131~9~333 La présente invention a pour objet un procédé de stockage de chaleur par chaleur latente consistant a emmagasiner la chaleur provenant d'un fluide chaud par passage de ce fluide dans un élement cle stockage -thermiquement iso]e. Cet elément de stockage contient une substance capable de fusion/solidification sous l'influence d'un apport ou d'une restitution de chaleur par l'intermédiaire d'un fluidede balayage;le point de fusion de cette substance correspond aux températures de fourniture et de consom-mation de la chaleur.
Il est connu de stocker la chaleur produite par diverses sources d'énergie, soit sous forme de chaleur sensible d'un fluide, généralement de l'eau,ou d'un solide, par exemple des galets, SOlt sous forme de chaleur latente de changement de phase d'un corps approprie au niveau de temperature utilisé.
Le premier type de stockage nécessite des dispositifs de volume important, la capacité calorifique des substances utili- ;
sées étant voisine de 0,5 cal.g l.(oC) 1, celle de l'eau atteignant la valeur exceptionnelle de 1 cal.g .( C) . En outre, le niveau de température de récupération de la chaleur stockee est nettement ~ ,. .
plus~ faible que celui d'apport de la chaleur par Ia source d'éner-gie; d'autre part, dans le cas de solides comme les galets, une : ::
grande résistance au transfert thermique entre le fluide calopor- ~
.
teur et le milieu stockant la chaleur vient encore obérer l'inté-~rêt du procédé. -Le stockage sous forme de chaleur latente de fusion permet par contre de stocker beaucoup plus de chaleur par unité
de volume de stockage et de minimiser la perte de niveau de tem- -pérature entre chaleur stockée et chaleur restituée. Le stockage sous forme de chaleur latente de fu~ion a été largement étudié
pour une gamme de température très etendue en utilisant des subs-tances très diverses, principalement des sels fusibles, des para-fines, des pol~meres et des alliages métalliques.
-1-, ~' ' ' 1~ 4333 . Cependant, une difficulté fondamentale des accumu-lateurs de chaleur sour forme de chaleur latente réside dans leur mise en oeuvre: si on utilise, par exemple, un récipient parcouru par un serpentin au travers duquel circule le fluide caloporteur et empli dlune substance susceptible de fondre ou de se solidifier à une temperature compatible avec les apports et les besoins de chaleur, les flux de chaleur aux parois.du serpentin seront t~ès faibles en particulier dans la phase de solidification correspondant à la restitution de chaleur, le transfert de chaleux n'ayant lieu que par conduction au travers d'uneepaisseur croissante de solide;,~ 7~
----- ... . . _ .
9~33;~
meme dans la phase de fusion correspondant au stockage de chaleur, le transfert de chaleur n'a lieu que par conduction et convection naturelles qui sont faibles du fait de la viscosité genéralementelevee des substances, au voisinage de leur point de solidification, en particulier des substances a fusion pâteuse.
Pour pallier ces inconvenients et augmenter au maximum le flux thermique entre le milieu stockant la chaleur et le fluide caloporteur, il faut augmenter la sur-face d'echange et diminuer l'epaisseur de ce milieu stockant.
Diverses solutions ont dejà ete proposees.
Une des plus connues consiste à encapsuler la substance fusible sous forme d'un milieu granulaire: billes, ou -spheroides, en general. Mais à moins d'utiliser des capsules -~
de tres faible diamètre ce qui pose un problème de micro-encapsulation, et, de se limiter à des temperatures faibles -car les substances permettant de réaliser simplement cette encapsulation sont généralement des polymeres - cette solution ., . ~
n'a pas un grand intérêt.
` 20 Dans le procédé qui fait l'objet de la présente invention, la substance fusible est absorbee sur un support microporeux finement divise poudre, grains ou bâtonnets.
, On constitue ainsi, un lit granulaire, au sein duquel, cir-cule le fluide caloporteur, liquide ou gazeux.
~Le milieu stockant la chaleur se trouve ainsi extrêmement divise: il en résulte une très grande surface de contact et les grains n'ayant que 1 ou 2 mm de diametre au maximum, l'épaisseur de solide au sein duquel a lieu la conduction de chaleur est tr~s faible; il en - .
résulte un coefficient global de transfert thermique très élevé permettant un flu~ de transfert important entre le fluide caloporteur et le milieu poreux au sein duquel a 131 ~ 9 ~ 333 The subject of the present invention is a method of latent heat storage consisting of storing the heat coming from a hot fluid by passage of this fluid in a storage key element - thermally iso] e. This element of storage contains substance capable of melting / solidifying under the influence of a contribution or a restitution of heat by through a scanning fluid; the melting point of this substance corresponds to supply and consumption temperatures heat.
It is known to store the heat produced by various energy sources, either in the form of sensible heat a fluid, usually water, or a solid, for example pebbles, SOlt in the form of latent heat of change of phase of a body appropriate to the temperature level used.
