Écoulement et transfert de chaleur dans les récepteurs solaires tubulaires à lits fluidisés

Flow and heat transfer in fluidized bed tubular solar receivers

• Auteur / Autrice : Ronny Gueguen
• Direction : Françoise Bataille, Samuel Mer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 20/07/2023
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Lounès Tadrist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Ansart, Régis Olivès, Gilles Flamant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nouria Fatah, Paul-Antoine Santoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centrales solaires

Capteurs solaires

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Lit Fluidisé

Récepteur Solaire

Transfert de Chaleur

Ecoulement Particulaire

Régimes de Fluidisation

Solaire à Concentration

Fluidized Bed

Solar Receiver

Heat Transfer

Particle Flow

Fluidization Regimes

Concentrated Solar Power

Résumé

Dans un contexte de production d’électricité par une centrale solaire à concentration, l’utilisation de particules comme fluide caloporteur dans le récepteur solaire est une solution attractive pour augmenter le rendement global de la centrale et permettre le stockage d’énergie. Le laboratoire PROMES (France) développe depuis les années 2010 un concept de récepteur solaire utilisant une suspension dense de particules fluidisées comme fluide caloporteur. Les particules y circulent verticalement dans des tubes métalliques de forts ratios hauteur/diamètre, exposés au flux solaire concentré, grâce à la combinaison d’une surpression dans le lit fluidisé nourrice et d’une injection d’air secondaire en bas des tubes. Des études numériques et expérimentales à petites échelles ont montré l’intérêt d’un tel concept en atteignant des températures de particules en sortie du récepteur supérieures à 700 °C. Ces hautes températures sont supérieures aux limites imposées par les fluides caloporteurs classiquement utilisés dans des centrales à tour industrielles, permettant la mise en place de cycles thermodynamiques à hauts rendements en sortie de récepteur. Cependant, cela implique de fortes pertes thermiques, ce qui diminue le rendement global du système.Dans l’objectif de diminuer ces pertes et ainsi d’augmenter l’efficacité thermique du récepteur, un modèle thermique simplifié de récepteur solaire à grande échelle a été développé. Une cavité est intégrée autour de l’absorbeur, alors constitué de plusieurs centaines de tubes, et l’impact de la géométrie du récepteur sur ses performances est étudié. Il résulte de ce modèle que la surface d’ouverture de la cavité ainsi que sa distance par rapport au récepteur impactent considérablement les pertes thermiques. Avec une puissance du récepteur d’environ 50 MWth, un rendement thermique de 85 % est atteint pour une surface d’ouverture de la cavité de 25 m², montrant l’intérêt de cette dernière pour atteindre des efficacités similaires à celles des récepteurs solaires à sels fondus.Un des verrous principaux liés à la technologie du récepteur solaire tubulaire à particules fluidisées est l’apparition de différents régimes de fluidisation dans les tubes du récepteur en fonction des conditions opératoires. Deux dispositifs expérimentaux ont été conçus pour des études à température ambiante et sous flux solaire concentré, en utilisant des particules d’olivine appartenant au groupe A de la classification de Geldart circulant dans un tube récepteur de plus de 3,30 m de hauteur et de 45 mm de diamètre interne. Le comportement de la suspension de particules a été étudié à travers une large gamme de paramètres expérimentaux. Des températures de particules en sortie du système de 680 °C ont été obtenues, ainsi que des rendements thermiques de 70 %. Des coefficients de transfert de chaleur globaux entre les particules et les parois du tube de 1000 W/(m²K) ont été mesurés.Plusieurs méthodes de traitement du signal ont été appliquées à des signaux de pression relatifs et différentiels enregistrés à différentes hauteurs du tube. Par combinaison de ces méthodes, les régimes de bullage, de pistonnage (de paroi et axisymétrique), de fluidisation turbulente et de fluidisation rapide ont été identifiés. Il découle de cette analyse que le nombre de Reynolds de glissement doit être considéré afin de pouvoir établir des diagrammes complets des régimes de fluidisation et de leurs transitions, conditionnés par gamme de température. Les transitions entre les régimes diminuent avec la température, et sont significativement plus basses que dans les systèmes classiques suite au contrôle de la circulation des particules spécifique à ce concept. De plus, les transferts de chaleur entre les parois et les particules sont plus intenses en régime de fluidisation turbulente, et augmentent avec la température.

To produce electricity from solar energy with a concentrated solar power plant, the use of particles as both heat transfer fluid in the solar receiver and storage medium appears to be very attractive to increase the global plant cost and efficiency. In this context, PROMES Laboratory (France) develops since the 2010s a concept of solar receiver using a dense suspension of fluidized particles as heat transfer fluid. The particles circulate upward in metallic tubes of high aspect ratio (height over diameter), exposed to the concentrated solar flux, thanks to both an overpressure in the vessel fluidized bed and a secondary air injection at the bottom of the tubes. Several numerical and experimental studies at low scales demonstrated the interest of such solar receiver concept by reaching particle temperature at the outlet of the receiver higher than 700 °C. These high temperatures are higher than the limits imposed by the heat transfer fluid commonly used in industrial solar towers. It enables the use of highly efficient thermodynamic cycles at the outlet of the receiver. However, it results in strong thermal losses that decreases the overall plant efficiency. In order to decrease these losses and to increase the receiver efficiency, a simplified thermal model of a solar receiver at industrial scale has been developed. A cavity is integrated around the solar absorber, constituted of hundreds of tubes, and the influence of the cavity geometry on the receiver thermal performances has been studied. It comes that the aperture area of the cavity and its distance with the receiver strongly modify the thermal losses of the system. With a receiver power of 50 MWth, a thermal efficiency of 85 % is then obtained for a cavity aperture of 25 m², proving the interest of the latter to reach similar efficiencies than the receivers using molten salts. One of the main drawbacks of this technology of solar receiver using fluidized particles is the apparition of several fluidization regimes in the receiver tubes depending on the operating conditions. Two experimental set-ups have been built for studies at ambient temperature and under concentrated solar radiation, using olivine particles belonging to the group A of the Geldart classification in receiver tube of more than 3.30-meter height and of 45-mm internal diameter. The suspension behavior has been studied over large ranges of the experimental parameters. Particle temperatures at the outlet of the receiver of 680 °C and receiver thermal efficiency above 70 % have been reached. Global heat transfer coefficients between the particles and the tube walls of 1000 W/(m²K) have been measured.Several signal processing methods have been applied to relative and differential pressure signals recorded at various heights of the tube. The combination of these methods allowed to identify bubbling, slugging (wall and axisymmetric), turbulent fluidization and fast fluidization regimes. It follows that the slip Reynolds number has to be considered to establish complete fluidization regimes diagrams, separated per temperature range. Transitions between regimes decrease with temperature, and are significantly lower than in classical systems due to the specific control of the particles circulation in this concept. Furthermore, the heat transfers between the walls and the particles are more intense in the turbulent fluidization regime, and increase with temperature.