FR3058209A1 - Systeme de stockage thermique par materiau a changement de phase - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne l'optimisation de Systèmes de Stockage Thermique (SST) par Matériaux à Changement de Phase (MCP). Un SST 100 par MCP 200 est proposé qui comprend un réservoir 101 destiné à contenir le MCP et un circuit fluidique 102 dans lequel un fluide caloporteur 300 est destiné à circuler, pour permettre un échange thermique entre MCP et fluide caloporteur. L'une au moins parmi une section du réservoir 101 et une section de surface d'échange thermique entre MCP et fluide caloporteur varie selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur dans le circuit fluidique au sein du réservoir pour adapter, par tranche, une quantité de MCP à une capacité d'échange thermique entre MCP et fluide caloporteur. L'invention permet de maximiser la réponse thermique du SST en fonction de la propagation du front de séparation entre phases du MCP et de la capacité d'échange thermique entre MCP et fluide caloporteur.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention concerne les Systèmes de Stockage Thermique (SST) par Matériaux à Changement de Phase (MCP), et plus particulièrement leur optimisation.
La présente invention trouvera pour application particulièrement avantageuse son intégration dans les véhicules dont la réduction de la masse totale représente un enjeu conséquent en termes d’économie d’énergie et notamment de carburant. Ainsi, l’invention est particulièrement destinée à l’industrie aéronautique, notamment pour son intégration en tant que régulateur de température d’huile moteur.
Elle trouvera également à s’appliquer dans les réseaux de chaleur et/ou de froid, urbains, ruraux ou industriels, ainsi que dans le stockage de l’énergie solaire. L’invention pourra également trouver des applications dans l’habitat ou encore le transport thermique hors réseaux (camions, bateaux...).
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Le fonctionnement d’un SST repose sur l’exploitation de la chaleur latente d’un MCP. De manière générale, un SST par MCP est constitué d’un système fermé dans lequel un fluide caloporteur échange sa chaleur avec le MCP. Dans la majorité des cas, ce transfert thermique s’effectue sans contact direct entre le fluide caloporteur et le MCP, à l’instar du fonctionnement d’un échangeur thermique. Dans cette configuration, deux agencements sont possibles :
- soit le MCP est contenu dans une calandre et en contact avec un échangeur thermique dans lequel circule le fluide caloporteur,
- soit le MCP est confiné dans des espaces clos (i.e. encapsulé pour former des nodules, briques, boules,...) formés par parois conductrices thermiquement, qui baignent à l’intérieur d’une calandre dans laquelle circule le fluide caloporteur.
Quelle que soit la configuration, le fonctionnement d’un SST exploitant la chaleur latente d’un MCP repose sur le même principe physique, à savoir la valorisation de l’énergie thermique caractéristique de l’enthalpie de changement d’état du MCP. Dans la majorité des cas, c’est la réaction réversible et isotherme de fusion/solidification qui est valorisée dans le stockage de chaleur latente.
Cette réaction réversible se distingue par deux phases :
Une phase dite de « charge », durant laquelle la chaleur du fluide caloporteur va être transmise au MCP pour le faire fondre. Dans ce cas, la température du fluide caloporteur est supérieure à la température de fusion du MCP contenu dans le système.
Une phase dite de « décharge » durant laquelle la chaleur est prélevée par le fluide caloporteur au MCP, entraînant la solidification de celui-ci. Dans ce cas, la température du fluide caloporteur est inférieure à la température de solidification du MCP contenu dans le SST.
Par ailleurs, la chaleur sensible du MCP et du SST complet (matériaux structurants, fluide caloporteur,...) peut également être exploitée à la charge comme à la décharge. La quantité d’énergie thermique stockée sous forme de chaleur sensible est directement proportionnelle à la différence de température entre la température du SST et la température de changement d’état du MCP, et dépend également de la chaleur spécifique et de la masse du ou des matériaux structurant le SST.
En outre, il est important de rappeler que le changement d’état d’un MCP conduit également à une variation de sa masse volumique (ou densité, exprimée en kg/m3 suivant le SI) ainsi que de sa conductivité thermique interne (exprimée en W/m/K suivant le SI). Si la majorité des MCP voient leurs masses volumiques augmenter et leurs conductivités thermiques internes diminuer lors de leur changement d’état du liquide vers le solide, certains MCP, comme l’eau, font exception et se démarquent par le phénomène inverse.
L’intégration d’un SST par MCP est connue pour réguler la température d’une huile de lubrification pour véhicule à moteur ; l’huile de lubrification joue le rôle de fluide caloporteur pour le SST qui se charge en permettant le transfert d’une partie de la chaleur de l’huile de lubrification au MCP, l’huile de lubrification étant elle-même chauffée en absorbant la chaleur produite par les parties du véhicule qu’elle permet de lubrifier. Plus particulièrement, l’échauffement de boîte(s) de vitesse et/ou de bloc-moteur(s) du véhicule peut ainsi être régulé de façon satisfaisante.
Cet effort d’intégration des SST par MCP, bien que prometteur en termes de capacité de régulation thermique se heurte, dans l’industrie aéronautique, à la nécessité de réduire la consommation en carburant des véhicules aériens. Cette réduction de consommation passe notamment par la réduction de la masse totale des véhicules aériens ; or les MCP ont une masse volumique non négligeable et embarquer une quantité nécessaire et suffisante de MCP aux fins d’une régulation thermique satisfaisante représente, avec les SST actuels, un coût en termes de poids, et donc de consommation en carburant, qu’il convient de chercher à réduire.
Toutefois, une quantité donnée de MCP embarqué représente une capacité de stockage d’énergie thermique sous forme de chaleur latente déterminée. Dès lors, diminuer la quantité de MCP embarquée conduit à réduire proportionnellement la capacité de stockage d’énergie thermique sous forme de chaleur latente. Comme indiqué plus haut, la chaleur peut alors encore être stockée sous forme de chaleur sensible, notamment par augmentation de la température du MCP en phase liquide, mais avec une densité énergétique bien moindre, et donc a priori avec une capacité de régulation thermique dégradée.
Ainsi, il apparaît qu’il n’est pas évident de savoir comment réduire la quantité de MCP embarquée, tout en conservant une capacité de régulation thermique satisfaisante.
Un objet de la présente invention est de répondre au moins en partie aux limitations précédemment exposées. La présente invention vise notamment à proposer un SST par MCP qui soit optimisé, en particulier, mais pas uniquement, en vue de son intégration comme régulateur de température d’huile de lubrification pour véhicule aérien, et notamment eu égard aux objectifs de faible consommation en carburant de ces véhicules.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Pour atteindre l’objectif fixé, la présente invention prévoit un Système de Stockage Thermique (SST) par Matériau à Changement de Phase (MCP) comprenant :
- Un réservoir destiné à contenir un MCP, et
- Un circuit fluidique dans lequel un fluide caloporteur est destiné à circuler.
Le circuit fluidique est configuré au moins en partie dans le réservoir pour permettre un échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur.
Le SST par MCP est configuré pour que l’une au moins parmi une section du réservoir et une section de surface d’échange thermique, de préférence totale, entre le MCP et le fluide caloporteur varie, au moins en moyenne, selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur dans le circuit fluidique au sein du réservoir de sorte à adapter, par tranche, voire continûment, une quantité de MCP à une capacité d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur.
Lorsque la direction de circulation principale du fluide caloporteur dans la partie du circuit fluidique configurée dans le réservoir est longitudinale, chacune parmi une surface de section du réservoir et une surface de section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur est un plan transversal. Lorsque la direction de circulation principale du fluide caloporteur dans la partie du circuit fluidique configurée dans le réservoir est essentiellement radiale, chacune parmi une surface de section du réservoir et une surface de section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur est une surface cylindrique centrée sur un axe d’appui de la forme générale du circuit fluidique.
