Discrete and porous computational fluid dynamics modelling of an air-rock bed thermal energy storage system

Louw, Andre Du Randt (2014-04)

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2014.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: Concentrating solar power promises to be a potential solution for meeting the worlds energy needs in the future. One of the key features of this type of renewable energy technology is its ability to store energy effectively and relatively cheaply. An air-rock bed thermal energy storage system promises to be an effective and reasonably inexpensive storage system for concentrating solar power plants. Currently there is no such storage system commercially in operation in any concentrating solar power plant, and further research is required before such a system can be implemented. The main research areas to address are the thermal-mechanical behaviour of rocks, rock bed pressure drop correlations and effective and practical system designs. Recent studies have shown that the pressure drop over a packed bed of rocks is dependant on various aspects such as particle orientation relative to the flow direction, particle shape and surface roughness. The irregularity and unpredictability of the particle shapes make it difficult to formulate a general pressure drop correlation. Typical air-rock bed thermal design concepts consist of a large vertical square or cylindrical vessel in which the bed is contained. Such system designs are simple but susceptible to the ratcheting effect and large pressure drops. Several authors have proposed concepts to over-come these issues, but there remains a need for tools to prove the feasibility of the designs. The purpose of this paper is to investigate aDEM-CFD coupled approach that can aid the development of an air-rock bed thermal energy storage system. This study specifically focuses on the use of CFD. A complementary study focusses on DEM. The two areas of focus in this study are the pressure drop and system design. A discrete CFD simulation model is used to predict pressure drop over packed beds containing spherical and irregular particles. DEM is used to create randomly packed beds containing either spherical or irregularly shaped particles. This model is also used to determine the heat transfer between the fluid and particle surface. A porous CFD model is used to model system design concepts. Pressure drop and heat transfer data predicted by the discrete model, is used in the porous model to describe the pressure drop and thermal behaviour of a TES system. Results from the discrete CFD model shows that it can accurately predict the pressure drop over a packed bed of spheres with an average deviation of roughly 10%fromresults found in literature. The heat transfer between the fluid and particle surface also is accurately predicted, with an average deviation of between 13.36 % and 21.83 % from results found in literature. The discrete CFD model for packed beds containing irregular particles presented problems when generating a mesh for the CFD computational domain. The clump logic method was used to represent rock particles in this study. This method was proven by other studies to accurately model the rock particle and the rock packed bed structure using DEM. However, this technique presented problems when generating the surface mesh. As a result a simplified clump model was used to represent the rock particles. This simplified clump model showed characteristics of a packed bed of rocks in terms of pressure drop and heat transfer. However, the results suggest that the particles failed to represent formdrag. This was attributed to absence of blunt surfaces and sharp edges of the simplified clumpmodel normally found on rock particles. The irregular particles presented in this study proved to be inadequate for modelling universal characteristics of a packed bed of rocks in terms of pressure drop. The porous CFD model was validated against experimental measurement to predict the thermal behaviour of rock beds. The application of the porous model demonstrated that it is a useful design tool for system design concepts.