Multi-scale modelling approach of a steam storage with Phase Change Materials integrated into a thermal process
Approche multi-échelles pour la modélisation d'un stockage thermique de vapeur par matériau à changement de phase intégré dans un système
Résumé
In the context of energy transition, steam storage is a crucial element for recovering waste heat in the form of steam and for solar-dependent industrial processes, where it allows adjusting the power generated by the heat source to the process's needs. Furthermore, steam storage plays a vital role in the context of direct steam generation in solar thermal power plants. In this thesis, shell-and-tube Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) systems using Phase Change Material (PCM) are studied. In these systems, heat is stored at nearly constant temperature using the latent heat of PCM phase change. Most PCM suffer from low thermal conductivity, limiting the thermal power of the storage. To address this issue, metallic fins or inserts with specific geometrical shapes are generally placed on the external surface of the tubes to enhance the thermal exchange between the heat transfer fluid and the PCM. Additionally, various physical phenomena are at play in this type of storage. In the PCM region, the solid/liquid phase transition and the natural convection movements of the liquid PCM often influence heat transfers. The main objective of this thesis is to investigate the influence of different physical phenomena and storage geometries on the module's performance using a Computational Fluid Dynamics (CFD) model. Subsequently, the development of a multi-scale modeling approach would pave the way for establishing generic laws governing heat transfer within the storage system. These laws, expressed as correlations, would then be integrated into a system model, facilitating the rapid and efficient design of an industrial-scale storage system. Initially, two modeling approaches to the phase change problem at the system level were developed. The first approach involves discretizing the domain containing the PCM and fins radially (1D radial model). The second approach, on the other hand, does not discretize this volume (0D radial model) but directly evaluates heat transfers within the storage using correlations derived from CFD. Both models were coupled with a model representing two-phase liquid water / steam flow inside the tubes and validated using experimental data from a prototype installed at CEA Grenoble. Subsequently, a fine-mesh 3D CFD model was developed to simulate the various physical phenomena at play in a representative storage module geometry. CFD-scale simulations quantified the impact of natural convection on the thermal performance during the charging phase. Furthermore, parametric studies on the geometric configuration and thermal properties of radial fins were conducted. The investigated parameters include pitch, thickness, length, and thermal conductivity of the fins. The influence of each geometric parameter on thermal transfers (conductive and convective) was investigated and led to the establishment of generic correlations regarding the storage power. These correlations were then integrated into the 1D system model, capable of reproducing CFD model results while significantly reducing computational resources. Notably, simulating a complete charging phase typically requires 2 to 3 days of calculations using the CFD model. However, thanks to the system model, this duration is reduced to a few seconds.
Dans le cadre de la transition énergétique, le stockage de vapeur est un élément essentiel pour la récupération de la chaleur fatale sous forme de vapeur ainsi que pour les procédés industriels dépendants de l'énergie solaire où il permet d'adapter la puissance produite par la source de chaleur aux besoins du procédé. Le stockage de vapeur revêt par ailleurs une importance primordiale dans le contexte des centrales solaires thermiques à génération directe de vapeur. Dans cette thèse, les systèmes de stockage de type tubes-calandre par Matériau à Changement de Phase (dit MCP) sont étudiés. Dans ces systèmes, la chaleur est stockée à une température quasi-constante via la chaleur latente de changement de phase des MCP. La plupart des MCP ont pour inconvénient d'avoir une faible conductivité thermique, ce qui limite la puissance thermique du stockage. Pour cela des ailettes ou inserts ayant des formes géométriques spécifiques sont disposées sur la surface externe des tubes afin d'intensifier les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le MCP. En outre, plusieurs phénomènes physiques sont en jeu dans ce type de stockage. Dans le MCP, les transferts de chaleur sont souvent influencés par la transition de phase solide/liquide, ainsi par les mouvements de convection naturels du MCP liquide. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier l'influence des différents phénomènes physiques et des configurations géométriques du stockage sur la performance du module de stockage à partir d'un modèle mécanique des fluides numériques (Computational Fluid Dynamics ou CFD). Ensuite, le développement d'une approche de modélisation multi-échelles ouvrirait la voie à l'établissement de lois génériques régissant les transferts de chaleur au sein du système de stockage. Ces lois, exprimées sous forme de corrélations, seraient ensuite intégrées dans un modèle système, facilitant ainsi le dimensionnement rapide et efficient d'un système de stockage à l'échelle industrielle. Dans un premier temps, deux approches de modélisation du problème de changement de phase à l'échelle des systèmes ont été développées. La première approche implique une discrétisation du domaine contenant le MCP et les ailettes dans la direction radiale (modèle 1D radial). La seconde approche, en revanche, ne procède pas à une telle discrétisation de ce volume (modèle 0D radial), mais évalue directement les transferts thermiques au sein du stockage à partir des corrélations issues de la CFD. Ces deux modèles ont été couplés à un modèle représentant les écoulements diphasiques eau liquide/vapeur à l'intérieur des tubes, et ont été validés au moyen de données expérimentales provenant d'un prototype installé au CEA Grenoble. Dans un second temps, un modèle 3D CFD à maille fine a été développé pour simuler sur une géométrie représentative du module de stockage les différents phénomènes physiques en jeu. Les simulations à l'échelle CFD ont permis de quantifier l'impact de la convection naturelle sur les performances thermiques du stockage en phase de charge. En outre, des études paramétriques sur la configuration géométrique et les propriétés thermiques des ailettes radiales ont été réalisées. Les paramètres investigués sont le pas, l'épaisseur, la longueur, et la conductivité thermique des ailettes. L'influence de chaque paramètre géométrique sur les transferts thermique (conductifs et convectifs) a été investiguée et a permis d'établir des corrélations génériques sur la puissance du stockage. Ces corrélations ont ensuite été intégré dans le modèle système 1D capable de reproduire les résultats du modèles CFD, tout en permettant une significative réduction des ressources informatique requises. Notamment, la simulation d'une phase de charge complète requiert généralement de 2 à 3 jours de calcul par le modèle CFD. Toutefois, grâce au modèle système, cette durée est réduite à quelques secondes.
Domaines
Génie des procédés| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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