Étude de la convection naturelle dans les matériaux à changement de phase - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Natural convection in Phase Change Materials

Étude de la convection naturelle dans les matériaux à changement de phase

Abstract

Phase change materials (PCMs) are widely used for thermal energy storage. However, the energy storage/release time can be important. Natural convection within the liquid PCM can reduce this time and improve melting. This thesis proposes the experimental study of the effects of convection on PCMs. As PCM are generally opaque, optical measurements are difficult to make. To address this issue, experiments are carried out using MRI (Magnetic Resonance Imaging) measurements. MRI allows to obtain phase, temperature and velocity maps and thus to understand locally the thermal and hydrodynamic mechanisms involved.Two PCMs are studied: a alkane with a single melting point, the hexadecane, and a polymer with a range of melting temperatures, the polyethylene glycol. The dispersion of the chain lengths of this polymer induces the presence of a mushy zone during the solid-liquid transition.The first part of the thesis focuses on the characterization of these PCMs in order to obtain their properties in liquid phase, in solid phase and during phase change. Many methodologies have been developed and used to obtain thermal properties (i.e. thermal conductivity, heat capacity, latent heat and density). The flow behavior is studied by rheometry for the liquid phase and during the phase change. These PCMs show a hysteresis between the melting and solidification temperatures. The latter is highly dependent on the thermal and kinetic conditions applied during the phase change.In a second part, the effect of convection is investigated. It is shown that convection starts from a critical Rayleigh number close to 1430 for hexadecane, in agreement with the theoretical results in the literature. Convection improves the liquid height by a factor of four compared to the conductive regime and increases the velocity of the melt front. Heat transfer at the wall is significantly increased when convection in present. The thermo-convective flow affects the melt interface. From velocity maps, we observed that the upward flow increases locally the liquid height, while the downward flow decreases it. In the conductive regime, the melt front is flat and parallel to the heated wall. In the presence of a mushy zone, its interface with the solid phase remains parallel to the top wall and no velocity higher than our detection limit (5*10^-5m/s) is observed within it. The heights of the mushy zone and solid phase decrease in proportion to their thermal conductivities. The development of convection in the liquid phase is coupled with the formation of convection patterns corresponding to (imperfect) hexagons. As the average liquid height increases, the wavelength of patterns also increases. This results in the wavelength divided by the liquid height remaining constant. These results are similar to those obtained at the primary bifurcation for the classical Rayleigh-Bénard convection.
Les matériaux à changement de phase (MCP) sont très utilisés pour le stockage de l'énergie thermique. Cependant, le temps de stockage/déstockage peut être important. La convection naturelle au sein du MCP permet de réduire ce temps et d'améliorer la fusion. Cette thèse propose l'étude expérimentale des effets de convection dans les MCP. Ces matériaux sont généralement opaques et les mesures optiques sont par conséquent difficiles à mettre en œuvre. Pour contrer ce problème, l'étude est réalisée par mesure IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). L'IRM permet d'obtenir des cartographies de phases, température et vitesses et ainsi comprendre localement les mécanismes thermiques et hydrodynamiques mis en jeu. Deux matériaux types sont étudiés : un alcane avec un unique point de fusion, l'hexadécane, et un polymère présentant une plage de température de fusion, le polyéthylène glycol. La dispersion des longueurs de chaînes de ce polymère induit lors de la transition solide-liquide la présence d'une zone molle. La première partie de ce travail se concentre sur la caractérisation de ces MCP afin de connaître leurs propriétés en phase liquide, en phase solide et lors du changement de phase. De nombreuses méthodologies ont été développées et utilisées afin d'obtenir les propriétés thermiques (conductivité thermique, capacité calorifique, chaleur latente et masse volumique). Le comportement sous écoulement est étudié par rhéométrie en phase liquide et en changement de phase. Ces matériaux présentent une hystérésis entre la température de fusion et la température de solidification. Cette dernière est très dépendante des conditions thermiques et cinétiques appliquées pendant le changement de phase. Dans une seconde partie, l'effet de la convection est étudié. Il est montré que la convection démarre à partir d'un nombre de Rayleigh critique proche de 1430 pour l'hexadécane, validant les résultats théoriques de la littérature. La convection permet d'améliorer la hauteur de liquide d'un facteur quatre par rapport au régime conductif et d'augmenter la vitesse du front de fusion. Les transferts thermiques à la paroi sont nettement augmentés en convection. L'écoulement thermo-convectif affecte l'interface de fusion. Grâce aux cartographies de vitesses, nous avons pu observer que les régions de flux ascendants augmentent localement la hauteur liquide et que réciproquement les régions de flux descendants diminuent la hauteur liquide. Par opposition, en régime conductif, le front de fusion est plan et parallèle à la paroi chauffée. En présence de zone molle, l'interface solide-zone molle reste parallèle à la paroi et aucune vitesse supérieure à notre limite de détection (5*10^-5m/s) n'est observée dans la zone molle. La hauteur de la zone molle et de la phase solide sont réduites proportionnellement à leurs conductivités thermiques. Le développement de la convection dans la phase liquide est accompagné de l'apparition de motifs de convection correspondant à des hexagones (imparfaits). Lorsque la hauteur moyenne de liquide augmente, la longueur d'onde augmente également, de sorte que la longueur d'onde divisée par la hauteur liquide reste constante. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus à la bifurcation primaire dans la convection classique de Rayleigh-Bénard.
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tel-04205083 , version 1 (12-09-2023)

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Justine Noel. Étude de la convection naturelle dans les matériaux à changement de phase. Thermique [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2023. Français. ⟨NNT : 2023LORR0062⟩. ⟨tel-04205083⟩
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