Un autre aspect de la présente invention concerne son utilisation dans un véhicule, notamment aérien, pour la régulation thermique d’un fluide caloporteur conditionnant le fonctionnement du véhicule, par exemple un fluide caloporteur choisi parmi un liquide de refroidissement et une huile de lubrification.
L’invention selon ses différents aspects permet de maximiser la réponse thermique du SST en fonction de la propagation du front de séparation entre phases du MCP et de la capacité d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La FIGURE 1 est une illustration graphique de la dégradation de la puissance de chargement d’un SST selon l’art antérieur.
La FIGURE 2 représente schématiquement un SST par MCP selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La FIGURE 3 est une illustration graphique de l’optimisation de la puissance de chargement du SST selon le mode de réalisation de l’invention illustré sur la figure 2.
Les FIGURES 4a et 4b illustrent graphiquement le comportement en charge du SST selon le mode de réalisation de l’invention illustré sur la figure 2 dans des premières conditions d’utilisation.
Les FIGURES 5a et 5b illustrent graphiquement le comportement en charge du SST selon le mode de réalisation de l’invention illustré sur la figure 2 dans des secondes conditions d’utilisation.
La FIGURE 6 montre la différence de réponse entre un SST selon l’art antérieur et un SST optimisé selon l’invention pour une même évolution de la température d’entrée du fluide caloporteur.
La FIGURE 7 est une illustration schématique d’un SST par MCP selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La FIGURE 8 est un graphe représentant, pour un SST par MCP selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, l’évolution d’une quantité de MCP ramenée au diamètre équivalent (en mm) d’une calandre selon le premier mode de réalisation de l’invention en fonction d’une longueur de tube multi-passes ramenée à la longueur équivalente (en m) d’un tube droit selon le premier mode de réalisation de l’invention.
La FIGURE 9 illustre une vue schématique en perspective et transparence d’un type de SST par MCP selon l’art antérieur.
Les FIGURES 10a et 10b illustrent la répartition entre phases liquide et solide du MCP obtenue respectivement dans la tranche A-A du SST par MCP illustré sur la figure 9 et dans une tranche correspondante d’un SST par MCP selon un cinquième mode de réalisation de l’invention consistant à optimiser le SST par MCP illustré sur la figure 9.
La FIGURE 11 représente schématiquement un échangeur de chaleur du type à tubes multi-passes.
Les FIGURES 12a et 12b représentent schématiquement des troisième et quatrième modes de réalisation de l’invention respectivement.
La FIGURE 13 représente schématiquement un SST par MCP selon un sixième mode de réalisation de l’invention.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
- la variation de l’une au moins parmi la section du réservoir et la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur est destinée à maximiser une surface, de préférence totale et/ou moyenne, de front de séparation entre phases du MCP, quel que soit l’état de charge du SST;
- la variation de l’une au moins parmi la section du réservoir et la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur a un sens constant ;
- la variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur comprend l’augmentation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur par tranche dans un sens de circulation principal du fluide caloporteur ; et
- la variation de la section du réservoir comprend la diminution de la section du réservoir par tranche dans un sens de circulation principal du fluide caloporteur.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, la variation de l’un au moins parmi la section du réservoir et la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur est telle que, en fin de charge et en fin de décharge du SST, un front de séparation entre phases du MCP soit sensiblement conforme à une surface interne du réservoir.
Selon un deuxième mode de réalisation, le circuit fluidique est un circuit multi-passes replié sur lui-même, par exemple en accordéon, de sorte que chaque pli du circuit fluidique soit compris dans une tranche du réservoir qui lui est propre. Par exemple, les passes sont sensiblement parallèles à des pliures du circuit multi-passes.
Selon un troisième mode de réalisation, le circuit fluidique est un circuit multi-passes roulé sur lui-même, de sorte qu’au moins une partie de chaque tour d’enroulement du circuit fluidique soit comprise dans une tranche du réservoir qui lui est propre. Par exemple, les passes sont sensiblement parallèles à l’axe d’appui de l’enroulement du circuit multi-passes.
Selon les deuxième et troisième modes de réalisation, la variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur comprend au moins l’une parmi une diminution par tranche d’une distance s entre passes du circuit fluidique et une diminution par tranche d’un espacement entre plis ou tours d’enroulement successifs du circuit fluidique, respectivement, le cas échéant les tranches étant parcourues dans le même sens.
Selon un quatrième mode de réalisation, le circuit fluidique comprend une pluralité de circuits multi-passes ; chaque circuit multi-passes de la pluralité forme un cylindre de rayon qui lui est propre et les circuits multi-passes de la pluralité sont configurés entre eux de façon coaxiale, de sorte que chaque circuit multi-passes de la pluralité soit compris dans une tranche du réservoir qui lui est propre. Par exemple, les passes sont par exemple sensiblement parallèles à l’axe de symétrie des circuits multi-passes. Le cas échéant, une variation radiale de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur comprend au moins l’une parmi une diminution par tranche d’une distance s entre passes du circuit fluidique et une diminution par tranche d’un espacement entre circuits multi-passes successifs, le cas échéant les tranches étant parcourues dans le même sens.
Le circuit fluidique selon l’un quelconque des deuxième, troisième et quatrième modes de réalisation comprend au moins un échangeur thermique choisi parmi un échangeur thermique à tube multi-passes, un échangeur thermique à plaques, etc.
Selon un cinquième mode de réalisation, le circuit fluidique comprend un échangeur thermique à tube spiralé configuré de sorte qu’au moins une partie de chaque spire du tube spiralé soit comprise dans une tranche du réservoir qui lui est propre. Selon ce cinquième mode de réalisation, la variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur comprend au moins l’un parmi une diminution par tranche d’un espacement entre spires successives du tube spiralé, une augmentation par tranche d’un diamètre intérieur des spires du tube spiralé, et une diminution par tranche d’un espacement entre le tube spiralé et une surface interne du réservoir, le cas échéant les tranches étant parcourues dans le même sens. Selon ce quatrième mode de réalisation, le tube spiralé présente de préférence, et potentiellement en toute tranche, un diamètre intérieur de spire au moins deux fois supérieur à une distance d’espacement minimale entre la spire et une surface interne du réservoir.
Selon un sixième mode de réalisation, le réservoir est destiné à comprendre une pluralité de nodules contenant le MCP et le circuit fluidique comprend le réservoir, de sorte que le fluide caloporteur soit destiné à circuler dans le réservoir autour des nodules depuis une entrée jusqu’à une sortie du réservoir ; et la pluralité de nodules comprend des nodules de différentes tailles dont les nodules de plus grande taille sont principalement disposés en entrée du réservoir et les nodules de plus petite taille sont principalement disposés en sortie du réservoir, des nodules de taille(s) intermédiaire(s) étant disposés le cas échéant à un niveau intermédiaire du réservoir entre les nodules de plus grande taille et les nodules de plus petite taille.
Selon un autre aspect, la présente invention prévoit un procédé d’optimisation d’un SST par MCP comprenant :
- Un réservoir destiné à contenir un MCP, et
- Un circuit fluidique dans lequel un fluide caloporteur est destiné à circuler, le circuit fluidique étant configuré au moins en partie dans le réservoir pour permettre un échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur, le procédé comprenant une adaptation par variation, au moins en moyenne, de l’une au moins parmi une section du réservoir et une section de surface d’échange thermique, de préférence totale, entre le MCP et le fluide caloporteur, selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur dans le circuit fluidique au sein du réservoir de sorte à adapter, par tranche, voire continûment, une quantité de MCP à une capacité d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur.
On entend par « transversal » la qualité de ce qui est disposé en travers d’un objet, de préférence perpendiculairement à une dimension longitudinale de cet objet.
On entend par « section » d’un objet la surface, la longueur, le diamètre et/ou la ou les dimensions d’une coupe transversale de cet objet. La section d’un volume est une surface et la section d’une surface est une courbe.
La « surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur » est définie par la forme et les dimensions du circuit fluidique au sein du réservoir.
On entend par « direction principale de circulation du fluide caloporteur » une direction globale et/ou moyenne de circulation du fluide caloporteur, par exemple définie en intégrant un vecteur-vitesse instantanée d’un volume de fluide caloporteur se déplaçant dans le circuit fluidique et en moyennant entre eux les vecteurs de position résultant de cette intégration. Dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un tube droit, la direction principale de circulation est définie par l’axe de symétrie du tube. Dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un tube hélicoïdal, la direction principale de circulation est définie par l’axe d’appui de la forme hélicoïdale du tube. Dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un échangeur à tube(s) multi-passes plat, la direction principale de circulation est perpendiculaire aux passes dans le plan de l’échangeur. Dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un échangeur à tube(s) multi-passes enroulé sur lui-même, la direction principale de circulation est sensiblement radiale ; elle a éventuellement une composante longitudinale notamment lorsque entrée et sortie du fluide caloporteur sont ménagées en des positions longitudinalement différentes, voire opposées.
On entend par « un sens de circulation principal du fluide caloporteur » un sens de circulation du fluide caloporteur porté par la direction de circulation principale du fluide caloporteur. Dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un tube droit, dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un tube hélicoïdal et dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un échangeur à tube(s) multi-passes plat, le sens de circulation principal du fluide caloporteur est orienté sensiblement depuis l’entrée jusqu’à la sortie de la partie du circuit fluidique configurée dans le réservoir. Dans le cas d’un écoulement du fluide caloporteur dans un échangeur à tube(s) multi-passes enroulé sur lui-même, si le fluide caloporteur entre dans le circuit fluidique depuis l’enroulement extérieur pour en sortir depuis l’enroulement intérieur, le sens de circulation principal du fluide caloporteur est sensiblement centripète, et, si le fluide caloporteur entre dans le circuit fluidique depuis l’enroulement intérieur pour en sortir depuis l’enroulement extérieur, le sens de circulation principal du fluide caloporteur est sensiblement centrifuge.
On entend par « tranche » notamment du réservoir des sections successives du réservoir. On considère par exemple que les tranches du réservoir se succèdent l’une l’autre dans le sens de circulation principal du fluide caloporteur. Les tranches du réservoir peuvent ainsi être des tranches transversales réparties le long d’une direction principale de circulation sensiblement longitudinale du fluide caloporteur ou être des tranches concentriques réparties autour d’un axe perpendiculaire à une direction principale de circulation sensiblement radiale du fluide caloporteur.
Lorsque l’étalement ou l’épaisseur des tranches tend vers une valeur nulle, une adaptation dite par tranche d’une valeur, qu’elle soit réalisée par diminution ou augmentation de cette valeur, tend vers une adaptation continue, telle qu’une diminution continue ou une augmentation continue, de ladite valeur.
On entend par un front de séparation « sensiblement conforme » à une surface interne du réservoir, la qualité du front de séparation d’être localement parallèle à la surface interne du réservoir. De la sorte, lorsque le front de séparation se déplace vers la surface interne du réservoir, il l’atteint sensiblement simultanément en tout point.
La figure 1 est une illustration graphique de la cause de la dégradation de la puissance de chargement d’un SST 10 selon l’art antérieur.
Le SST 10 considéré est plus particulièrement constitué d’un tube droit 12 dans lequel un fluide caloporteur est destiné à circuler et d’une calandre cylindrique 11 destinée à renfermer le MCP. Le tube droit 12 est centré sur l’axe de symétrie de la calandre cylindrique 11. Par exemple, le tube droit 12 fait 20 mètres de long et 7,8 mm de diamètre, et la calandre cylindrique 11 est configurée pour contenir un volume de 1,25 litre de MCP.
L’axe des abscisses représente une distance entre la paroi du tube droit 12 et la paroi de la calandre cylindrique 11. L’axe des ordonnées représente une distance longitudinale prise le long de la paroi du tube droit 12. L’axe des ordonnées à l’origine représente une section d’une paroi du tube droit 12 et l’axe qui lui est parallèlement opposé représente une section d’une paroi de la calandre cylindrique 11. Entre ces deux axes, est représentée, par une courbe, la section d’un front de séparation 23 entre phase liquide 21 et phase solide 22 du MCP. Par exemple, la section du front de séparation prend les forme et position illustrées sur la figure 1 au bout d’environ 6 minutes de charge du SST. Dans la mesure où la charge se poursuit, de façon sensiblement constante pour les besoins de la démonstration, la section du front de séparation est destinée à se déplacer de la façon illustrée par les flèches (de la gauche vers la droite) en restant sensiblement parallèle à sa position illustrée.
La figure 1 illustre donc le phénomène observable dans ce type de SST 10 selon lequel le front de séparation 23 n’est pas parallèle, et ne se déplace pas de façon parallèle, à la paroi du tube droit 12 et à la paroi de la calandre cylindrique 11. En outre, la figure 1 permet de se représenter, en prolongeant le déplacement du front de séparation 23, le phénomène selon lequel une partie toujours plus importante de MCP en phase liquide 21 va venir en contact direct avec la paroi de la calandre cylindrique 11 et la surface du front de séparation 23 va diminuer, à mesure que le SST 10 continue à être chargé.
Ces phénomènes s’expliquent du fait qu’un SST 10 fonctionne à la façon d’un échangeur de chaleur entre deux fluides dont un fluide conserve une température constante, comme ceci est le cas d’un condenseur par exemple. Ce fonctionnement fait que la différence de température entre le fluide caloporteur et le MCP diminue le long du tube droit 12 dans le sens de circulation du fluide caloporteur ; le fluide caloporteur cède effectivement sur son parcours des calories au MCP et donc est d’une température en sortie inférieure à sa température en entrée. Ceci conduit à la propagation radiale non-uniforme du front de séparation 23 telle qu’illustré par la figure 1 pour un SST 10 du type considéré.
Ces phénomènes traduisent le manque d’efficacité thermique de ce type de SST 10 selon l’art antérieur pour la raison suivante. La surface du front de séparation 23 diminuant, à mesure que le SST 10 continue à être chargé, la capacité d’échange thermique du SST 10 notamment entre phases liquide 21 et solide 22 du MCP diminue proportionnellement. Selon un autre point de vue, la surface de contact direct entre le MCP en phase liquide 21 et la paroi de la calandre cylindrique 11 agit comme une surface isolante qui va croître, à mesure que le SST 10 continue à être chargé.
Notons que ces phénomènes illustrés pour un SST 10 du type décrit plus haut sont observables dans tous les SST existants. En particulier, les mêmes phénomènes pourront être observés pour un SST comprenant plusieurs tubes droits immergés dans une même calandre. Pour un tel SST, une figure 1 sur laquelle ne serait pas représenté l’axe représentant la section de la paroi de la calandre cylindrique 11 représenterait une moitié de la section du front de séparation dans un plan de section comprenant deux tubes droits ; la surface isolante précédemment évoquée ne correspondrait alors plus à une surface de contact direct entre le MCP en phase liquide 21 et la paroi de la calandre cylindrique 11, mais à une surface de contact entre deux espaces de la calandre occupés par du MCP en phase liquide.
C’est donc dans différents types de SST par MCP, voire dans tous les SST par MCP existants, que ces phénomènes sont observables et qu’une dégradation de leur puissance de charge thermique en découle.
Forts de ces nouvelles observations et de leur interprétation, les présents inventeurs proposent de fournir un STT par MCP essentiellement tel que l’une au moins parmi une section du réservoir et une section de surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur varie selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur dans le circuit fluidique au sein du réservoir de sorte à adapter, par tranche, une quantité de MCP à une capacité d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur.
