Intensification des transferts de chaleur en régime turbulent pour le développement d'un récepteur solaire surfacique à haute température en céramique

Heat transfer intensification in turbulent flow for the developpement of a high temperature plate solar receiver in ceramic

• Auteur / Autrice : Arnaud Colleoni
• Direction : Gabriel Olalde, Adrien Toutant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Perpignan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Rayonnement solaire

Échangeurs de chaleur

Turbulence

Résumé

Ce travail a pour but de développer un récepteur surfacique en céramique permettant le chauffage de gaz à haute température pour alimenter un cycle de Brayton. Ce manuscrit retranscrit le travail effectué depuis l’approche fondamentale de l’étude des écoulements turbulents fortement anisothermes dans un échangeur à chauffage asymétrique jusqu’à la réalisation d’un prototype de module testé au foyer du grand four solaire d’Odeillo. Pour ce faire plusieurs niveaux de simulations et d’expériences sont entrepris, dont la complémentarité permet l’étude de l’écoulement et des transferts de chaleur dans un récepteur solaire à haute température. Tout d’abord, des simulations numériques moyennées, de type RANS, et fines, de type LES, sont réalisées afin d’optimiser et d’étudier une architecture interne innovante d’absorbeur, dont le but est d’intensifier les transferts de chaleur par convection forcée tout en maîtrisant les pertes de charge, dans des conditions reproductibles en soufflerie. Les conditions opératoires de la soufflerie permettent, grâce notamment à des diagnostics optiques SPIV, de réaliser une évaluation du potentiel de prédiction des simulations et de définir les corrélations caractéristiques de l’architecture interne étudiée. Cependant, ces corrélations ne sont pas valables dans les conditions opératoires d’un récepteur solaire, trop sévères pour être reproduites en soufflerie (notamment le niveau élevé de température). La réalisation de simulations plus globales du module solaire et d’expériences en conditions réelles de fonctionnement doit permettre d’apporter une correction aux corrélations établies. Lors de la réalisation d’un absorbeur solaire en carbure de silicium, l’architecture interne est adaptée et une attention particulière est portée sur les contraintes thermomécaniques dues aux gradients thermiques et à son implantation dans les installations d’essais.

The conducted research is about the development of an efficient solar plate absorber/receiver in silicon carbide to supply a gas turbine of a Brayton thermodynamic cycle. This report presents the work undertaken from fundamental study of anisothermal turbulent flows in heat exchanger with asymmetrical heating to the design and test of a small scale solar receiver in the solar furnace of Odeillo. Simulations and experimentations at several scales are carried out with a complementarity allowing for the study of flow and heat transfer inside a high temperature solar receiver. First of all, RANS and LES numerical simulations are carried out to optimize and study an innovative internal geometry, to enhance convective heat transfer while minimizing pressure losses, in operating conditions repeatable in wind tunnel, so at a lower temperature. The wind tunnel is highly instrumented, using in particular SPIV optical diagnostics, to assess the prediction of numerical simulation and to define correlations featuring the studied internal geometry. However, those correlations are not valid in solar receiver operating conditions, too severe to be repeated in wind tunnel (mainly the high temperature). Global simulations of a solar module and experimentations in real-life conditions should allow for a correlations rectification. When designing a small scale solar receiver in silicon carbide, the internal geometry is adapted and a particular attention is paid to the reduction of thermo mechanical stresses due to thermal gradients and the implementation of the receiver in the test facility.