Post-doctorant (H/F) - Modélisation et dimensionnement d’un échangeur de chaleur multiétagé à lit fluid

Missions :
Le sujet de recherche proposé est intégré au projet européen Powder2Power dont l’objectif est de développer au stade prototype un système de conversion de l’énergie solaire concentrée en chaleur et électricité mettant en œuvre des particules comme fluide caloporteur et matériau de stockage. Dans un tel système, les particules sont chauffées dans une récepteur solaire soumis au rayonnement concentré, stockées dans un réservoir (stock chaud) puis convoyées vers un échangeur de chaleur particules-fluide de travail du cycle thermodynamique avant d’être renvoyées vers le récepteur solaire par l’intermédiaire d’un réservoir tampon (stock froid). L’échangeur est un composant critique du système car, contrairement aux échangeurs classiques, il met en œuvre des particules fluidisées comme fluide chaud. Le travail consistera d’une part à développer un modèle réaliste de l’échangeur et d’autre part à dimensionner celui-ci pour plusieurs puissances en tenant compte des contraintes technologiques de construction.

Activités :
Présentation détaillée
Ce projet concerne l’échangeur de chaleur particules-fluide de travail développé dans le cadre du projet européen « Powder2Power ». Il comporte deux volets complémentaires, (1) la modélisation thermique de l’échangeur, (2) le dimensionnement de ce composant en tenant compte des contraintes technologiques.
Le concept choisi est un lit fluidisé multi-étagé horizontal à contre-courant. Les particules chaudes circulent à contre-courant du fluide de travail qui alimente une turbine. Les étages (ou compartiments) sont destinés à créer un gradient de température favorable au transfert de chaleur entre les particules et le fluide. Le fluide de travail choisi est du CO2 supercritique dans le cas des installations commerciales et de l’air sous pression dans l’expérimentation du projet Powder2Power.

Modélisation thermique de l’échangeur
Compte tenu du mouvement intense des particules qui conduit à une homogénéisation rapide de la température dans un lit fluidisé, le modèle thermique le plus simple fait l’hypothèse que la température des particules est constante dans chaque étage et déterminée par un simple bilan énergétique permettant de déterminer la température de sortie du fluide de travail en fonction des températures d’entrée et des débits. Cette hypothèse implique que la température d’entrée des particules dans chaque étage est égale à la température de sortie. Les raffinements de ce modèle simple qui seront développés durant ce projet de recherche concernent, en particulier, la prise en compte :
• des échanges entre les étages à travers les parois de séparation,
• des pertes thermiques vers l’extérieur,
• des transferts dans les zones d’entrée des particules chaudes affectant la distribution de température dans chaque étage,
• des modifications des échanges de chaleur lit fluidisé-tubes en fonction de l’assemblage interne des tubes.
Une validation du mo
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