Study on Xylitol crystallization mechanisms in stirred melts for heat storage applications using phase change materials
Etude des mécanimes de cristallisation du Xylitol en milieu fondu agité : application au stockage thermique par Matériau à Changement de Phase
Résumé
Heat storage is a key component of the flexibility of urban heating networks. In particular, decentralized systems allow to smooth the peak load of the network. Xylitol, a Sugar Alcohol, is a promising Phase Change Material for such an application. However, it has a high and persistent supercooling and a low crystal growth rate which inhibits its crystallization. An external activation is then required to trigger the crystallization and recover the stored latent heat. Previous works showed that integrating a bubbling stirring device at the bottom of the tank allows to trigger efficiently the crystallization. This PhD work aims to provide a better understanding of the nucleation and growth mechanisms involved, to model them and to improve the existing process. A multi-scale approach was adopted. Characterization of the material led to the conclusion that it is likely impossible to trigger Xylitol primary nucleation in reasonable time scales for the studied application. Then, an experimental campaign on small crystallizers showed that coupling bubbling and seeding allows to get fast and reproducible crystallizations of the supercooled melt, thanks to an intense formation of nuclei by surface secondary nucleation, a thermally activated mechanism. After a detailed parametric study of this mechanism, first crystallization kinetic models were proposed. Finally, the crystallization triggering technique was optimized in a shell and tubes latent heat storage prototype (42 kWh): Xylitol supercooling effects on the water outlet temperature of the module were completely removed.
Le stockage thermique est une brique essentielle de la flexibilité des réseaux de chaleur urbains et permet, lorsqu’il est décentralisé, de lisser les appels de puissance sur le réseau. Le Xylitol est un Matériau à Changement de Phase de la famille des Alcools de Sucre très prometteur pour une telle application mais il pose des problèmes importants de surfusion et de croissance cristalline, rendant impossible la restitution de la chaleur latente stockée sans activation externe. Des travaux précédents ont permis de montrer que l’ajout d’un système de bullage en fond de cuve permettait d’amorcer efficacement la cristallisation du Xylitol. Le but de ce travail de thèse est alors de mieux comprendre ces mécanismes de nucléation et de croissance, de les modéliser et d’améliorer les procédés existants. Une approche multi-échelle a été mise en place. A l’échelle du matériau, il a été montré qu’il était impossible d’amorcer la nucléation primaire du Xylitol dans des temps raisonnables pour l’application envisagée. L’étude expérimentale de petits cristallisoirs a ensuite montré que le couplage de l’agitation et de l’ensemencement permet un amorçage rapide et reproductible de la cristallisation du Xylitol surfondu, notamment par nucléation secondaire surfacique, un mécanisme thermiquement activé. Une étude paramétrique détaillée de cette nucléation secondaire a permis de proposer des premiers modèles cinétiques de cristallisation. Enfin, l’optimisation d’une technique d’amorçage de la cristallisation par bullage et ensemencement à l’échelle du démonstrateur (42 kWh) a permis de complétement supprimer la surfusion apparente du Xylitol sur la température de l’eau en sortie du module.
Origine : Version validée par le jury (STAR)