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UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE DEPARTEMENT DE CHIMIE INDUSTRIEL

UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE DEPARTEMENT DE CHIMIE INDUSTRIELLE ETUDE NUMERIQUE COMPARATIVE DES TROIS GEOMETRIES (CUBIQUE, SPHERIQUE ET CYLINDRIQUE) D’UNE CUVE DE STOCKAGES THERMIQUES EN SABLE SUR LE LOGICIEL COMSOL MULTIPHYSICS Projet individuel Présenté et défendue par KANGWESE SIVALINGANA Schekinah En vue de l’obtention du grade de Bachelier en Sciences de l’Ingénieur Juin 2021 UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE DEPARTEMENT DE CHIMIE INDUSTRIELLE ETUDE COMPARATIVE NUMERIQUE DE TROIS GEOMETRIE (CUBIQUE, SPHERIQUE ET CYLINDRIQUE) D’UNE CUVE DE STOCKAGES THERMIQUES EN SABLE SUR LE LOGICIEL COMSOL MULTIPHYSICS ANNEE ACADEMIQUE2019-2020 Projet individuel Présenté et défendue par KANGWESE SIVALINGANA Schekinah En vue de l’obtention du grade de Bachelier en Sciences de l’Ingénieur Directeur : Professeur Ordinaire MPIANA CHRISTOPHER Encadreur : Master. Ir KABEYA MAKOBO DANIEL RESUME L’objectif de ce travail est de déterminer la plus performante de trois formes géométriques (cubique, cylindrique et sphérique), d’une cuve de stockage thermique en sable. Les investigations scientifiques nous ont permis de faire des analyses thermiques par des simulations numériques via le logiciel COMSOL Multiphysics. Les analyses thermiques ont été réalisées et les résultats des simulations en 2D et 3D ont montré l’impact d’une géométrie sur une cuve de stockage thermique d’après ses performances qui sont le temps de stockage et l’efficacité thermique. En utilisant le sable comme milieu de stockage thermique, les analyses de l’impact de la géométrie sur une cuve de stockage thermique ont montré quel était le temps de stockage thermique nécessaire pour chaque géométrie ainsi que les efficacités thermiques respective dans chaque milieu de stockage. D’après les résultats obtenus on est en mesure de dire qu’une cuve de stockage thermique de géométrie cubique est la meilleure de deux autres ; c’est à dire qu’en termes de temps de stockage soit de 4h30min ; le système emmagasine la chaleur correctement jusqu’à atteindre le palier soumis de 378.15°K. Tandis qu’un système sphérique nécessite 38h de chargement et un système cylindrique 93 min de chargement. On constate également que le système cubique est stable d’après le comportement du matériau (le sable) le long du temps de stockage comparativement aux deux autres géométries. Ainsi on peut dire qu’un système cubique est plus performant non seulement en termes de temps de stockage et en terme du comportement du milieux de stockage durant le chargement mais aussi en termes d’efficacité thermique soit de 0.9988 pour le cube ; pour le système sphérique soit 0.9977 et pour le cylindrique soit 0.9893. I TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES ........................................................................................................... I LISTE DES TABLEAUX ......................................................................................................... V LISTE DES FIGURES ............................................................................................................. VI LISTE DES ABREVIATIONS ............................................................................................. VIII REMERCIEMENTS ................................................................................................................. X DEDICACE .............................................................................................................................. XI INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................ 1 CHAPITRE 1. GENERALITES ET MATERIAUX SUR LE STOCKAGE THERMIQUE .... 2 1.1. INTRODUCTION ............................................................................................................... 2 1.2. PHENOMENE THERMIQUES FONDAMENTALES .............................................................. 2 1.2.1 Transfert thermique .................................................................................................. 2 1.2.2. Energie thermique .................................................................................................... 3 1.2.3. Température ............................................................................................................. 3 1.3. MODES DE TRANSFERT THERMIQUE ............................................................................... 3 1.3.1. Conduction thermique ............................................................................................. 4 1.3.2. Convection thermique .............................................................................................. 4 1.3.3. Rayonnement thermique ........................................................................................ 5 1.4.1. Stockage par chaleur latente .................................................................................... 6 1.4.2. Stockage par chaleur sensible .................................................................................. 7 1.4.3. Stockage par chaleur thermochimique .................................................................... 7 1.5. MATERIAUX DE STOCKAGE THERMIQUE ........................................................................ 