The first type of storage requires devices of significant volume, the calorific capacity of the substances used;
sées being close to 0.5 cal.g l. (oC) 1, that of water reaching the exceptional value of 1 cal.g. (C). In addition, the level recovery temperature of the stored heat is clearly ~,. .
lower than that of heat input by the energy source gie; on the other hand, in the case of solids like pebbles, a : ::
high resistance to heat transfer between the heat transfer fluid- ~
.
tor and the medium storing the heat still comes to obstruct the interior ~ termination of the process. -Storage as latent heat of fusion allows to store much more heat per unit of storage volume and minimize the loss of tem- -temperature between stored heat and returned heat. Storage latent heat of fu ~ ion has been widely studied for a very wide temperature range using sub-very diverse quantities, mainly fusible salts, para-fines, polymers and metal alloys.
-1-, ~ ''' 1 ~ 4333 . However, a fundamental difficulty in accumulating heat lators in the form of latent heat lie in their implementation: if one uses, for example, a container traversed by a coil through which the fluid circulates coolant and filled with a substance likely to melt or solidify at a temperature compatible with the intakes and the heat requirements, the heat fluxes to the walls.
serpentine will be very weak especially in the phase of solidification corresponding to the return of heat, the heat transfer only taking place by conduction through increasing thickness of solid;, ~ 7 ~
----- .... . _.
9 ~ 33; ~
even in the merger phase corresponding to the storage of heat, heat transfer takes place only by conduction and natural convection which are weak due to the generally high viscosity of substances, in the vicinity of their point of solidification, especially substances a pasty fusion.
To overcome these disadvantages and increase maximum heat flux between the medium storing the heat and the heat transfer fluid, it is necessary to increase the exchange face and reduce the thickness of this storage medium.
Various solutions have already been proposed.
One of the best known is to encapsulate the substance fuse in the form of a granular medium: balls, or -spheroides, in general. But unless you use capsules - ~
very small diameter which poses a micro-encapsulation, and, to limit itself to low temperatures -because the substances that allow this encapsulation are usually polymers - this solution .,. ~
is not of great interest.
`` 20 In the process which is the subject of the present invention, the fusible substance is absorbed on a support finely divided microporous powder, grains or sticks.
, This constitutes a granular bed, within which the heat transfer fluid, liquid or gaseous.
~ The medium storing the heat is thus extremely divided: this results in a very large contact surface and the grains having only 1 or 2 mm of maximum diameter, the thickness of solid within which place the heat conduction is very weak; it -.
a very high overall heat transfer coefficient results high allowing a flu ~ significant transfer between the heat transfer fluid and the porous medium within which
2 -........
lieu.la solidification.ou la ~usio~.de la substance stockant la chaleur. D'autre part, l'ecoulemen:t du fluide caloporteur au sein du lit granulaire peut être trèa.voisin.d'un écoule-.
ment piston, vu la taille des grains utilisés, facilitan.t ainsi la mise en oeu~re de cycles stockage-déstockage~
avec un rendement élevé, et pour une perte de niveau thermique minimale O ' ' Le support poreux est choisi en fonction.de sa capacité d'absorption de la substance fusible et de la stabilité de cette absorption en présence du fluide calopor-.
teur;. en particulier, on a soin de choisir un support poreux .dont la mouillabilité par la substance fusible est nettement ~u~érieur a:.la_mou1llahili~ ar 1rr = _ _ , .i , 1~ 33 fluide caloporteur lorsque ce fluide est un liquide afin d'éviter un déplacement fâcheux - même s'il est progressif - de la subs-tance fusible dans les pores du milieu poreux et son entrainement par le fluide caloporteur.
La granulométrie est choisie par optimisation de différents critères liés à la perte de charge, au flux thermique, :.
a la taille et au coût de l'accumulateur. :
La figure unique décrit un dispositif permettant la réalisation du procédé selon l'invention.
10 Le stockage s'effectue en faisant circuler le fluide :
caloporteur à travers le lit poreux dans le sens ~ figuré sur la figure l; la restitution est effectuée en faisant:circuler le fluide caloporteur soit dans le sens ~ : déstockage:sens direct, ; soit dans le sens ~ : déstockage sens inverse.
Dans cette figure 3 représente le récipient de - stockage thermique isolé, 4 le lit granulaire, 5 les grilles, ou plateaux de soutien et répartiteurs. ~ ~
On prend un soin particulier pour obtenir une bonne :~.
dispersion du fluide caloporteur dans.le lit granulaire afin ~ .:
d'éviter les cheminements préférentiels ou "renardages", s~lon les . ..
règles de l'art observées couramment en génie chimique.
: - L'intérêt d'un tel stockage est donc de disposer, avec un flux thermique élevé, de la totalité de la capacite d~ ..
stockage sans variation importante de température.
