Dans cette partie, nous comparons les résultats obtenus par la modélisation 1D des transferts thermiques dans le lit fluidisé (cf. chap. 3) avec les résultats expérimentaux obtenus par A. Bounaceur durant sa thèse [2].
7.4.1 Présentation du dispositif expérimental
Pour rappel, le récepteur de base (cf. chap. 2) est constitué d’un diffuseur placé au bas d’une colonne à changement de section contenant des particules de SiC surmontée par un hublot de quartz (cf fig. 7.10). La colonne à changement de section est composée de trois partie : une colonne inférieure de diamètre 70 mm, une partie d’élargissement conique et une seconde colonne
de diamètre égal à 120 mm. La hauteur de la partie cylindrique inférieure est de 250 mm, celle de la partie conique de 75 mm et celle de la partie cylindrique de gros diamètre de 125 mm. La colonne a été réalisée en acier réfractaire.
Figure 7.10 – Schéma du récepteur solaire à lit fluidisé selon [2]
Le prototype instrumenté étudié dans la thèse de A. Bounaceur [2] a été installé dans un four solaire pour chauffer un gaz à partir de la température ambiante jusqu’à 1000 K. Le rayonnement solaire concentré entre verticalement par le hublot pour être directement absorbé par les particules fluidisées. Le système de concentration utilisé, déjà décrit précédemment, est constitué d’une parabole focalisant le rayonnement solaire réfléchi a priori par un héliostat plan asservi au mouvement du soleil. Le concentrateur parabolique possède un diamètre de 4,6 m, une focale de 3,18 m positionnée sur le hublot du récepteur. Un obturateur à pales orientables permet de contrôler la puissance incidente sur le récepteur.
Les particules de SiC sont fluidisées par de l’air qui est admis à température ambiante. Sur la colonne de fluidisation, douze thermocouples permettent de connaître la température du lit sur sa hauteur. La température est relevée une fois le régime permanent atteint.
Pour servir de référence à notre modèle thermique, quelques cas ont été extraits parmi les multiples essais de l’étude expérimentale [2]. Ces cas ont été sélectionnés car ce sont les plus complets en terme d’information et car ils présentent différentes tailles de particules de 130 à 600µm, différentes vitesses de fluidisation et différents taux de remplissage de colonne. Les trois cas retenus sont les suivants :
Cas test Hauteur de lit fixe Diamètre de particule N Puissance solaire
(cm) (µm) (W)
1 10 130 10 2090
2 16 280 4,6 2160
3 16 600 2,3 3165
Pour chacun de ces cas tests, nous disposons de l’évolution d’une température intermédiaire entre celle des particules et celle de l’air relevée en fonction de la hauteur du récepteur. Nous disposons aussi de la température de sortie d’air.
7.4.2 Comparaison des champs de température
Sur les trois cas qui ont été modélisés, la simulation du lit fluidisé de particules de 130 µm s’est avérée problématique. Ceci s’explique du fait que dans ce cas critique, avec un nombre de fluidisation de 10, le lit fluidisé quitte le régime bouillonnant pour entrer en régime turbulent. Ce résultat souligne que l’application de ce modèle est limitée aux lits fluidisés bouillonnants, la physique des lits fluidisés turbulents étant différente.
Pour les deux autres cas étudiés, nous avons tracé l’évolution de la température moyenne expérimentale du lit et la température du gaz d’une part et des particules d’autre part des simulations numériques (cf fig. 7.11 et 7.12). A noter que la température dite température moyenne expérimentale est en fait une température intermédiaire entre celle des particules et du gaz, le thermocouple étant plongé directement dans le milieu fluidisé.
Figure 7.11 – Champs de température numériques et expérimentaux dans un lit fluidisé de particules de 280 µm à N=4,6
Figure 7.12 – Champs de température numériques et expérimentaux dans un lit fluidisé de particules de 600 µm à N=2,3
Par analyse des courbes comparatives, on note que le modèle respecte la tendance de l’évo- lution de la température expérimentale. On retrouve l’évolution de la température suivant les trois zones thermiques du lit fluidisé.
Dans la zone la plus basse, le gaz s’aligne progressivement à la température des particules. Ce phénomène est bien représenté par les températures numériques. Dans cette zone, on remarque une légère croissance de la température expérimentale. Un premier bon point pour le modèle est que l’étendue de la zone de croissance de la température expérimentale correspond à la zone de chauffage numérique pour les deux cas tests.
Dans la zone intermédiaire, on constate un palier de température. C’est la zone où particules et gaz sont à une même température. Ce phénomène correspond à une température expérimen- tale constante et des courbes de température numérique confondues. Dans les deux cas étudiés, la température sur le plateau est bien représentée avec une légère sous estimation d’environ 10 °C pour les particules de 280 µm et sur estimation de 10 °C pour les particules de 600 µm.
