Thermophysical characterization of solid-liquid phase change materials embedded in metals foams
Contribution à la caractérisation thermophysique des composites mousses métalliques/matériaux à changement de phase solide-liquide
Résumé
The word energy consumption increased in the last decades and a continues increase in the future is predicted. An effective utilization of energy is highly required due to the scarcity of fossils fuels and to the rise of greenhouse gas emissions. In this context, thermal energy storage using solid-liquid phase change materials «PCMs» is a promising solution for saving energy. It attracts a great growing interest in many applications such as buildings, thermal control of electronic devices and thermal management of Li-ion batteries. However, it is hampered by the low thermal conductivities of PCMs which limits the storage/release rate. Hence, the enhancement of the thermal conductivity of PCMs is an important issue for the latent storage systems. This thesis studies paraffins RT21-27-35HC- RT50 and metal foams/paraffins composites. The determination of the thermophysical properties of paraffins at different temperature is firstly carried out. The differential scanning calorimetry « DSC » measurements and thermogravimetric analyses « TGA » were performed. The thermal conductivities and diffusivities of PCMs were measured by the « Hot disk» method at different temperatures. The thermodependency of their densities was also studied. Since the thermal behavior of PCMs during the solid-liquid phase change is controlled by the heat transfer mechanisms, an experimental investigation of the melting of the paraffin RT27 was conducted in the second part of this work. A new experimental device was set up in the laboratory to study the heat transfer characteristics. The visualization of the melting interface and the recording of temperature in the PCM indicate the heat transfer regimes controlling the melting process: conduction, transition regime and natural convection. The evolution of the melting fraction was used to study the kinetic of the melting process and the temporal evolution of the heat stored in RT27. The last part of this work was dedicated to the investigation of metal foams/paraffins composites. The paraffins RT21-27-RT35HC were impregnated in aluminum and nickel foams. The impregnation ratios of the composites highlighted the effectiveness of the procedure preparation. The thermal conductivities of the composites metal foams/paraffins at the solid phase were measured by the « hot disk » method. The results revealed that the thermal conductivities of aluminum foam/paraffins and nickel foams/paraffins are increased drastically until 1751,4% and 666,8% respectively. The experimental results were compared to the theoretical models. Densities’ measurements of metal foams filled with paraffins were realized. The specific heats of samples were calculated from experimental results. The specific heat of the composite Al/ RT27 in the liquid state was measured by the transient guarded hot plate « TGHP».
La consommation énergétique mondiale croissante depuis plusieurs décennies se heurte à la raréfaction des ressources fossiles et aux risques planétaires. Face à ces problèmes, le stockage de chaleur moyennant des matériaux à changement de phase solide -liquide « MCPs » présente une solution prometteuse. Il permet de bénéficier pleinement des énergies renouvelables et il contribue à la gestion thermique des systèmes énergétiques. Les MCPs ont la capacité de stocker et libérer de l'énergie thermique lors du passage d'une phase à une autre. Cependant, l’utilisation de ces matériaux est pénalisée par leurs faibles conductivités thermiques qui limitent les puissances du stockage de chaleur. Ce travail de thèse vise à étudier des paraffines type RT21-27-35HC et RT50 et leur imprégnation dans des milieux poreux type mousses métalliques. La première partie de ce travail est consacrée à la caractérisation thermophysique de ces paraffines en fonction de la température. Les conductivités, les diffusivités thermiques et les masses volumiques ont été mesurées à différentes températures en utilisant la plateforme expérimentale PROTHERM du laboratoire CERTES. Comme le comportement des MCPs au cours du changement de phase solide-liquide est piloté par la dynamique des transferts de chaleur, une étude expérimentale de la fusion de la paraffine RT27 a été menée en utilisant un nouveau dispositif expérimental développé spécialement pour ce projet. La visualisation de l’interface solide/liquide et les mesures de température ont mis en exergue les régimes du transfert de chaleur conducto-convectifs pilotant la fusion. L’étude de l’évolution de la fraction liquide en fonction du temps a permis d’analyser la cinétique de fusion et de déterminer l’évolution de la chaleur stockée. L’étude des composites mousses métalliques/paraffines (MM/RT) est exposée dans la troisième section du manuscrit. Les paraffines RT21-27-35HC ont été imprégnées dans les mousses métalliques (MM) en aluminium et nickel. Les facteurs d’imprégnation des échantillons ont montré le succès du protocole de préparation développé au laboratoire. Les mesures des conductivités thermiques ont montré que des mousses d’aluminium et de nickel engendrent une intensification de l’ordre de 1751,4% et 666,8%. Les conductivités thermiques expérimentales ont été comparées ensuite à des modèles théoriques. Les masses volumiques et les chaleurs spécifiques des composites (MM/RT) ont été également mesurées.