- ~ A titre d'illustration non limitative, on peut citer : .
l'exemple suivant: . . .. .
EXEMPLE_1 La substance fusible est de la paraffine dont le polnt de fusion. ---.
est vois.in de 50 C. Elle est choisie pour être compatible avec : 30 le stockage de l'énergie.solaire recueillie à des fins de chauffa-ge domestique, chauffageà eau chaude, chauffage à air chaud, pour ~ - 3 - - .
.
' . ' ' ', ' ' ' '..... . ' , ', ' '.' ' ' . '. ',: ~ .. ' ' ' lequel les problèmes de s.tockage sont particulierement difficiles à resoudre.
Le milieu poreux'est du type charbon actif ou coke en grains ou bâtonnets; il est aisé,de réaliser par immersion du solide dans la paraffine, vers 150C, de préférence sous-vide, un remplissage complet des pores par la paraffine; on obtient alors une absorp-tion de 0/9 g de paraffine par g de charbon actlf.
La capacité de stockage sous forme de chaleur ,laten~e atteint ainsi environ 15 KWh/m3; si on utilise une différence notable de tem-pérature entre le stockage et le déstockage, on doit y ajouterla chaleur sensible de l'ensemble milieu poreux paraffine-fluide .
:
~4~;~i3 ~ . . .
caloporteur atteignant Q,75 K~hlm3 par degré Celsius d'écart si le fluide caloporteur est l'eau et 0,25 KWh/m3 par degr~ Celsius d'écart.si le ~luide caloporteur est de l'air.
On peut également utiliser ce type de stockage a beaucoup plus haute température, avec des sels fondus .
impregnant un matériaux poreux, ou a tr8sbasse température pour stocker des frigories ...
',:
:~
' ~', ' ' ~
.
.
,' ' 2 -........
lieu.la solidification.ou la ~ usio ~ .de la substance stocking the heat. On the other hand, the flow of the heat transfer fluid within the granular bed can be very close to a drain.
piston, given the size of the grains used, facilitan.t thus the implementation ~ re storage-destocking cycles ~
with high efficiency, and for a loss of thermal level minimum O '' The porous support is chosen according to its absorption capacity of the fusible substance and of the stability of this absorption in the presence of heat transfer fluid.
tor; in particular, care is taken to choose a porous support whose wettability by the fusible substance is clearly ~ u ~ érieur a: .la_mou1llahili ~ ar 1rr = _ _ , .i, 1 ~ 33 heat transfer fluid when this fluid is a liquid in order to avoid an unfortunate displacement - even if it is progressive - of the subs-tance fuse in the pores of the porous medium and its drive by the heat transfer fluid.
The particle size is chosen by optimization of different criteria related to pressure drop, heat flow,:.
the size and cost of the accumulator. :
The single figure describes a device allowing carrying out the method according to the invention.
10 Storage is carried out by circulating the fluid:
coolant through the porous bed in the direction ~ shown on Figure 1; restitution is made by: circulating the heat transfer fluid either in the ~ direction: destocking: direct direction, ; either in the ~ direction: destocking in the reverse direction.
In this figure 3 represents the container of - insulated thermal storage, 4 the granular bed, 5 the grids, or support trays and distributors. ~ ~
We take special care to get good: ~.
dispersion of the heat transfer fluid dans.le granular bed so ~.:
avoid preferential pathways or "foxing", according to them. ..
rules of the art commonly observed in chemical engineering.
: - The advantage of such storage is therefore to have, with a high heat flux, the entire capacity of ~.
storage without significant temperature variation.
- ~ By way of nonlimiting illustration, there may be mentioned:.
the following example:. . ...
EXAMPLE_1 The fusible substance is paraffin, the polnt of fusion of which. ---.
is neighbor of 50 C. It is chosen to be compatible with : 30 storage of solar energy collected for heating purposes domestic age, hot water heating, hot air heating, for ~ - 3 - -.
.
'. ''',''''......',',''.''''.',: ~ ..''' which storage problems are particularly difficult to solve.
The porous medium is of the activated carbon or grain coke type or sticks; it is easy to achieve by immersing the solid in paraffin, around 150C, preferably under vacuum, a filling full of pores with paraffin; we then obtain an absorption 0/9 g of paraffin per g of activated carbon.
The storage capacity in the form of heat, laten ~ e thus reaches about 15 KWh / m3; if we use a noticeable difference in time between storage and destocking, we must add the sensible heat of the whole porous paraffin-fluid medium .
:
~ 4 ~; ~ i3 ~. . .
coolant reaching Q, 75 K ~ hlm3 per degree Celsius difference if the heat transfer fluid is water and 0.25 KWh / m3 by degree ~ Celsius of deviation. if the ~ heat transfer fluid is the air.
We can also use this type of storage at a much higher temperature, with molten salts.
permeating porous materials, or at very low temperatures to store frigories ...
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