Dans la zone du ciel, les températures des particules et du gaz augmentent à nouveau. C’est la zone qui reçoit le rayonnement concentré, au dessus de la zone dense du lit. Dans les cas des particules de 280 µm, les courbes de température numériques des particules et de l’air sous estiment légèrement la température moyenne expérimentale. Pour les particules de 600 µm, les température numériques sur évaluent les mesures expérimentales. La transition entre zone homogène en température et zone à fort gradient est moins bien positionnée que dans le cas des particules de plus petit diamètre.
On remarque aussi, notamment dans la partie la plus haute du lit et pour les particules de 600 µm une flexion sur les courbes de température obtenue par le modèle qui n’est pas présente
sur la courbe expérimentale. Cette flexion est liée au fait que le terme source radiatif solaire diminue fortement passé les 30 cm de hauteur du lit car la concentration en particules y devient très faible. Cette différence entre courbes expérimentales et numériques est probablement liée à deux phénomènes. Le premier est que l’hydrodynamique du lit est mal modélisée dans la partie la plus haute du ciel. En conséquence, le nuage de particules très dilué dans le ciel du lit est absent de notre modèle. Expérimentalement, ce sont ces particules très chaudes car soumises à un rayonnement concentré et peu atténué qui contribuent à augmenter la température du lit au dessus des 30 cm. Mais puisqu’elles ne sont pas prises en compte dans le modèle, il est normal de constater une température plus basse dans les résultats donnés pour cette zone. Le deuxième phénomène est à relier aux prises de température expérimentale qui peuvent surestimer la température du lit fluidisé. En effet, si les thermocouples placés dans le ciel du lit sont soumis à un rayonnement très importants dans une zone de très faible concentration de particules, il peuvent indiquer une température anormalement élevée. Pour remédier à ce problème, il est probablement possible de corriger le signal de température mesuré mais les incertitudes quant au dispositif expérimental utilisé ne nous le permettent pas.
Enfin, la température de sortie de gaz concorde entre expérience et modèle avec une diffé- rence de 12 °C pour les particules de 280 µm et 2 °C dans l’autre cas.
7.5 Conclusion
La comparaison des résultats numériques des modèles thermiques et radiatifs décrits dans cette thèse avec les références expérimentales disponibles s’est avérée payante.
Effectivement, une fois le terme d’échange entre les phases particulaires et gazeuses du modèle hydrodynamique Eulérien configuré, le modèle permet de décrire convenablement la distribution moyenne de particules dans les lits fluidisés étudiés. Malheureusement, le modèle révèle ses limites quand il s’agit de traiter la partie la plus haute du ciel constituée de paquets de particules éjectés par l’éclatement des bulles à la surface du lit.
Les codes radiatifs permettent de bien représenter l’extinction d’un flux radiatif visible collimaté quand un champ de fraction volumique de particules instationnaire est utilisé. Un modèle statistique représentant les propriétés optiques du milieu particulaire à l’aide d’une quadrature a permis de réduire les temps de calcul pour une perte de précision acceptable.
Enfin, le modèle 1D thermique a prouvé sa capacité à décrire l’évolution réelle de la tem- pérature du lit fluidisé de particules et du gaz qui le traverse.
Malgré tout, les résultats obtenus sont à considérer avec précaution car le modèle ther- mique 1D ne prend en compte ni les effets parois, ni la direction d’incidence du rayonnement, ni l’évolution fine de la concentration de particules dans la partie supérieure du ciel du lit. C’est pourquoi nous explorerons ces effets dans le chapitre 8 où nous étudions l’influence de la géométrie du récepteur à lit fluidisé bouillonnnant à changement de section sur les transferts thermiques dans le récepteur.
Chapitre 8
Effets de la géométrie du récepteur sur
les transferts thermiques
8.1 Introduction
Malgré les nombreuses expériences réalisées sur un prototype de récepteur solaire à lit fluidisé dans la thèse de A. Bounaceur, il est difficile d’analyser les résultats obtenus pour en déduire une règle de conduite permettant l’augmentation du rendement du récepteur car la majorité des paramètres étudiés sont étroitement reliés entre eux et modifient ensemble les caractéristiques du lit fluidisé.
C’est pourquoi nous proposons dans ce chapitre d’appliquer nos outils à des récepteurs de géométries différentes et d’utiliser la plus-value de la simulation numérique dans la compré- hension des phénomènes thermiques du récepteur. Le but est d’orienter notre choix vers une géométrie de récepteur plus efficace.