Unsteady laminar convection in cylindrical domains: numerical studies and application to solar water storage tanks

Abstract

Los dispositivos de almacenamiento de energía térmica son ampliamente usados en diversos sistemas térmicos caracterizados por un desfase temporal entre la producción de energia y su consumo, como es el caso de los sistemas de energía solar térmica. El diseño optimizado de estos equipos puede representar un considerable aumento en el rendimiento térmico de la instalación de la cual forman parte. En la línea de optimización de sistemas y equipos térmicos, en los últimos años la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) se ha consolidado como una herramienta básica, proporcionando a investigadores e ingenieros un método para ensayar virtualmente sus diseños, disminuyendo los costes en términos de tiempo, recursos y personal. Es en esta línea se encuentran las principales aportaciones de esta tesis, la cual tiene como principal objetivo la simulación numérica de procesos de convección laminar en régimen transitorio y dominios cilíndricos para su aplicación al estudio de los fenómenos de transferencia de calor y dinámica de fluidos que tienen lugar en los tanques de almacenamiento de energía.<br/><br/>Se presenta la metodología seguida para la resolución de las ecuaciones gobernantes de la transferencia de calor y dinámica de fluidos en coordenadas cilíndricas, mostrando las principales particularidades de su discretización para este tipo de geometrías y se detalla el tratamiento realizado para resolver estas singularidades dentro del código numérico. Posteriormente, se expone la metodología para la solución de flujos transitorios e incompresibles y se realiza un riguroso proceso de verificación del código y las soluciones numéricas obtenidas. <br/><br/>Esta metodología se aplica al estudio del comportamiento de los tanques de almacenamiento de energía estratificados. Un aspecto básico del funcionamiento de estos equipos es la calidad de la energía almacenada. Esta calidad viene determinada por el grado de estratificación térmica, en la cual influyen diferentes factores como la mezcla que ocurre debido a las corrientes de fluido que entran durante los procesos de carga y descarga térmica y también debido al intercambio de calor con el ambiente. En este sentido, en este trabajo se analiza la estratificación térmica para diferentes condiciones de trabajo y configuraciones por medio de las simulaciones numéricas multidimensionales. Para medir el grado de estratificación se han tenido en cuenta diferentes parámetros y como resultado del estudio, se propone un parámetro adimensional basado en un análisis exergético. Esta exergía adimensional ha permitido comparar el funcionamiento de los tanques en las diferentes situaciones analizadas y se ha mostrado útil para cuantificar la calidad de la energía almacenada.<br/><br/>Por otra parte, se estudia el comportamiento térmico de los tanques de almacenamiento durante su modo de operación estático y considerando las pérdidas de energía al ambiente. Este estudio tiene como objetivo fundamental caracterizar el proceso de enfriamiento del fluido en tanques que forman parte de sistemas solares térmicos para el rango de bajas y medianas temperaturas. Se presenta la metodología seguida para el análisis, desde la identificación de los números adimensionales que definen el problema, la formulación de un modelo zonal para la predicción del comportamiento térmico, el estudio paramétrico llevado a cabo y el posterior post-proceso de los resultados con el objetivo de proporcionar los parámetros necesarios para alimentar el modelo zonal. El modelo propuesto, junto con las correlaciones obtenidas, predicen correctamente el comportamiento del fluido, constituyendo una alternativa interesante para reproducir el proceso de enfriamiento del fluido en los tanques durante largos periodos de tiempo.

Thermal storage devices are widely used in many thermal systems and applications that are characterised by the delay between energy production and consumption, such as thermal solar systems. The improvement in their design and optimisation is a key aspect in the thermal optimisation of the system, where a good preformance of the storage tank can represent a considerable increase in the overall efficiency of the installation. In the subject of optimisation of thermal equipment, Computational Fluid Dynamics have been consolidated as an indispensable tool providing researchers and engineers with a method to test virtually their prototypes with low effort in time, personnel and resources. This thesis is focused in the numerical simulation of unsteady laminar convection in cylindrical domains and its application to the study of the heat transfer and fluid flow that take place in stratified storage tanks. <br/><br/>The first part of this document is devoted to present the methodology followed for the numerical resolution of the governing equation of heat and fluid flow in cylindrical coordinates. The main particularities of the discretisation of the equations in these geometries, as well as the solution procedure for incompressible and transient flow problems are also presented. Special emphasis is given to the verification of the code, the appropriateness of the discretisation adopted and the verification of the numerical solution obtained.<br/><br/>The second part of this thesis is focused on the study of the heat transfer and fluid flow phenomena that take place in stratified storage tanks, including the performance measures and modeling efforts of these devices. The quality of the energy stored is determined by the degree of the thermal stratification of the storage tank, which is affected by several factors such as the mixing due to the inlet streams during load and unload, the heat losses to the environment, among others. In this sense, thermal stratification analysis is carried out by means of the virtual prototyping of the tanks for different working conditions and configurations. In order to measure the performance of the tanks, different parameters are considered. The analysis led to the proposition of a new exergy-based parameter as a tool for assessing and comparing storage tanks. The usefulness of this parameter for quantifying the quality of the energy stored is also shown.<br/><br/>Furthermore, the thermal behaviour of storage tanks during the static mode of operation considering the heat losses to the environment is also analysed. The study is addressed to characterise the cool down of the fluid inside storage tanks for solar thermal systems in the low-to-medium temperature range. The methodology followed, from the identification of the significant non-dimensional parameters that define the problem, the formulation of a zonal prediction model, a parametric numerical study by means of detailed multidimensional CFD computations and the post-processing of the results in order to feed the global model are exposed in detail. Zonal model presented, together with the correlations given are in good agreement with the numerical results and constitute an alternative for the prediction of the long-term performance of the storage tanks during the cooling process.