mm et une longueur de 30 mm. La quantité de clous introduits est de 144 distribués selon la figure 5.1a (l’assemblage clous/plaque peut être visualisé sur la figure 5.2a).

Caractérisation de la conductivité équivalente de la planche à clous

 La conductivité équivalente de la plaque architecturée est déduite des mesures de flux de chaleur traversant la plaque. Ces mesures fluxmétriques ont été réalisées au Centre Scientifique et Technique du Bˆatiment (CSTB) à Grenoble, grˆace à un banc échangeur (figure 5.3b) qui permet d’étudier non seulement le flux de chaleur traversant la plaque, mais aussi la cinétique de stockage des MCP [5]. Ce banc expérimental est décrit dans la section 5.3.1. La section suivante 5.3.2 présente les résultats obtenus en terme de flux de chaleur et le calcul de la conductivité équivalente de la plaque architecturée.

Description du banc expérimental 

Le banc expérimental est constitué de deux échangeurs dans lesquels circule de l’eau régulée en température. La régulation de la température d’eau est réalisée grˆace à deux bains thermostatés. Ces échangeurs viennent prendre en sandwich l’échantillon à caractériser, imposant les températures à la surface du composant (figure 5.3a). Pour la mesure de flux traversant l’échantillon, des fluxmètres (Marque : CAPTEC, Type : T integré, Sensibilité : 3 mV/W.m2 pour un capteur de 1 cm2 ) sont répartis sur les surfaces d’échange (figures 5.4a et 5.4b). Ces fluxmètres sont équipés de thermocouples afin de connaˆıtre aussi les températures à l’endroit des mesures de flux. Le nombre total de fluxmètres par surface d’échange de l’échantillon est de 3. Pour éviter un écrasement des capteurs par les échangeurs, ils sont protégés par une fine couche de néoprène placée entre l’échangeur et l’échantillon. Aussi, pour éviter des pertes thermiques, les autres faces de l’échantillon sont isolées par au moins 15 cm d’épaisseur de polystyrène extrudé. Une centrale d’acquisition assure la numérisation et l’enregistrement des mesures. Le principe de mesure consiste à imposer des températures en surface (T1 face percée et T2 face pleine) pour créer un gradient de température et mesurer le flux de chaleur traversant la plaque en régime permanent. Certaines propriétés du MCP pouvant évoluer avec la température, les mesures on été réalisées à l’état solide et à l’état liquide. Les protocoles de mesure établis sont les suivants : Mesure avec le MCP à l’état solide : — 1er cas : T1 = 10 ℃ et T2 = 30 ℃ — 2me cas : T1 = 20 ℃ et T2 = 30 ℃ Mesure avec le MCP à l’état liquide : — 3me cas : T1 = 45 ℃ et T2 = 55 ℃ — 4me cas : T1 = 50 ℃ et T2 = 60 ℃.

Résultats des mesures fluxmétriques

 Les mesures de flux de chaleur sont résumées dans le tableau 5.2. Les valeurs obtenues sont moyennées sur tous les capteurs installés. De même, les températures mesurées sur les surfaces d’échange sont moyennées Les résultats des calculs de conductivité équivalente sont résumés au tableau 5.3. Il peut être distingué clairement une grande disparité entre les mesures réalisées à l’état solide (mesures 1 et 2) et à l’état liquide (mesures 3 et 4). Si on considère une conductivité à l’état solide (λs) de 0.39 W/m K et une conductivité à l’état liquide (λl) de 1.08 W/m K, la différence entre les deux mesures est de de 0.69 W/m K, ce qui correspond à 64 % de la conductivité liquide λl . Dans la littérature, la différence de conductivité entre les deux états est de l’ordre de 0.05 W/mK pour les paraffines. Deux explications sont envisagées pour ces résultats discordants. La première est la présence du phénomène de convection à l’état liquide. En effet, lors des mesures effectuées, l’échantillon est positionné verticalement dans le banc expérimental (position imposée par le banc de mesure). Cette position peut favoriser ce phénomène et augmenter ainsi le transfert de chaleur à l’intérieur de la plaque à cause de la diminution de la résistance thermique équivalente de la plaque. La deuxième explication est un phénomène présent lors de la solidification du MCP pour cette architecture. Une fois le MCP solidifié, il est constaté que de l’air est emprisonné autour des clous. L’air est connu pour ses propriétés isolantes dues à sa très faible conductivité. Il n’est pas donc étonnant que l’air présent autour des clous dans l’échantillon dégrade de manière importante la fonction de la matrice conductrice. Pour avoir une idée plus claire sur les résultats obtenus lors de la campagne de caractérisation, un calcul numérique basé sur la méthode des éléments finis a été réalisé dans la section suivante 5.4.