Un premier mode de réalisation de l’invention est illustré par la figure 2. Le SST 100 par MCP 200 selon ce premier mode de réalisation est conforme au SST 10 décrit plus haut, excepté que la calandre 101 n’est plus cylindrique, mais tronconique. Elle présente donc une section de plus grand diamètre, de préférence au niveau de laquelle le fluide caloporteur 300 est destiné à entrer dans le tube 102, et une section de plus petit diamètre, de préférence au niveau de laquelle le fluide caloporteur 300 est destiné à sortir du tube 102.
Dans ce SST 100 par MCP 200 selon le premier mode de réalisation de l’invention, la quantité de MCP 200 en regard d’une surface donnée du tube 102 varie par tranche. Le phénomène de non-uniformité de la propagation radiale du front de séparation peut de fait être contrebalancé en concevant une répartition non-uniforme de MCP 200 le long du tube 102.
Le tube 102 tel qu’illustré sur la figure 2 est droit et sa section ne varie pas selon la direction de circulation principale du fluide caloporteur 300, de sorte que la quantité de MCP 200 varie par tranche constante en regard d’une surface constante du tube 102. Toutefois, le premier mode de réalisation n’est pas limité à cette illustration. Par exemple, le tube 102 peut lui aussi être tronconique ; sa section peut par exemple croître par tranche selon la direction de circulation principale du fluide caloporteur 300.
La calandre 101 telle qu’illustrée sur la figure 2 comprend un seul tronc de cône. Toutefois, le premier mode de réalisation n’est pas limité à cette illustration. Par exemple, la calandre 101 peut comprendre une succession de troncs de cônes. Une telle variante peut être illustrée par une figure semblable à la figure 10 où la courbe droite représenterait une section de la paroi de la calandre tronconique 101 illustrée par la figure 2 et la courbe non droite représenterait une section de la paroi de la calandre comprenant une succession de troncs de cônes.
La figure 3 illustre de la même façon que sur la figure 1 la conséquence d’une variation de la section de la calandre 101 selon le premier mode de réalisation de l’invention illustré sur la figure 2. On s’aperçoit que le front de séparation 203 illustré sur la figure 3 prend au bout du même temps de charge les mêmes position et forme que le front de séparation 23 illustré sur la figure 1. Toutefois, la section de la paroi de la calandre 101 n’est plus parallèle à la section de la paroi du tube 102, du fait de la forme tronconique de la calandre
101. Cette section de la paroi de la calandre 101 est sensiblement parallèle à la section du front de séparation 203 entre phases liquide 201 et solide 202 du MCP. En prolongeant le déplacement du front de séparation 203, il apparaît que, en fin de charge du SST selon le premier mode de réalisation de l’invention, le front de séparation 203 sera potentiellement sensiblement conforme à une surface interne 1010 de la calandre tronconique 101 ; il en sera de même en fin de décharge du SST. Afin d’obtenir une telle conformité, le rapport entre plus grand diamètre et plus petit diamètre de la forme tronconique de la calandre 101 peut être optimisé, le cas échéant en relation avec la longueur de la portion immergée ou totale du tube 102 et du volume de MCP dans la calandre 101. Par exemple, pour une même longueur et un même diamètre de tube 102, à savoir 20 mètres et 7,8 mm respectivement, et pour un même volume de MCP, à savoir 1,25 litre, que dans l’exemple donné précédemment, une optimisation de la forme tronconique de la calandre 101 selon le premier mode de réalisation de l’invention illustré sur la figure 2 mène à un diamètre d’entrée de 13,5 mm et un diamètre de sortie de 10,5 mm pour la calandre 101 tronconique.
Les graphes des figures 4a à 5b ont été obtenues par simulations en considérant d’une part un SST 10 selon l’art antérieur (courbes pleines), d’autre part un SST 100 selon le premier mode de réalisation de l’invention illustré sur la figure 2 (courbes mixtes) ; les tubes 12 et 102 étant chacun parcouru par un fluide caloporteur ayant une température d’entrée constante égale à 100°C.
Les graphes des figures 4a et 4b ont été obtenues pour un SST 10 conforme à l’exemple donné plus haut et pour un SST 100 selon lOptimisation donnée ci-dessus à titre d’exemple du premier mode de réalisation de l’invention, et pour un débit massique du fluide caloporteur égal à 0,1 kg/s (correspondant à un nombre de Reynolds égal à 5000).
Les graphes des figures 5a et 5b ont été obtenues pour un volume de 3,2 litres de MCP contenus dans une calandre cylindrique 11 de 16,4 mm de diamètre et dans une calandre 101 tronconique de diamètre d’entrée égale à 22 mm et de diamètre de sortie égal à 10 mm, et pour un débit massique du fluide caloporteur égal à 0,01 kg/s (correspondant à un nombre de Reynolds égal à 500), avec une longueur et un diamètre de tube inchangés.
Les graphes des figures 4a et 5a représentent l’évolution de la puissance de charge thermique (en Watt) en fonction du temps de charge. Les graphes des figures 4b et 5b représentent l’évolution de la température du fluide caloporteur en entrée (courbes en tirets courts) et en sortie des SST 10 selon l’art antérieur (courbes pleines) et 100 selon le premier mode de réalisation de l’invention (courbes mixtes) en fonction du temps de charge.
Les figures 4a et 4b montrent que l’adaptation selon l’invention d’un SST 10 selon l’art antérieur permet d’atteindre un gain en performance thermique d’environ 60 %. Les figures 5a et 5b montrent que l’adaptation selon l’invention d’un SST 10 selon l’art antérieur permet d’atteindre un gain en performance thermique d’environ 100%; ceci correspond au fait que la température initiale de sortie du fluide caloporteur et la puissance initiale de charge thermique sont maintenues, respectivement basse et élevée, deux fois plus longtemps grâce à l’adaptation réalisée selon l’invention.
L’augmentation du débit contribue à augmenter l’efficacité de l’échange thermique côté fluide caloporteur, puisque de manière générale cela conduit à augmenter les turbulences et donc le coefficient d’échange convectif (mais également les pertes de charges). En d’autres termes, la puissance de charge/décharge devient plus élevée, réduisant de ce fait le temps de charge/décharge. Toutefois, cette augmentation de l’échange thermique induite par l’augmentation du débit atteint une limite lorsque la résistance thermique côté MCP devient plus importante que la résistance thermique côté fluide caloporteur.
Le graphe de la figure 6 représente l’évolution en fonction du temps de la température du fluide caloporteur en entrée (courbes en tirets courts) et en sortie d’une part d’un SST 10 en charge selon l’art antérieur (courbes pleines), d’autre part d’un SST 100 en charge selon le premier mode de réalisation de l’invention illustré sur la figure 2 (courbes mixtes). Plus particulièrement, le graphe de la figure 6 a été obtenu, avec une longueur et un diamètre de tube inchangés par rapport à l’exemple donné plus haut, pour un volume de 1,4 litres de MCP contenu dans une calandre cylindrique 11 et dans une calandre 101 tronconique de diamètre d’entrée égale à 13,2 mm et de diamètre de sortie égal à 11,2 mm. Contrairement aux cas illustrés sur les figures 4a à 5b, pour le cas illustré sur la figure 6, la température d’entrée du fluide caloporteur (courbes en tirets courts) n’est plus constante, mais évolue au cours du temps.
Une telle évolution de la température d’entrée du fluide caloporteur correspond à un cas dit réel comme cela est explicité ci-dessous.
Selon le cas illustré sur la figure 6, le fluide caloporteur est un liquide de lubrification d’une boîte de vitesse ; le liquide de lubrification chauffe de façon évolutive notamment en fonction de l’usage qui est fait de la boîte de vitesse, si bien que, en sortie de la boîte de vitesse, sa température fluctue et peut notamment présenter un pic tel que représenté sur la figure 6 (notamment entre 7 et 14 minutes environ). Une fois sorti de la boîte de vitesse, le liquide de lubrification peut être injecté dans un SST par MCP pour y jouer le rôle d’un fluide caloporteur, de sorte que le SST par MCP permette de réguler la température de l’huile de lubrification avant qu’elle soit le cas échéant réinjecter dans la boîte de vitesse pour la lubrifier. Le débit avec lequel le liquide de lubrification circule en sortie de la boîte de vitesse, et par suite dans le tube dépend des conditions d’utilisation ou de fonctionnement de la boîte de vitesse. Notons que l’influence du débit du fluide caloporteur a été discutée plus haut.
