Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The Swiss company Synhelion SA has conceived and is developing an innovative high temperature solar receiver. This new receiver shall deliver heat at competitive costs to high temperature processes like e.g. methane reforming, gasification, thermochemical redox cycles for fuel production as well as ore smelting and metallurgical processes. The system operates with gaseous heat transfer fluids (HTFs). In a break from traditional receivers, which rely mainly on convective heat transfer to heat the fluid, the HTF is heated directly by absorption or thermal radiation. This is possible if the chosen gas has absorption bands which are sufficiently broad and strong in the spectral range of such radiation. Water vapour and CO2 are two examples (whose high absorptivity for long wavelength thermal radiation is well known from the atmospheric greenhouse effect). The modelling of radiative heat transfer in flowing participating media is highly demanding and involves a careful balance of compromises, especially between accuracy and computing time. Often “multi-mode” approaches are required, where less accurate but faster models are sided by more thorough but computationally more intensive benchmarking and tuning references. The goal of this project is to extend the modelling capacities from the in-depth codes developed inhouse by Synhelion to more Computational Fluid Dynamic (CFD) models that (1) take into account the details of the gas fluid dynamics, and (2) can be applied easily to a more general family of receiver geometries.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Es wurde ein CFD-basierter Ansatz mit dem Ziel entwickelt, das thermo-fluiddynamische Verhalten des untersuchten innovativen Hochtemperatur-Solarreceivers nachzubilden. Das entwickelte CFD-Modell wurde anhand von Benchmark-Ergebnissen validiert, die von Synhelion mit den genauesten und rechenintensivsten Modellen erzielt wurden, die heute für die Modellierung der Strahlungswärmeübertragung in teilnehmenden Medien zur Verfügung stehen: Spektrales zeilenweises Monte-Carlo-Raytracing. Das CFD-Modell wurde dann zur Durchführung mehrerer Simulationskampagnen genutzt, in denen die Auswirkungen einiger wichtiger Parameter auf die Gesamtleistung des Empfängers bewertet wurden. Dabei wurden folgende Parameter berücksichtigt: Massendurchsatz der Wärmeübertragungsflüssigkeit, Eintrittswinkel der Wärmeübertragungsflüssigkeit, Schwerkraft (Ausrichtung des Receivers), Betriebsdruck und Verteilung des konzentrierten Solarstroms. Der vorliegende Bericht fasst alle wichtigen Ergebnisse zusammen, die im Rahmen des ReceiverSIM-Projekts erzielt wurden, und behandelt zwei Hauptthemen: (1) Entwicklung und Validierung des CFD-Modellierungsansatzes, der geeignet ist, das thermofluiddynamische Verhalten dieses innovativen Hohlraumreceivers nachzubilden. (2) Beschreibung der CFD-Simulationskampagne, die an der Referenzempfängergeometrie durchgeführt wurde, mit dem Ziel, die physikalischen Phänomene, die das Verhalten des untersuchten Empfängers bestimmen, besser zu verstehen. Darüber hinaus sind alle geplanten Projektergebnisse in das vorliegende Dokument integriert.
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Schlussbericht
(Englisch)
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A CFD-based approach was developed with the aim of replicating the thermo-fluid dynamics behavior of the innovative high temperature solar receiver under investigation. The CFD model developed was validated against benchmark results obtained by Synhelion with the most accurate, and most computational expensive, models today available to model radiative heat transfer in participating media: spectral line-by-line Monte Carlo ray tracing. The CFD model was then exploited to perform several simulations campaign in which the effect of some important parameters, on the overall receiver performance, was evaluated. The parameters considered were: heat transfer fluid mass flow rate, heat transfer fluid entrance angle, gravity (receiver orientation), operating pressure, and concentrated solar flux distribution. The present report summarizes all the major results obtained in the framework of the ReceiverSIM project covering two main topics: (1) development and validation of the CFD modelling approach, suitable to replicate the thermofluid dynamics behaviour of this innovative cavity receiver. (2) description of the CFD simulations campaign performed, on the reference receiver geometry, with the aim of clearly understanding the physical phenomena that governs the behaviour of the receiver under investigation.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Une approche basée sur la CFD a été développée dans le but de reproduire le comportement de la dynamique thermo-fluide du récepteur solaire innovant à haute température étudié. du récepteur solaire innovant à haute température étudié. Le modèle CFD développé a été validé par rapport aux résultats de référence obtenus par Synhelion avec les modèles les plus précis, et les plus coûteux en calcul, disponibles aujourd'hui pour modéliser le rayonnement solaire. Le modèle CFD développé a été validé par rapport aux résultats de référence obtenus par Synhelion avec les modèles les plus précis, et les plus coûteux en calcul, disponibles aujourd'hui pour modéliser le transfert de chaleur radiatif dans les milieux participants : le traçage de rayons spectral ligne par ligne de Monte Carlo. Le modèle CFD a ensuite été exploité pour réaliser plusieurs campagnes de simulations dans lesquelles l'effet de certains paramètres importants sur les performances globales du récepteur a été évalué. paramètres importants, sur la performance globale du récepteur, a été évalué. Les paramètres considérés étaient : le débit massique du fluide de transfert de chaleur, l'angle d'entrée du fluide de transfert de chaleur, la gravité (orientation du récepteur), la pression de fonctionnement et la distribution du flux solaire concentré. Le présent rapport résume l'ensemble des principaux résultats obtenus dans le cadre du projet ReceiverSIM couvrant deux sujets principaux : (1) le développement et la validation de l'approche de modélisation CFD, adaptée pour reproduire le comportement dynamique thermofluide de ce récepteur à cavité innovant. de ce récepteur à cavité innovant. (2) la description de la campagne de simulations CFD réalisée sur la géométrie de référence du récepteur, dans le but de comprendre clairement les phénomènes physiques qui régissent le comportement du récepteur étudié. récepteur étudié.
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