Utilisation de matériau à changement de phase pour optimiser le stockage d'air comprimé et les performances des systèmes hybrides éolien-diesel

RÉSUMÉ: Les génératrices utilisant le diesel alimentent les sites isolés en électricité au Canada. En vue de palier aux difficultés liées à l’utilisation de diesel, le système hybride éolien - diesel jumelé avec stockage par air comprimé offre une des meilleures options. Le système thermique par chaleur latente avec les capsules sphériques contenant le matériau à changement de phase (MCP) est adopté dans cette étude comme unité de stockage thermique à cause de sa grande densité thermique et une température stable pendant une bonne période lors du processus de chargement. Le matériau à changement de phase est sélectionné suivant une méthode scientifique, analyse hiérarchique de procédé (AHP). Cette unité de stockage thermique est intégrée dans le système hybride éolien - diesel pour permettre la suralimentation du moteur diesel dans le cas de système à moyenne échelle. Le système thermique est modélisé et simulé pour montrer la variation de la température pendant le chargement et déchargement de l’air. L’air stocké sous haute pression et une température déterminée sert à la suralimentation supplémentaire du moteur diesel. Ces deux variables thermodynamiques (pression et température) doivent être évaluées pour une amélioration de l’efficacité énergétique du moteur diesel.Enfin, les performances du moteur diesel sont déterminées en faisant une suralimentation supplémentaire sur un moteur dont les caractéristiques techniques sont connues. Pour le cas consideré, le MCP sélectionné selon AHP est Formic Acid. Et les résultats de simulation montrent une amélioration de performances du moteur diesel MAN D2876 E301 en termes de puissance, rendement et consommation spécifique. -- Mot(s) clé(s) en français : système thermique, suralimentation, matériau à changement de phase, diesel, éolien, AH, super Decisions. -- ABSTRACT: Diesel generators are used to supply electricity to isolated sites in Canada. To overcome the difficulties associated with the use of this fuel, the hybrid wind-diesel system coupled with compressed air storage offers one of the best options. A latent heat system with the spherical capsules containing the phase change material (PCM) is adopted as a thermal storage unit for this reaserch thanks to its high thermal density and a stable temperature outlet for a period during the charging process. The phase change material is selected according to a scientific method, Analytical hierarchy process. This thermal system is integrated in the hybrid wind-diesel system to allow the supercharging of the diesel engine for the medium-scale.The thermal system is modeled and simulated to show the variation of the temperature inside of the storage unit. Air stored at high pressure and a certain temperature is used for the supplementary supercharging of the diesel engine. These two thermodynamic variables (pressure and temperature) must be evaluated to improve the efficiency of the diesel engine. Finally, the performance of the diesel engine is determined by doing an extra supercharging on an engine whose technical characteristics are known. For the case considered, the PCM selected according to AHP is Formic Acid. And the simulation shows an improvement of the MAN D2876 E301 diesel engine in terms of power, efficiency and specific consumption. -- Mot(s) clé(s) en anglais : thermal system, supercharging, phase change material, diesel, wind, AHP, super Decisions

Modelling and design of a latent heat thermal storage system with reference to solar absorption refrigeration