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Gekonsentreerde sonkrag beloof om ’n potensiële toekomstige oplossing te wees vir die wêreld se groeiende energie behoeftes. Een van die belangrikste eienskappe van hierdie tipe hernubare energie tegnologie is die vermoë om energie doeltreffend en relatief goedkoop te stoor. ’n Lug-klipbed termiese energie stoorstelsel beloof om ’n doeltreffende en redelik goedkoop stoorstelsel vir gekonsentreerde sonkragstasies te wees . Tans is daar geen sodanige stoorstelsel kommersieël in werking in enige gekonsentreerde sonkragstasie nie. Verdere navorsing is nodig voordat so ’n stelsel in werking gestel kan word. Die belangrikste navorsingsgebiede om aan te spreek is die termies-meganiese gedrag van klippe, klipbed drukverlies korrelasies en effektiewe en praktiese stelsel ontwerpe. Onlangse studies het getoon dat die drukverlies oor ’n gepakte bed van klippe afhanklik is van verskeie aspekte soos partikel oriëntasie tot die vloeirigting, partikel vormen oppervlak grofheid. Die onreëlmatigheid en onvoorspelbaarheid van die klip vorms maak dit moeilik om ’n algemene drukverlies korrelasie te formuleer. Tipiese lug-klipbed termiese ontwerp konsepte bestaan uit ’n groot vertikale vierkantige of silindriese houer waarin die gepakte bed is. Sodanige sisteem ontwerpe is eenvoudig, maar vatbaar vir die palrat effek en groot drukverliese. Verskeie studies het voorgestelde konsepte om hierdie kwessies te oorkom, maar daar is steeds ’n behoefte aanmetodes om die haalbaarheid van die ontwerpe te bewys. Die doel van hierdie studie is om ’n Diskreet Element Modelle (DEM) en numeriese vloeidinamika gekoppelde benadering te ontwikkel wat ’n lug-klipbed termiese energie stoorstelsel kan ondersoek. Hierdie studie fokus spesifiek op die gebruik van numeriese vloeidinamika. ’n Aanvullende studie fokus op DEM. Die twee areas van fokus in hierdie studie is die drukverlies en stelsel ontwerp. ’n Diskrete numeriese vloeidinamika simulasie model word gebruik om drukverlies te voorspel oor gepakte beddens met sferiese en onreëlmatige partikels. DEM word gebruik om lukraak gepakte beddens van óf sferiese óf onreëlmatige partikels te skep. Hierdie model is ook gebruik om die hitte-oordrag tussen die vloeistof en partikel oppervlak te bepaal. ’n Poreuse numeriese vloeidinamika model word gebruik omdie stelsel ontwerp konsepte voor te stel. Drukverlies en hitte-oordrag data, voorspel deur die diskrete model, word gebruik in die poreuse model om die drukverlies- en hittegedrag van ’n TES-stelsel te beskryf. Resultate van die diskrete numeriese vloeidinamikamodel toon dat dit akkuraat die drukverlies oor ’n gepakte bed van sfere kan voorspel met ’n gemiddelde afwyking van ongeveer 10%van die resultatewat in die literatuur aangetref word. Die hitte-oordrag tussen die vloeistof en partikel oppervlak is ook akkuraat voorspel, met ’n gemiddelde afwyking van tussen 13.36%en 21.83%van die resultate wat in die literatuur aangetref word. Die diskrete numeriese vloeidinamika model vir gepakte beddens met onreëlmatige partikels bied probleme wanneer ’n maas vir die numeriese vloeidinamika, numeriese domein gegenereer word. Die "clump"logika metode is gebruik om klip partikels te verteenwoordig in hierdie studie. Hierdiemetode is deur ander studies bewys om akkuraat die klip partikel en die klip gepakte bed-struktuur te modelleer deur die gebruik van DEM. Hierdie tegniek het egter probleme gebied toe die oppervlak maas gegenereer is. As gevolg hiervan is ’n vereenvoudigde "clump"model gebruik om die klip partikels te verteenwoordig. Die vereenvoudigde "clump"model vertoon karakteristieke eienskappe van ’n gepakte bed van klippe in terme van drukverlies en hitte oordrag. Die resultate het egter getoon dat die partikels nie vorm weerstand verteenwoordig nie. Hierdie resultate kan toegeskryf word aan die afwesigheid van gladde oppervlaktes en skerp kante, wat normaalweg op klip partikels gevind word, in die vereenvoudigde "clump"model. Die oneweredige partikels wat in hierdie studie voorgestel word, blykomnie geskik tewees vir die modellering van die universele karakteristieke eienskappe van ’n gepakte bed van klippe in terme van drukverlies nie. Die poreuse numeriese vloeidinamika model is met eksperimentele metings bevestig omdie termiese gedrag van klipbeddens te voorspel. Die toepassing van die poreuse model demonstreer dat dit ’n nuttige ontwerp metode is vir stelsel ontwerp konsepte.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/86233
This item appears in the following collections: