Études expérimentale et numérique des instabilités et des régimes hydrodynamiques des écoulements gaz-solide fluidisés dans les procédés solaires à concentration.

par Guillaume Sahuquet

Projet de thèse en Sciences de l'Ingénieur

Sous la direction de Adrien Toutant et de Samuel Mer.

Thèses en préparation à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement (Perpignan) , en partenariat avec Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan) (laboratoire) et de TRECS - Thermophysique, Rayonnement et Écoulement pour les Centrales Solaires (equipe de recherche) depuis le 05-10-2020 .


  • Résumé

    Introduction : Dans le contexte énergétique actuel, le développement et l’optimisation des procédés de conversion des énergies renouvelables suscite de plus en plus d’attention. Les technologies solaires concentrés (CSP) s’inscrivent dans ces procédés propres de génération d’énergie. Cette technique consiste à concentrer les rayons du soleil à l’aide de miroir (héliostats) sur un récepteur, pour produire de la chaleur. Celle-ci est transférée par un fluide caloporteur vers un échangeur de chaleur où un cycle thermodynamique transforme la chaleur en électricité. Selon Carnot le rendement conversion du cycle augmente avec la température de la source chaude. Actuellement, le fluide caloporteur est le facteur limitant cette température. Cette thèse s’intéresse en particulier aux centrales à tour où la technologie actuelle utilise des sels fondus comme fluide de transfert avec une température de source chaude de 550°C et un rendement de conversion de 42%. Dans ce contexte, le laboratoire PROMES développe des recherches visant à augmenter ce rendement de conversion de 42 à 50 % via l’utilisation de cycle combiné, associant une turbine à gaz avec une turbine à vapeur. Le cycle amont nécessite une température de source chaude de 800°C ne pouvant être atteinte avec les fluides actuels. La solution envisagée pour atteindre ces températures est d’utiliser comme fluide caloporteur des particules fluidisés par de l’air. La faisabilité de cette technique a déjà été démontrée et plusieurs projets ont permis de mettre en place une base de données expérimentales d’écoulement de lits fluidisés tant en conditions isothermes que sous irradiation solaire concentrée. Problématique : Les travaux expérimentaux portant sur les écoulements fluidisés ascendants dans des tubes de très grands rapports de forme (rapport longueur sur diamètre) indiquent l’existence de différents régimes d’écoulement et l’apparition d’instabilités. Dans le dispositif expérimental, les particules s’écoulent de bas en haut à l’intérieur de trois tubes (modélisant le récepteur solaire). Les particules sont fluidisées dans une « enceinte nourrisse » dénommée « dispenser ». Ce dispenser est mis sous pression afin que l’écoulement remonte dans les tubes jusqu’au collecteur. Afin de garantir la stabilité de l’écoulement (en terme de débit solide transporté) un débit d’air secondaire, dit d’aération, est directement injecté en partie basse des tubes. Le débit d’air, le diamètre de la buse d’injection ainsi que la position verticale de cette injection ont un rôle prépondérant sur le débit de solide transporté et la structure de l’écoulement solide-gaz. Pour des aérations trop faibles, des instabilités (fortes oscillation du débit de solide transporté) apparaissent dans l’écoulement. L’augmentation du débit d’aération tend à l’inverse à stabiliser l’écoulement. Par ailleurs, même en régime d’écoulement stable, le structure du lit fluidisé change avec la hauteur. Il évolue d’un régime d’écoulement à bulles à un régime d’écoulement piston. Des simulations numériques de lits fluidisés seront mise en place dans un premier temps pour reproduire des essais expérimentaux sans transfert de chaleur actuellement étudié sur un banc expérimental disponible au laboratoire. Les simulations auront donc pour objectif de reproduire l’apparition de ces seuils de stabilité. Des expériences complémentaires seront réalisées afin d’obtenir des cartes des différents régimes d’écoulement. En ce qui concerne l’approche numérique, ce travail de thèse s’intéresse à la modélisation des lits fluidisés par approche Eulérienne à n phases. Dans cette approche, les équations de conservation (masse, quantité de mouvement et énergie) sont moyennées dans chaque phase avec une hypothèse de pression commune à toutes les phases. L’opérateur de moyenne fait apparaître des termes de fermetures qui modélisent les interactions inter phase. La validité de la démarche de modélisation dépend donc fortement de la pertinence de ces termes de fermeture. Une fois la modélisation hydrodynamique validée, des simulations numériques prenant en compte les transferts thermiques du récepteur seront mises en place et confrontées aux données expérimentales obtenues sur la centrale solaire à tour THEMIS dans le cadre du projet européen Next-CSP.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical studies of instabilities and hydrodynamics regimes of fluidized gas-solid flows in concentrated solar processes.


