Etude de l'influence de la distribution de fluide sur le comportement thermohydraulique d'un réservoir de stockage thermique mono-cuve dual-media

Study on the influence of fluid's distribution over the thermohydraulic behaviour of a single-tank dual-media thermal storage

• Auteur / Autrice : Grégoire Bellenot
• Direction : Philippe Marty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 13/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Nolwenn Le Pierrès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Gondrexon, Quentin Falcoz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Harion, Régis Olivès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Design patterns

Chaleur -- Stockage

Mots clés libres

Energie thermique

Modélisation numérique

Stockage d'énergie

Distribution de fluide

Echanges thermiques

Thermal energy

Numerical modelling

Energy storage

FLuid distribution

Thermal exchange

Résumé

Dans le cadre du développement des énergies renouvelables et des énergies de récupération, le stockage thermique est un sujet de recherche majeur. Parmi les technologies prometteuses, le stockage de chaleur sensible mono-cuve est une alternative intéressante aux technologies habituelles à deux cuves. L’utilisation d’un milieu poreux granulaire, au lieu du milieu libre des stockages à thermocline, permet de réduire la quantité de fluide de stockage, souvent couteux. Dans ce type de technologie, l’influence de la distribution du fluide en entrée et sortie du milieux poreux sur les performances est peu étudiée.L’étude bibliographique du sujet a montré que la plupart des études expérimentales et numériques de stockages thermiques dual-media sont monodimensionnelles ou considèrent que la distribution du fluide est idéale, uniforme perpendiculairement à l’écoulement général. Toutefois, une étude récente remet en cause cette hypothèse, soulevant la question de l’impact potentiel de la distribution de fluide pour une application industrielle. Par ailleurs, les milieux poreux étudiés sont en général constitués de grains d’une seule granulométrie.Dans un premier temps, une campagne expérimentale est réalisée. Une installation expérimentale, utilisant un milieu poreux à double granulométrie, est utilisée pour effectuer des cycles de charges et de décharges avec un suivi des grandeurs physiques caractéristiques. Trois distributions de fluide sont disponibles pour l’entrée et la décharge du fluide à haute température. Les données récoltées donnent de premiers résultats sur l’influence de la distribution de fluide sur ce type de stockage et oriente la suite de l’étude. L’analyse des données permet également d’observer les imperfections de l’installations et d’en rechercher les causes et conséquences.Dans un second temps, le fonctionnement du stockage thermique mono-cuve dual-media est étudié numériquement. Un modèle numérique multi-dimensionnel et tenant compte de la granulométrie double est développé. Ce modèle, développé à partir de l’étude de la littérature pertinente et en particulier des travaux réalisés précédemment au Laboratoire de Stockage Thermique du CEA-LITEN, se base sur la résolution des équations classiques de la thermodynamique, appliquées à un milieu poreux. Sa spécificité est de résoudre une équation de conservation de la chaleur pour le fluide et une pour chacune des deux phases solides granulaires. Le modèle est validé par comparaison avec des résultats expérimentaux tirés de la campagne précédente, avec un accord acceptable.Le modèle développé est employé pour réaliser une étude théorique de l’influence de la distribution de fluide sur le comportement du stockage. Plusieurs tests de charge et de décharge en conditions idéalisés sont effectués sur un système représentant le milieu poreux de l’installation expérimentale. Deux distributions de fluide sont comparées, l’une uniformément répartie et l’autre avec un fort jet axial et centré. L’influence de la convection naturelle et de l’augmentation de vitesse du fluide liée à la distribution sont étudiés en répétant les mêmes tests après avoir modifiés les paramètres physiques du modèle. Les essais relient ces phénomènes physiques aux les comportements observés.Dans un dernier temps, les résultats obtenus expérimentalement et numériquement sont rassemblés et interprété dans le cas d’une éventuelle application industrielle. Dans le cas où l’impact de la distribution de fluide mis en évidence serait jugé suffisamment important, des recommandations sont apportées, basées sur les résultats précédents et une étude bibliographique des solutions techniques de distribution des fluides dans ce type de stockage thermique.

In the context of the development of renewable energies and energy recovery, thermal storage is a major topic of research. Amongst promising technologies, one-tank sensible heat storage is an interesting alternative solution to usual two-tanks technologies. The use of a granular porous media, instead of thermocline storages’ free fluid volume, allows to reduce the amount of the often-expensive heat transfer fluid. Few studies exist on the influence of fluid distribution at the inlet and outlet of the porous media over performances of this kind of technology.The bibliographical review of this subject showed that most of experimental and numerical studies on dual-media heat storages are mono-dimensional or regard fluid’s distribution as ideal, which means perpendicular to the overall flow. However, a recent study questions this hypothesis, raising the issue of the potential influence of fluid distribution for an industrial application. Moreover, studied porous media are generally composed of one-sized particles.First, an experimental campaign is carried out. A test facility, using a two-sized particles porous media, is used to realise charge and discharge cycles with monitoring of characteristic physical values. Three fluid distributions are available for the inlet and outlet of high temperature fluid. Collected data give first results on the influence of fluid distribution over this type of storage and direct the next part of this study. The analysis of data also allows to highlight the imperfections of the experimental facility and to search for their causes and consequences.Secondly, the functioning of the one-tank dual-media heat storage is numerically studied. A multidimensional numerical model is developed, taking into account the two-sized particles of the porous media. This model, developed from the study of the relevant literature, especially the previous work from Thermal Storage Laboratory at CEA-LITEN, is based on the solving of thermodynamics’ usual equations, adapted to a porous media. Its specificity is to solve one heat conservation equation for the fluid and one for each of the granular solid phases. The model is validated by comparing its results with these extracted from the previous experimental campaign, with an acceptable agreement.The developed model is used to carry out a theoretical study of the influence of fluid distribution over the behaviour of the storage. Several charge and discharge tests are done, under idealised conditions, on a system representing the experimental facility. Two fluid distributions are compared, one is perfectly spread and the other with a strong centred axial jet. The influence of natural convection and of the augmentation of fluid’s velocity related to distribution are studied by repeating the same tests having modified the physical parameters of the model. The tests link theses physical phenomena to observed behaviours.Lastly, experimental and numerical results are gathered and interpreted in the case of a possible industrial application. In the case where the highlighted impact of fluid distribution would be evaluated high enough, recommendations are given, based on previous results and on a bibliographical review on technical fluid distribution solutions in this type of heat storage.