8 1.5.1. Matériaux de stockage sensible ............................................................................... 9 1.5.2. Matériaux de stockage latent (R. OSPIAN ,2018) .................................................. 12 1.5.3. Matériaux à stockage thermochimique ................................................................. 12 1.6. CHOIX D’UN MATERIAU DE STOCKAGE ......................................................................... 13 1.6.1. Efficacité et cout du matériau ................................................................................ 13 1.6.2. Capacité calorifique du matériau ........................................................................... 13 II 1.6.3. Encombrement, Sécurité et impacts sur l’environnement .................................... 13 CHAPITRE 2. RESOLUTION NUMERIQUE D’UN PROBLEME THERMIQUE ............ 15 2.1. INTRODUCTION ............................................................................................................. 15 2.2. METHODE DES ELEMENTS FINIS .................................................................................... 15 2.3. METHODE DES DIFFERENCES FINI (FDM) ...................................................................... 16 2.4. METHODE SPECTRALE ................................................................................................... 17 2.5. METHODE DE VOLUME FINI (FVM) ............................................................................... 18 2.6. RESOLUTION INSTATIONNAIRE DE L’EQUATION DE ..................................................... 19 CHALEUR PAR LA METHODE DE VOLUMES FINIS (2D) ......................................................... 19 2.7. RESOLUTION DE L’EQUATION DE CHALEUR PAR LA ..................................................... 21 METHODE DE VOLUME FINIS (3D) ....................................................................................... 21 2.7.1. Application de la méthode des volumes finis au système cubique ....................... 21 2.7.2. Application de la méthode des volumes finis au système cylindrique .................. 22 2.7. 3. Application de la méthode des volumes finis au système sphérique ................... 23 2.8. MAILLAGES .................................................................................................................... 23 2.8.1. Maillage uniforme et non uniforme ....................................................................... 23 2.9. ERREURS DE LA RESOLUTION NUMERIQUE .................................................................. 25 CHAPITRE 3. METHODOLOGIE, MATERIAUX ET .......................................................... 29 LOGICIEL DE SIMULATION ............................................................................................... 29 3.1. INTRODUCTION ............................................................................................................. 29 3.2. METHODOLOGIE ............................................................................................................ 29 3.3. MATERIAUX ................................................................................................................... 30 3.3.1 Matériaux de stockage thermique .......................................................................... 30 3.3.2 Isolation thermique du volume d’étude ................................................................. 31 3.4 SIMULATIONS SUR COMSOL .......................................................................................... 32 3.4.1. Présentation du logicielle COMSOL ........................................................................ 32 3.4.2. Paramètre de simulation des 3 géométries en 2 dimensions (2D) ........................ 33 3.4.3. Paramètre de simulation des 3 géométries en 3 dimensions (3D) ........................ 35 CHAPITRE 4. PRESENTATION DES RESULTATS DE LA SIMULATION ET ANALYSE ............................................................................................................................... 37 III 4.1. INTRODUCTION ............................................................................................................. 37 4.2. RESULTATS DE SIMULATION TRANSITOIRE SUR COMSOL EN ....................................... 37 4.2.1. Résultats de la simulation 2D temporelle de la température dans système cubique .......................................................................................................................................... 37 4.2.2. Résultats de la simulation 2D temporelle de la température dans un système sphérique .......................................................................................................................... 44 4.2.3. Résultats de la simulation 2D temporelle de la température dans système cylindrique ........................................................................................................................ 56 4.3. RESULTATS DE SIMULATION TRANSITOIRE SUR COMSOL EN ....................................... 61 4.3.1. Résultat de la simulation 3D transitoire de la température dans système cubique .......................................................................................................................................... 61 4.3.2. Résultat de la simulation 3D transitoire de la température dans système sphérique .......................................................................................................................... 