La figure 6 montre que l’adaptation selon l’invention permet d’éviter une baisse de la performance thermique suite à une montée en température soudaine du fluide caloporteur injecté dans le SST par MCP. En effet, l’on observe que, dans l’intervalle de temps allant de 11min à 18 min, la température du fluide caloporteur en sortie du SST 10 selon l’art antérieur (courbe pleine) est supérieure à la température du fluide caloporteur en sortie du SST 100 selon le premier mode de réalisation de l’invention (courbe mixte). Le plateau que forme la courbe pleine (à une valeur sensiblement supérieure à 97°C) indique l’atteinte d’une saturation de la capacité d’échange thermique du SST 10 selon l’art antérieur. Au contraire, sitôt que la courbe en tirets courts redescend (à partir d’environ 9 min), la courbe mixte redescend également ; autrement dit, sitôt que la température d’entrée du fluide caloporteur redescend la température de sortie du fluide caloporteur depuis le SST 100 selon le premier mode de réalisation de l’invention redescend également. Ceci indique que la saturation de la capacité d’échange thermique du SST 100 selon le premier mode de réalisation de l’invention n’a pas été atteinte ; autrement dit, la surface d’échange thermique entre phases liquide et solide du MCP a été intégralement conservée.
Ainsi, l’adaptation selon l’invention permet d’atteindre non seulement une capacité d’échange thermique plus stable dans le temps, mais également une réactivité thermique plus élevée aux changements de température d’entrée du fluide caloporteur. Il est ainsi permis, grâce à une adaptation selon l’invention, d’augmenter les performances d’un SST selon l’art antérieur, tout en réduisant la quantité de MCP nécessaire à son fonctionnement.
Un SST 100 par MCP 200 ainsi optimisé est particulièrement avantageux en vue de son intégration comme régulateur de température d’huile de lubrification ou de liquide de refroidissement pour véhicules par exemple aériens, et notamment eu égard aux objectifs de faible consommation en carburant de ces véhicules et/ou aux variations thermiques potentiellement brutales d’origine(s) interne(s) et/ou externe(s) auxquelles sont confrontés ces véhicules.
La figure 7 est une illustration schématique d’un SST par MCP selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Selon ce deuxième mode de réalisation, le circuit fluidique est un circuit multi-passes replié sur lui-même, par exemple en accordéon. Chaque pli 1021a, 1021b, 1021c du circuit fluidique 102 est compris dans une tranche horizontale du réservoir 101 qui lui est propre. Par exemple, les passes sont sensiblement parallèles à des pliures du circuit multi-passes.
Dans une première tranche (celle du haut du parallélépipède rectangle représenté en perspective sur la figure 7), au moins un premier échangeur thermique à tube multi-passes 1021a peut être disposé en position couchée qui présente une distance Si entre ses passes. Dans une deuxième tranche, au moins un deuxième échangeur thermique à tube multi-passes 1021b, en conduction fluidique avec le premier échangeur thermique 1021a, peut être disposé en position couchée qui présente une distance s2 entre ses passes, avec s2 inférieure à s-ι. Dans une troisième tranche, au moins un troisième échangeur thermique à tube multi-passes 1021c, en conduction fluidique avec le deuxième échangeur thermique 1021b, peut être disposé en position couchée qui présente une distance s3 entre ses passes, avec s3 inférieure à s2 ; et ainsi de suite.
En alternative, le deuxième mode de réalisation peut être obtenu à partir d’un échangeur à tube multi-passes tel que représenté sur la figure 11. Ce dernier peut en effet être replié sur lui-même en accordéon de sorte que chaque partie 1021a, 1021 b et 1021c de l’échangeur se situe dans une tranche du réservoir 101 qui lui est propre.
L’échangeur thermique selon ce deuxième mode de réalisation est particulièrement modulable. Cette modularité peut être réalisée :
- dans chaque tranche, par ajout au circuit fluidique 102 d’au moins un échangeur de même distance entre passes, de sorte à adapter l’étendue horizontale du réservoir 101, et/ou
- au moins de tranche en tranche, par ajout au circuit fluidique 102 d’au moins un échangeur présentant une distance entre passes différente pour adapter une profondeur du réservoir 101.
Cette modularité peut également être réalisée par distribution dans le volume du réservoir d’au moins deux échangeurs thermiques à tube multipasses pour adapter l’étendue horizontale du réservoir 101, chacun étant replié sur lui-même en accordéon pour adapter la profondeur du réservoir 101 ; chacun de ces échangeurs thermiques constitue le cas échant un circuit fluidique 102 indépendant, du moins pour ce qui est de leurs parties immergées dans le réservoir 101.
Selon l’exemple représenté sur la figure 7, la première tranche comprend trois passes 1021a, la deuxième tranche comprend quatre passes 1021b, la troisième tranche représentée sur la figure 7 comprend six passes 1021c. Si les échangeurs thermiques ou passes 1021a, 1021b et 1021c présentent une même surface d’échange, la surface d’échange thermique dans la deuxième tranche est environ 1,33 fois supérieure à la surface d’échange thermique dans la première tranche et la surface d’échange thermique dans la troisième tranche est environ 2 fois supérieure à la surface d’échange thermique dans la première tranche ; etc.
Toujours en référence à la figure 7, la section de tube sur laquelle pointe une flèche et la section de tube de laquelle s’étend une flèche représentent respectivement une section d’entrée et une section de sortie de la partie du circuit fluidique située au sein du réservoir 101. Plus particulièrement, le fluide caloporteur entre par le haut du réservoir et en sort par le bas ; l’entrée et la sortie se font à gauche et à droite du réservoir respectivement du fait que, selon l’illustration, le circuit multi-passes comprend 3 plis (et 2 pliures). Les sections d’entrée et de sortie du tube multi-passes de l’échangeur thermique telles qu’illustrées sont de même taille. Ceci illustre le fait que le tube multipasses peut avoir un diamètre constant, plus aisé à fabriquer qu’un tube multipasses à diamètre évolutif. La section d’entrée est représentée au centre d’une surface latérale d’une portion de la première tranche du réservoir 101 ; cette surface latérale est inversement proportionnelle à une surface d’échange thermique du circuit multi-passes dans cette portion. La section de sortie est représentée en vis-à-vis du centre d’une surface latérale d’une portion de la troisième tranche du réservoir 101 ; cette surface latérale est inversement proportionnelle à une surface d’échange thermique du circuit multi-passes dans cette portion. Ainsi, la figure 7 illustre une augmentation (ou densification) de la surface d’échange thermique offerte par l’échangeur à tube multi-passes de tranche en tranche, dans un sens de parcours des tranches allant de haut en bas.
Cette augmentation de la surface d’échange thermique à mesure que l’on avance, par tranche, le long du circuit fluidique 102 est modulable par modulation de la distance entre passes (comme vu plus haut), et, en complément ou en alternative, par modulation de la distance entre plis par exemple successifs du circuit multi-passes.
Selon un exemple détaillé du deuxième mode de réalisation, le réservoir 101 prend une forme parallélépipédique présentant une hauteur totale de 100 mm, une largeur totale de 120 mm et une longueur totale de 200 mm. Le tube de l’échangeur multi-passes présente :
- 10 passes distantes de Si = 4,2 mm dans chacune parmi des première, deuxième et troisième tranches du réservoir 101,
- 11 passes distantes de s2 = 3,1 mm dans chacune parmi des quatrième, cinquième et sixième tranches du réservoir 101, et
- 12 passes distantes de s3 = 2,2 mm dans chacune parmi des septième, huitième et neuvième tranches du réservoir 101, les plis du circuit multi-passes étant répartis de façon homogène dans la profondeur du réservoir (même distance entre paire de plis successifs).