M.Ing.The research in this thesis focuses on the theoretical thermal modelling and design of a Latent Heat Storage system (LHS) for an absorption refrigeration machine. A shell-and-tube latent heat storage exchanger retaining any excess solar thermal energy is selected. Here, solar thermal energy supplied by a collector is transferred to and stored by the LHS. During low insolation, stored thermal energy is transferred by a Heat Transfer Fluid (HTF) into the generator, a component of an Ammonia Absorption Refrigerator (AAAR), to ensure efficiency of the cooling cycle. The shell-and-tube LHS contains Phase Change Material (PCM) which fills space outside the tube heat exchangers. The HTF flowing through the tubes exchanges thermal energy with the PCM. The selection of a suitable PCM for a LHS is based on several factors. A primary criterion for an efficient, reliable storage unit is the correct melting point of the PCM at a desired operating temperature of the heating application. An analytical model describing both the freezing process in the PCM and increased HTF temperature in the tube heat exchangers is investigated. The model is developed using energy balance equations. It is solved in terms of dimensionless parameters. The thermal resistance of the tube heat exchangers is considered for this model. From the result of the analytical model, the design approach to size the LHS is provided and the different steps are given in order to determine the volume, mass, number of tube heat exchangers, inner and outer radius of the tube heat exchangers and other parameters of the LHS. The dimensions of LHS are given as a function of a storage period, PCM properties, HTF properties, inner and outer radius of the tube heat exchangers, material of construction of the tube heat exchangers and the nature of load on the heating process. Simulations from the analytical model developed are provided for the output thermal parameters of the storage system. These thermal parameters of the shell-and-tube latent exchanger are given in terms of the HTF outlet temperature, the front solidification of the PCM and the heat transfer rate during the solidification process of the PCM. A case study to demonstrate the application of the design approach with respect to the size shell-and-tube latent heat exchanger is provided.The integration of the tube heat exchangers thermal conductivity in the modelling of the LHS resulted in an increase of 2% in mass of the storage material compared to an analytical model neglecting the thermal conductivity of the tube heat exchangers. The results of the model developed compared well with the results obtained from other analytical models at similar operating conditions

Utilisation de matériau à changement de phase pour optimiser le stockage d'air comprimé et les performances des systèmes hybrides éolien-diesel

RÉSUMÉ: Les génératrices utilisant le diesel alimentent les sites isolés en électricité au Canada. En vue de palier aux difficultés liées à l’utilisation de diesel, le système hybride éolien - diesel jumelé avec stockage par air comprimé offre une des meilleures options. Le système thermique par chaleur latente avec les capsules sphériques contenant le matériau à changement de phase (MCP) est adopté dans cette étude comme unité de stockage thermique à cause de sa grande densité thermique et une température stable pendant une bonne période lors du processus de chargement. Le matériau à changement de phase est sélectionné suivant une méthode scientifique, analyse hiérarchique de procédé (AHP). Cette unité de stockage thermique est intégrée dans le système hybride éolien - diesel pour permettre la suralimentation du moteur diesel dans le cas de système à moyenne échelle. Le système thermique est modélisé et simulé pour montrer la variation de la température pendant le chargement et déchargement de l’air. L’air stocké sous haute pression et une température déterminée sert à la suralimentation supplémentaire du moteur diesel. Ces deux variables thermodynamiques (pression et température) doivent être évaluées pour une amélioration de l’efficacité énergétique du moteur diesel.Enfin, les performances du moteur diesel sont déterminées en faisant une suralimentation supplémentaire sur un moteur dont les caractéristiques techniques sont connues. Pour le cas consideré, le MCP sélectionné selon AHP est Formic Acid. Et les résultats de simulation montrent une amélioration de performances du moteur diesel MAN D2876 E301 en termes de puissance, rendement et consommation spécifique. -- Mot(s) clé(s) en français : système thermique, suralimentation, matériau à changement de phase, diesel, éolien, AH, super Decisions. -- ABSTRACT: Diesel generators are used to supply electricity to isolated sites in Canada. To overcome the difficulties associated with the use of this fuel, the hybrid wind-diesel system coupled with compressed air storage offers one of the best options. A latent heat system with the spherical capsules containing the phase change material (PCM) is adopted as a thermal storage unit for this reaserch thanks to its high thermal density and a stable temperature outlet for a period during the charging process. The phase change material is selected according to a scientific method, Analytical hierarchy process. This thermal system is integrated in the hybrid wind-diesel system to allow the supercharging of the diesel engine for the medium-scale.The thermal system is modeled and simulated to show the variation of the temperature inside of the storage unit. Air stored at high pressure and a certain temperature is used for the supplementary supercharging of the diesel engine. These two thermodynamic variables (pressure and temperature) must be evaluated to improve the efficiency of the diesel engine. Finally, the performance of the diesel engine is determined by doing an extra supercharging on an engine whose technical characteristics are known. For the case considered, the PCM selected according to AHP is Formic Acid. And the simulation shows an improvement of the MAN D2876 E301 diesel engine in terms of power, efficiency and specific consumption. -- Mot(s) clé(s) en anglais : thermal system, supercharging, phase change material, diesel, wind, AHP, super Decisions