Numerical simulation of sensible and latent thermal energy storage systems

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es la resolución numérica de problemas de transferencia de calor y dinámica de fluidos y su aplicación para el estudio del comportamiento transitorio de sistemas térmicos de acumulación de energía (TES). Tres diferentes sistemas han sido considerados, cubriendo un amplio rango de condiciones de trabajo (desde muy baja de temperatura criogenica hasta muy alta temperatura en plantas CSP) y aplicaciones (desde domestica/residencial hasta energía renovables o de la industria aeroespacial). En este sentido, i) sistemas recuperadores de energía térmica para residencias en el rango de bajo a media temperatura; ii) un acumulador térmico usado un sistema de propulsión criogenica en el espacio en el rango de baja temperatura y; iii) sistema de acumulación térmica del tipo dos tanque para plantas solares de alta concentración en el rango de alta temperatura. La tesis esta dividida en cinco capítulos. El capitulo 2, esta dedicado en presentar la metodología empleada para la resolución computacional de la dinámica de fluidos y problemas de transferencia de calor en un dispositivo con almacenamiento para la recuperación de energía térmica de agua que se vierte al drenaje para viviendas residenciales. El estudio de las características del dispositivo fue realizado usando herramientas numéricas y experimentales. La simulación numérica fue realizada usando la plataforma NEST. La discretización de la ecuaciones de gobierno basadas en técnicas de volúmenes finitos. Correlaciones empíricas especiales han sido implementadas para ser usadas en la resolución numérica del flujo de fluido dentro de una tubería en espiral. Una infraestructura experimental ha sido desarrollada para el análisis del sistema. Diferentes flujos másicos y temperaturas de operación han sido estudiados. Los resultados numéricos han sidos comparados con resultados experimentales. La simulación numéricas realizadas predicen razonablemente bien el comportamiento transitorio de estos dispositivos. El capitulo 3, enfoca su atención en un prototipo de acumulador para baja temperatura usado para sistemas de propulsión criogenica en el espacio. Las simulaciones numéricas fueron realizadas usando la plataforma NEST. En este capitulo, dos modelos numéricos son adaptados, uno para resolver el flujo bifásico a través de tuberías bajo condiciones criogenicas, y otra para solucionar el material de cambio de fase usando un modelo entalpico de malla fija. El análisis numérico se basa en: i) la resolución unidimensional y transitoria de las ecuaciones gobernantes del fluido propulsor; ii) resolución multidimensional y transitoria de las ecuaciones gobernantes en la región ocupada por el material de cambio de fase, incorporando modelo de turbulencia para solucionar el fenómeno de convección que se produce; iii) los elementos solidos son modelados considerando un tratamiento multidimensional y transitorio de la ecuación de la energía. Los resultados numéricos son comparados con resultados experimentales de la literatura. La validación experimental bajo diferentes condiciones de trabajo de fluido criogenico y/o del material de cambio de fase muestra las posibilidades de este modelo para fines de optimización del diseño y de predicción. El capitulo 4, esta enfocado en el desarrollo de modelos numéricos para la simulación de sistemas de acumulación de energía térmica de dos tanques en centrales solares de alta concentración. La simulación numérica fue desarrollada dentro de la plataforma NEST, donde los diferentes elementos que componen el sistema son asociados para solucionar todo el sistema. Algunos elementos del sistema han sido especialmente desarrollados. Los modelos matemáticos consideran el comportamiento transitorio de la sal fundida, el gas de la cavidad, las paredes del tanque y sus aislantes, diferentes configuraciones de cimientos, la radiación entre la sal y las paredes del tanque en la zona de la cavidad del gas

The main objective of this thesis is the numerical resolution of heat transfer and fluid flow problems and its application to study the unsteady behaviour of thermal energy storage (TES) systems. Three different systems have been considered, covering a wide range of working conditions (from very low cryogenic temperature to very high temperature CSP plant) and applications (from domestic/residential to renewable or aerospace industry). In that sense, i) for residential heat recovery systems in the low-to-medium temperature range; ii) a thermal accumulator used in a in-space cryogenic propulsion system in the low temperature range and; iii) the two-tank thermal energy storage system in concentrating solar power (CSP) plants in the high temperature range. The thesis is divided into five chapters. Chapter 2 is devoted to present the methodology employed for the resolution of Computational Fluid Dynamics (CFD) and Heat Transfer problems in a drain water heat recovery (DWHR) storage-type unit for residential housing. The study of the performance of this device has been carried out using both numerical and experimental tools. The numerical simulation has been performed using the NEST platform, where the different elements of the DWHR storage are linked to solve the system. The discretisation of the governing equations based on finite volume techniques (FVM) is presented. Numerical techniques such as the discretisation schemes, boundary conditions implementation and solution procedure for incompressible and transient flow problems are shown. Special empirical correlations have been implemented to be used in the numerical resolution of the single-phase flow inside the coiled pipe. An experimental infrastructure has been developed to analyse the whole system. Different internal flow rates and operational temperatures have been studied. The numerical results are compared against experimental results. The numerical simulations performed predict reasonably the transient behaviour of the DWHR storage device. Chapter 3 focuses the attention on a Low Temperature Accumulator prototype used in an in-space cryogenic propulsion system. The numerical simulation has been carried out using the NEST platform, where the different elements of the thermal accumulator are linked to solve the whole system. In this chapter, two numerical models have been adapted, one used to solve the two-phase flow inside ducts working under cryogenic conditions, and another to solve the PCM using a fixed-grid enthalpy model. The numerical analysis is based on: i) a one-dimensional and transient resolution of the governing equations for the fluid flow of propellant; ii) a multi-dimensional and transient resolution of the governing equations in the region occupied by the PCM, incorporating a model for the turbulence to solve the convection phenomena involved; iii) the solid elements are modelled considering a multidimensional and transient treatment of the thermal conduction equation. The numerical results are compared against experimental results from the literature. The experimental validation under different working conditions of the cryogenic flow and/or the PCM material shows the possibilities of this model for design optimization and prediction purposes. Chapter 4 is focused on the development of a numerical model for the simulation of the two-tank thermal energy storage system in concentrating solar power (CSP) plants. The numerical simulation has been performed using the NEST platform, where the different elements of the two-tank storage are linked to solve the system. Some elements of the system have been specifically developed. The mathematical model considers the transient behaviour of the molten salt fluid, the gas ullage, the tank walls and insulation, different configuration of the foundation, radiation exchange between the salt and the tank walls in the ullage. A parametric study of the two-tank storage system has been done, in order to identify