Le deuxième mode de réalisation est particulièrement compact. Il est particulièrement adapté pour une intégration en supplément des dispositifs de régulation existants dans des véhicules, notamment aériens, pour la régulation thermique du fluide caloporteur choisi par exemple parmi un liquide de refroidissement et une huile de lubrification.
La figure 8 est un graphe représentant, pour l’exemple du deuxième mode de réalisation de l’invention donné ci-dessus, l’évolution d’une quantité de MCP le long du tube multi-passes de l’échangeur thermique, la quantité de MCP étant ramenée au diamètre équivalent (en mm) d’une calandre selon le premier mode de réalisation de l’invention et la longueur du tube multi-passes étant ramenée à la longueur équivalente (en m) d’un tube droit selon le premier mode de réalisation de l’invention, pour permettre une comparaison graphique directe entre ces deux modes de réalisation. L’évolution de la quantité de MCP le long du tube multi-passes présente des paliers. Chaque palier apparaît à chaque variation de section moyenne de surface d’échange thermique. Le premier palier montre que les trois premières tranches comprennent une longueur équivalente de tube droit égale à environ 6,66 m, les trois tranches suivantes comprennent une même longueur de tube droit, etc. Une plus grande quantité de MCP est située dans les trois premières tranches en vis-à-vis des premiers 6,66 m de longueur équivalente, par rapport à la quantité de MCP située dans les trois tranches suivantes en vis-à-vis des seconds 6,66 m de longueur équivalente, etc.
Cette évolution par paliers peut être moyennée. La courbe droite sur la figure 8 est une évolution moyenne de l’évolution par paliers. Il a été déterminé que cette évolution moyenne correspond à celle qu’on aurait pu observer pour un SST 100 selon le premier mode de réalisation de l’invention comprenant un tube 102 droit de 20 m et une calandre 101 tronconique renfermant 1,45 litre de MCP dont le rapport entre plus grand diamètre et plus petit diamètre a été optimisé.
Ainsi, la figure 8 montre que l’optimisation du SST par MCP selon le deuxième mode de réalisation de l’invention est potentiellement équivalente à l’optimisation du SST par MCP selon le premier mode de réalisation de l’invention.
Les figures 9, 10a et 10b sont destinées à permettre de détailler un cinquième mode de réalisation de l’invention.
Ce cinquième mode de réalisation comprend l’adaptation d’un type de SST par MCP selon l’art antérieur, tel qu’illustré sur la figure 9, dans lequel le circuit fluidique comprend un échangeur thermique à tube spiralé 1024 plongé dans une calandre cylindrique 101, l’axe d’appui de la spirale du tube 1024 étant sensiblement confondu avec l’axe de symétrie de la forme cylindrique de la calandre 101. En dehors du diamètre du tube le constituant, un tube spiralé est généralement défini par trois paramètres que sont sa longueur, le rayon interne R, de sa forme spiralée et la distance p entre spires successives. Dans un SST selon l’art antérieur tel qu’illustré sur la figure 9, le diamètre du tube, le rayon interne R, et la distance p entre spires successives sont constants sur toute la longueur du tube spiralé. Au contraire, l’échangeur thermique à tube spiralé 1024 selon le cinquième mode de réalisation de l’invention est configuré de sorte qu’au moins une partie de chaque spire 1024a, 1024b, 1024c du tube spiralé 1024 soit comprise dans une tranche du réservoir 101 qui lui est propre, l’une au moins parmi une section du réservoir 101 et une section de surface d’échange thermique entre le MCP 200 et le fluide caloporteur 300 variant selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur 300 dans le tube spiralé 1024 au sein du réservoir 101.
Plus particulièrement, la variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur peut comprendre au moins l’un parmi une diminution par tranche d’un espacement entre spires 1024a, 1024b, 1024c successives du tube spiralé 1024, une augmentation par tranche d’un diamètre intérieur des spires 1024a, 1024b, 1024c du tube spiralé 1024, et une diminution par tranche d’un espacement entre le tube spiralé 1024 et une surface interne 1010 du réservoir 101, le cas échéant dans un même sens de parcours des tranches.
Les figures 10a et 10b illustrent plus particulièrement l’influence de l’espacement entre le tube spiralé 1024 et la surface interne 1010 du réservoir 101 sur le front de séparation 203 entre phases liquide 201 et solide 202 du MCP, et renseignent par extrapolation sur son évolution.
Intuitivement, il vient que, lors de la charge du SST, le front de fusion 203 du MCP autour de chaque section longitudinale de spire (trois sections longitudinales de spires sont représentées sur la figure 10a) est sensiblement uniforme radialement, et se propage sensiblement de façon uniforme radialement, dans ce plan de section. En conséquence, un agencement ad hoc du tube spiralé 1024 relativement à la calandre 101 paraît consister en celui illustré sur la figure 10a. Selon cet agencement, une même distance p/2 sépare la section longitudinale de chaque spire d’une part de la paroi interne 1010 de la calandre 101 et d’autre part de l’axe d’appui de la forme spiralée du tube (R, = p/2). Cependant, comme illustré sur la figure 10a, cet agencement conduit en fait au bout d’un certain temps de charge à une situation dans laquelle tout le MCP situé à l’intérieur de la forme spiralée du tube 1024 est passé en phase liquide 201 et dans laquelle du MCP en phase solide 202 subsiste uniquement au contact de la surface interne 1010 de la calandre 101. Dès lors, la quantité de MCP située à l’intérieur de la forme spiralée du tube 1024 ne participe plus aux échanges thermiques. On se retrouve donc, contre toute attente, dans une situation comparable à celle illustrée sur la figure 1, à savoir une dégradation de la puissance de chargement du SST au bout d’un certain temps de charge.
Une spécificité du cinquième mode de réalisation de l’invention permet de résoudre ce problème de manière contre-intuitive. Selon cette spécificité, illustrée par la figure 10b, le diamètre intérieur s, de chaque spire 1024a, 1024b, 1024c (Rj = Sj/2) est au moins deux fois supérieur à une distance d’espacement minimale s0 entre la spire 1024a, 1024b, 1024c et une surface interne 1010 du réservoir 101. Autrement dit, le tube spiralé 102 et la calandre 101 sont configurés de sorte que les spires soient plus proches de la paroi interne de la calandre que de l’axe d’appui de la forme spiralée du tube 102. On obtient alors un front de séparation entre phase liquide 201 et solide 202 du MCP tel qu’illustré sur la figure 10b, au bout d’un même temps de charge, comparativement à ce qu’illustre la figure 10a. Plus particulièrement, la surface du front de séparation 203 restante à ce niveau de charge est distribuée autour d’une quantité de MCP en phase solide 202 en contact avec la surface interne 1010 de la calandre 101 et une quantité de MCP en phase solide située à l’intérieur de la forme spiralée du tube 1024. L’on comprend que, là encore, un SST 100 selon cette spécificité du cinquième mode de réalisation devrait permettre d’atteindre non seulement une capacité d’échange thermique plus stable dans le temps, mais également une réactivité thermique plus élevée aux changements de température d’entrée du fluide caloporteur.
La figure 12a représente schématiquement un troisième mode de réalisation de l’invention. Selon ce troisième mode de réalisation, le circuit fluidique 102 est un circuit multi-passes roulé sur lui-même. De cette façon, au moins une partie de chaque tour d’enroulement 1022a, 1022b, 1022c du circuit fluidique 102 peut être comprise dans une tranche du réservoir 101 qui lui est propre. Les passes sont par exemple sensiblement parallèles à l’axe d’appui de l’enroulement du circuit multi-passes. De préférence, chaque tour d’enroulement est compris dans une tranche et présente une distance constante entre passes.
La variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP 200 et le fluide caloporteur 300 comprend au moins l’une parmi une diminution par tranche d’une distance s entre passes du circuit fluidique 102 et une diminution par tranche d’un espacement entre tours d’enroulement 1022a, 1022b, 1022c successifs du circuit fluidique 102.
De préférence, l’entrée du fluide caloporteur dans le circuit fluidique se fait par l’extérieur de l’enroulement et sa sortie se fait par l’intérieur de l’enroulement à l’opposé de l’entrée, si bien que le sens de circulation principal du fluide caloporteur dans le circuit fluidique comprend essentiellement une composante radiale orientée de l’extérieur à l’intérieur de l’enroulement (centripète) et une composante longitudinale orientée de l’entrée à la sortie du circuit fluidique. Le troisième mode de réalisation de l’invention n’est pas limité à cette circulation particulière du fluide caloporteur dans le circuit. De plus, c’est entre autres pour cette circulation particulière qu’il est préféré que la distance s entre passes du circuit fluidique 102 et/ou l’espacement entre tours d’enroulement 1022a, 1022b, 1022c successifs du circuit fluidique 102 diminue dans un sens allant de l’extérieur à l’intérieur de l’enroulement. Si le fluide caloporteur entre par l’intérieur et sort par l’extérieur de l’enroulement, il est préféré que la distance s entre passes du circuit fluidique 102 et/ou l’espacement entre tours d’enroulement 1022a, 1022b, 1022c successifs du circuit fluidique 102 diminue dans un sens allant de l’intérieur vers l’extérieur de l’enroulement.
La figure 12b représente schématiquement un quatrième mode de réalisation de l’invention. Selon ce quatrième mode de réalisation, le circuit fluidique 102 comprend une pluralité de circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d. Chaque circuit multi-passes de la pluralité peut former un cylindre de rayon qui lui est propre et les circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d de la pluralité peuvent être configurés entre eux de façon coaxiale. Les passes de chaque circuit multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d sont par exemple sensiblement perpendiculaires à une courbure du cylindre formé par le circuit.
Le cas échéant, une variation radiale de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP et le fluide caloporteur comporte au moins l’une parmi une diminution par tranche d’une distance s entre passes du circuit fluidique 102 et une diminution par tranche d’un espacement entre circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d successifs.
Les circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d peuvent reliés entre eux, de sorte que le fluide caloporteur puisse circuler de l’un à l’autre. Au contraire, les circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d peuvent être indépendants entre eux. Une combinaison de ces variantes est envisageable.
Notamment lorsque les circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d sont reliés entre eux et que le fluide caloporteur est destiné à circuler dans le circuit fluidique 102 depuis le circuit multi-passes extérieur 1023d jusque dans le circuit multi-passes intérieur 1023a, il est préféré que la distance s entre passes du circuit fluidique 102 et/ou l’espacement entre circuits multi3058209 passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d successifs diminue dans un sens allant de l’extérieur à l’intérieur du circuit fluidique 102.
Le circuit fluidique 102 selon ce quatrième mode de réalisation de l’invention peut ne pas présenter de variation de section de surface d’échange thermique totale entre le MCP et le fluide caloporteur selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur dans le circuit fluidique, notamment lorsque cette direction est exclusivement longitudinale. C’est donc alors la section du réservoir 101 qui varie selon cette direction, de sorte d’adapter par tranche la quantité de MCP située en vis-à-vis d’une surface d’échange thermique totale constante à tranche égale.
Les troisième, quatrième et cinquième modes de réalisation de l’invention sont particulièrement avantageux pour remplacer en les adaptant certains SST par MCP, notamment utilisés dans des véhicules, notamment aériens, pour la régulation thermique du fluide caloporteur choisi par exemple parmi un liquide de refroidissement et une huile de lubrification.
La figure 13 représente schématiquement un SST par MCP selon un sixième mode de réalisation de l’invention. Selon ce sixième mode de réalisation, le réservoir 101 est destiné à comprendre une pluralité de nodules 400 contenant le MCP 200 et le circuit fluidique 102 comprend le réservoir 101. Dans ce type de SST dit à nodules, le fluide caloporteur 300 est destiné à circuler dans le réservoir 101 autour des nodules 400 depuis une entrée 1011 jusqu’à une sortie 1012 du réservoir 101.
Selon l’art antérieur, les nodules 400 présentent un même diamètre et sont répartis de façon sensiblement homogène dans le réservoir 101, de sorte que la section de surface d’échange thermique totale ne varie pas entre l’entrée et la sortie du réservoir. Notamment, lors de la charge du SST à nodules selon l’art antérieur, le MCP dans les nodules situés en entrée du réservoir passe entièrement en phase liquide (et ne serviront donc plus aux échanges thermiques) avant le MCP des nodules situés en sortie du réservoir.
Selon le sixième mode de réalisation de l’invention, la pluralité de nodules 400 comprend des nodules de différentes tailles. Les nodules de plus grande taille 400a sont principalement disposés en entrée 1011 du réservoir 101. Les nodules de plus petite taille 400c sont principalement disposés en sortie 1012 du réservoir 101. Le cas échéant, des nodules de taille(s) intermédiaire(s) 400b peuvent être disposés entre les nodules de plus grande taille 400a et les nodules de plus petite taille 400c, à un niveau intermédiaire du réservoir 101.
Le type d’adaptation proposé ci-dessus est applicable à tous les SST par MCP utilisés pour assurer des fonctions de management thermique de systèmes. Ces systèmes sont rencontrés notamment dans les environnements suivants :
- Les moteurs thermiques dans lesquels un SST par MCP peut être utilisé pour assurer le lissage et/ou l’écrêtage des pics de température de l’huile circulant dans un circuit hydraulique présentant un régime de fonctionnement instationnaire ;
- Les batteries dans lesquelles un SST par MCP peut être utilisé pour assurer le lissage et/ou l’écrêtage des pics de température rencontrés lors des phases de charge ou de décharge rapides des batteries ;
- Les systèmes de climatisation dans lesquels un SST par MCP peut être utilisé pour compenser les intermittences de fonctionnement du compresseur de la climatisation, qui est tributaire du fonctionnement du moteur et notamment des arrêts/redémarrages lors des « start & stop », le SST par MCP étant préférentiellement couplé à l’évaporateur du circuit de climatisation.
Tout autre système thermique sur lequel un SST par MCP peut être avantageusement implanté et dont celui-ci fait appel à un échangeur thermique pour assurer le transfert de chaleur entre le fluide caloporteur et le MCP.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
Notamment, si seul le cas d’un SST se chargeant pas fusion du MCP qu’il contient pour le stockage de calories a été considéré ci-dessus, l’invention s’étend au SST se chargeant par solidification d’un MCP, tel que de l’eau, pour le stockage de frigories.
En particulier, les valeurs numériques données ci-dessus à titre exemplatif et dans les différents graphes annexés ont été obtenues en considérant un MCP ayant des caractéristiques proches de celles de l’acétate trihydrate de sodium, dont la température de fusion est comprise entre 55 et 58°C, la densité en phase liquide est égale à 1279 kg/m3 à 70°C, la densité en phase solide est égale à 1392 kg/m3 à 30°C et la chaleur latente de changement de phase est égale à 242,85.103 J/kg. Toutefois, l’invention n’est nullement limitée à un choix de MCP ; ce choix dépend de l’application à laquelle le SST par MCP selon l’invention est destiné. Sans y être limité, le MCP 200 peut comprendre au moins l’un parmi : de l’eau, une paraffine, un sel, tel que l’acétate de sodium trihydraté, un hydrate de sel, tel que le nitrate de magnésium hexahydraté, un alcool de sucre, tel que le xylitol, et leur mélange, avec ou sans additif tensio-actif. Un tel mélange peut être un eutectique défini comme un mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante ; un eutectique se comporte comme un corps pur du point de vue de la fusion.