69 4.3.2. Résultat de la simulation 3D transitoire de la température dans système cylindrique ........................................................................................................................ 81 4.4. ETUDES DE L’EFFICACITE THERMIQUES ........................................................................ 86 4.4.1. L’efficacité thermique sur la géométrie cubique ................................................... 87 4.4.2. L’efficacité thermique sur la géométrie sphérique ................................................ 88 4.4.3. L’efficacité thermique sur la géométrie cylindrique .............................................. 89 4.5. INTERPRETATION DES RESULTATS ................................................................................ 90 CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 92 REFERENCES BIBLIOGRAPHIES ....................................................................................... 93 V LISTE DES TABLEAUX Tableau 1-1 Expression de la température dans différentes unités ............................................ 3 Tableau 1-2 classification des sels fondus en fonction de la température nécessaire. ............. 10 Tableau 1-3 propriétés des matériaux solides utilisés dans le stockage thermique .................. 11 Tableau 1-4 Avantages et inconvénients des matériaux solides en stockage thermique sensible .................................................................................................................................................. 11 Tableau 1-5 la caractéristique des trois catégories des MCP ................................................... 12 Tableau 2-1 relation entre surfaces........................................................................................... 21 Tableau 2-2 relation entre surface ............................................................................................ 22 Tableau 3-1 paramètres thermo-physique du sable fin............................................................. 31 Tableau 3-2 paramètres thermo physique du polystyrène ........................................................ 32 Tableau 4-1 : Distribution de la propagation en profondeur de la température en fonction du temps dans une cuve de stockage thermique de géométrie cubique ........................................ 68 Tableau 4-2 distribution de la propagation en profondeur de la température en fonction du temps dans une cuve de stockage thermique de géométrie sphérique ..................................... 79 Tableau 4-3 : Distribution en profondeur de la température en fonction du temps dans une cuve de stockage thermique de géométrie cylindrique ............................................................ 85 VI LISTE DES FIGURES Figure 1-2 Transfert du flux de chaleur par conduction ............................................................. 4 Figure 1-4 Transfert de chaleur par rayonnement ...................................................................... 5 Figure 2-1 maillage d’un volume de contrôle .......................................................................... 20 Figure 2-2 maillage mis distant non uniforme ......................................................................... 24 Figure 2-3 maillage centré non uniforme ................................................................................. 25 Figure 4-1 distribution de la température dans une cuve cubique pendant 5min ..................... 39 Figure 4-2 distribution cubique de la température dans le lit de sable pendant 30mim ........... 40 Figure 4-3 distribution cubique de la température dans le lit de sable pendant 1h .................. 41 Figure 4-4 distribution cubique de la température dans le lit de sable pendant 3h .................. 42 Figure 4-5 distribution cubique de la température dans le lit de sable pendant 4H30min ....... 43 Figure 4-6 Distribution de la température dans une cuve sphérique pendant 5mim ................ 46 Figure 4-7 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 30min ......... 47 Figure 4-8 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 1h .............. 48 Figure 4-9 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 2h ............... 49 Figure 4-10 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 3h ............. 50 Figure 4-11 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 4h ............. 51 Figure 4-12 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 5h ............. 52 Figure 4-13 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 20h ........... 53 Figure 4-14 distribution sphérique de la température dans le lit de sable pendant 38h ........... 54 Figure 4-15 Distribution de la température dans une cuve cylindre pendant 5min.................. 57 Figure 4-16 distribution cylindrique de la température dans le lit de sable pendant 30min .... 58 Figure 4-17 distribution cylindrique de la température dans le lit de sable pendant 60mim ... 59 Figure 4-18 distribution cylindrique de la température dans le lit de sable pendant 93min .... 60 Figure 4-19 distribution cubique de la température dans le lit de sable pendant 5min ............ 62 Figure 4-20 distribution cubique de la température dans le lit de sable pendant uploads/Geographie/ recherche-de-la-meilleure-geometrie-stockage-de-chaleur-sivaligana-chekina-et-serge.pdf