  • Résumé

    Introduction : In the current energy context, the development and optimization of processes for the conversion of renewable energies is attracting increasing attention. Concentrated Solar Power (CSP) technologies are part of these clean energy generation processes. This technique consists of concentrating the sun's rays using mirrors (heliostats) on a receiver to produce heat. The heat is transferred by a heat transfer fluid to a heat exchanger where a thermodynamic cycle converts the heat into electricity. According to Carnot, the conversion efficiency of the cycle increases with the temperature of the heat source. Currently, the heat transfer fluid is the factor limiting this temperature. This thesis is particularly interested in tower power plants where current technology uses molten salts as the transfer fluid with a hot source temperature of 550°C and a conversion efficiency of 42%. In this context, the PROMES laboratory is developing research aimed at increasing this conversion efficiency from 42 to 50% through the use of combined cycle, associating a gas and a steam turbine. The upstream cycle requires a hot source temperature of 800°C which cannot be reached with current fluids. The solution considered to reach these temperatures is to use particles fluidized by air as a heat transfer fluid. The feasibility of this technique has already been demonstrated and several projects have enabled to gather an experimental database of fluidised bed flows both in isothermal conditions and under concentrated solar irradiation. Problematic: Experimental work on ascending fluidized bed flows in tubes with very large aspect ratios (length to diameter ratio) indicates the existence of different flow regimes and the occurrence of instabilities. In the experimental set-up, particles flow upwards within three tubes (modelling the solar receiver). The particles are fluidized in a 'feeding chamber' called a 'dispenser'. This dispenser is pressurized so that the flow rises through the tubes to the collector. In order to guarantee the stability of the flow (in terms of the transported solid flow) a secondary air flow, called aeration, is directly injected in the lower part of the tubes. The air flow rate, the diameter of the injection nozzle as well as the vertical position of this injection have a predominant role on the flow rate of transported solid and the structure of the solid-gas flow. If the aeration is too low, instability (strong oscillations in the flow of transported solids) occurs in the flow. Conversely, increasing the aeration rate tends to stabilise the flow. Furthermore, even under stable flow conditions, the structure of the fluidized bed changes with height. It evolves from a bubble flow regime to a piston flow regime. Numerical simulations of fluidized beds will be set up initially to reproduce experimental tests without heat transfer currently being studied on an experimental bench available in the laboratory. The simulations will therefore aim to reproduce the appearance of these stability thresholds. Complementary experiments will be carried out in order to obtain maps of the different flow regimes. As far as the numerical approach is concerned, this thesis work focuses on the modeling of fluidized beds by n-phase Eulerian approach. In this approach, the conservation equations (mass, momentum and energy) are averaged in each phase with a common pressure to all phases assumption . The averaging operator generates closure terms that model the inter-phases interactions. The validity of the modelling approach therefore depends strongly on the relevance of these closure terms. Once the hydrodynamic modelling has been validated, numerical simulations taking into account the thermal transfers of the receiver will be set up and compared with experimental data obtained on the THEMIS tower solar power plant within the framework of the European Next-CSP project.