Egalement, l’invention n’est pas limitée à une évolution stricte de l’une au moins parmi une section du réservoir 101 et une section de surface d’échange thermique entre le MCP 200 et le fluide caloporteur 300 selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur 300 dans le circuit fluidique 102 au sein du réservoir 101. En effet, plusieurs tranches successives peuvent présenter une même section du réservoir 101 et/ou une même section de surface d’échange thermique.
L’enroulement selon le quatrième mode de réalisation de l’invention et/ou les circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d selon le cinquième mode de réalisation de l’invention peuvent être réalisés de façon à prendre in fine une forme généralement tronconique et/ou parallélépipédique ; leurs passes peuvent présenter une certaine inclinaison par rapport à une perpendiculaire à la courbure générale de l’enroulement ou de chacun des circuits multi-passes 1023a, 1023b, 1023c, 1023d.
Chaque échangeur thermique à tube multi-passes évoqué plus haut peut comprendre, de la façon illustrée par la figure 11, une pluralité d’ailettes. Ces ailettes sont par exemples disposées perpendiculairement aux passes du tube. Chaque ailette peut prendre la forme d’un disque, notamment lorsque l’échangeur à tube multi-passes est enroulé sur lui-même de sorte de former un cylindre (figure 12b), ou prendre la forme d’une spirale, notamment lorsque l’échangeur à tube multi-passes est roulé sur lui-même (figure 12a).
Un mode de réalisation non illustré consisterait à utiliser un échangeur thermique à plaques pour constituer en partie un SST par MCP selon l’invention. Selon un tel mode de réalisation, le paramètre dont l’évolution conduirait à maximiser la puissance thermique échangée, à augmenter la puissance de charge et de décharge, et donc à augmenter la réactivité thermique du SST, pourrait être l’espacement qui sépare deux plaques successives d’un empilement de plaques par exemple identiques entre elles, ledit espacement comprenant une quantité donnée de MCP. Ce paramètre évoluerait de sorte à compenser les différences d’avancement du front de fusion/solidification du MCP le long du circuit fluidique et à maximiser ainsi la puissance de charge/décharge.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de Stockage Thermique (SST) (100) par Matériau à Changement de Phase (MCP) (200) comprenant :
    - Un réservoir (101) destiné à contenir un MCP (200), et
    - Un circuit fluidique (102) dans lequel un fluide caloporteur (300) est destiné à circuler, le circuit fluidique (102) étant configuré au moins en partie dans le réservoir (101) pour permettre un échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300), caractérisé en ce que l’une au moins parmi une section du réservoir (101) et une section de surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) varie selon une direction de circulation principale du fluide caloporteur (300) dans le circuit fluidique (102) au sein du réservoir (101) de sorte à adapter, par tranche, une quantité de MCP (200) à une capacité d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300).
  2. 2. SST (100) selon la revendication précédente, dans lequel la variation de l’une au moins parmi la section du réservoir (101) et la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) est destinée à maximiser une surface de front de séparation (203) entre phases (201, 202) du MCP (200), quel que soit l’état de charge du SST (100).
  3. 3. SST (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la variation de l’une au moins parmi la section du réservoir (101) et la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) a un sens constant.
  4. 4. SST (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) comprend l’augmentation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) par tranche dans un sens de circulation principal du fluide caloporteur (300).
  5. 5. SST (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la variation de la section du réservoir (101) comprend la diminution de la section du réservoir (101) par tranche dans un sens de circulation principal du fluide caloporteur (300).
  6. 6. SST (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la variation de l’un au moins parmi la section du réservoir (101) et la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) est telle que, en fin de charge et en fin de décharge du SST (100), un front de séparation (203) entre phases (201, 202) du MCP (200) soit sensiblement conforme à une surface interne (1010) du réservoir (101).
  7. 7. SST (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit fluidique (102) est un circuit multi-passes replié sur lui-même, de sorte que chaque pli (1021a, 1021b, 1021c) du circuit fluidique (102) soit compris dans une tranche du réservoir (101) qui lui est propre.
  8. 8. SST (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit fluidique (102) est un circuit multi-passes roulé sur lui-même, de sorte qu’au moins une partie de chaque tour d’enroulement (1022a, 1022b, 1022c) du circuit fluidique (102) soit comprise dans une tranche du réservoir (101) qui lui est propre.
  9. 9. SST (100) selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel la variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) comprend au moins l’une parmi une diminution par tranche d’une distance s entre passes du circuit fluidique (102) et une diminution par tranche d’un espacement entre plis (1021a, 1021b, 1021c) ou tours d’enroulement (1022a, 1022b, 1022c) successifs du circuit fluidique (102), respectivement.
  10. 10. SST (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit fluidique (102) comprend une pluralité de circuits multi-passes (1023a, 1023b, 1023c), chaque circuit multi-passes de la pluralité formant un cylindre de rayon qui lui est propre et les circuits multi-passes (1023a, 1023b, 1023c) de la pluralité étant configurés entre eux de façon coaxiale, le cas échéant une variation radiale de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) comportant au moins l’une parmi une diminution par tranche d’une distance s entre passes du circuit fluidique (102) et une diminution par tranche d’un espacement entre circuits multi-passes (1023a, 1023b, 1023c) successifs.
  11. 11. SST (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le circuit fluidique (102) comprend un échangeur thermique à tube spiralé (1024) configuré de sorte qu’au moins une partie de chaque spire (1024a, 1024b, 1024c) du tube spiralé (1024) soit comprise dans une tranche du réservoir (101) qui lui est propre.
  12. 12. SST (100) selon la revendication précédente, dans lequel la variation de la section de la surface d’échange thermique entre le MCP (200) et le fluide caloporteur (300) comprend au moins l’un parmi une diminution par tranche d’un espacement entre spires (1024a, 1024b, 1024c) successives du tube spiralé (1024), une augmentation par tranche d’un diamètre intérieur des spires (1024a, 1024b, 1024c) du tube spiralé (1024), et une diminution par tranche d’un espacement entre le tube spiralé (1024) et une surface interne (1010) du réservoir (101).
  13. 13. SST (100) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel le tube spiralé (1024) présente un diamètre intérieur de spire (1024a, 1024b, 1024c) au moins deux fois supérieur à une distance d’espacement minimale entre la spire (1024a, 1024b, 1024c) et une surface interne (1010) du réservoir (101).
  14. 14. SST (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le réservoir (101) comprend une pluralité de nodules (400) destiné à contenir le MCP (200) et le circuit fluidique (102) comprend le réservoir (101), de sorte que le fluide caloporteur (300) soit destiné à circuler dans le réservoir (101) autour
    5 des nodules (400) depuis une entrée (1011) jusqu’à une sortie (1012) du réservoir (101), et dans lequel la pluralité de nodules (400) comprend des nodules de différentes tailles dont les nodules de plus grande taille (400a) sont principalement disposés en entrée (1011) du réservoir (101) et les nodules de plus petite taille (400c) sont principalement disposés en sortie (1012) du
    10 réservoir (101), des nodules de taille(s) intermédiaire(s) (400b) étant disposés le cas échéant à un niveau intermédiaire du réservoir (101) entre les nodules de plus grande taille (400a) et les nodules de plus petite taille (400c).
  15. 15. Utilisation d’un SST (100) par MCP (200) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans un véhicule, notamment aérien, pour la
    15 régulation thermique d’un fluide caloporteur (300) conditionnant le fonctionnement du véhicule, par exemple un fluide caloporteur (300) choisi parmi un liquide de refroidissement et une huile de lubrification.
    4.0 4.2
    Position axiale (m)
    1/7
    Position radiale du front de fusion (mm)
    4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0
    100 /
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