Pre-carica

Come detto in precedenze, è necessario effettuare una pre-carica del sistema Doppio TES-Reattore, affinché non venga considerata la parte transitoria in cui il TES_2 non è capace di fornire calore al reattore e poter quindi velocizzare lo studio del funzionamento ciclico dei sistemi di accumulo.

È necessario quindi definire l’inizio e la fine della fase di pre-carica, al fine di poterle modellare all’interno di Fluent.

La fase di pre-carica del sistema di accumulo inizia quando i due TES, sono completamente freddi, ovvero a temperatura ambiente. Nella realtà sarà necessario effettuare questa fase solamente durante la prima messa in moto dell’impianto.

Questa fase può invece considerarsi terminata, quando dopo aver lasciato attiva sia la radiazione solare termica e sia il flusso di argon, si può notare che la temperatura del punto estremo del TES_2 sia maggiore o uguale alla temperatura del flusso di argon che si utilizza, ovvero 303 K. La zona termoclina all’interno del TES dovrà essere sviluppata, passando da 1500°C a 30°C.

Per effettuare questa fase di pre-carica, viene modellata la radiazione solare concentrata che irradia il reattore, mantenendolo ad una temperatura costante di 1500°C. All’interno di Fluent, viene quindi selezionata, all’interno delle Cell Zone Conditions, l’opzione Fixed Values; così facendo, la zona che comprende la parete del contenitore esterno a contatto con il reattore e quest’ultimo, viene mantenuta stabile a 1773 K come è visibile all’interno della seguente immagine.

Figura 84: Porous Zone opzione Fixed Values

7.2.1.1 Pre-carica sistema reale

Viene eseguita prima di tutto una simulazione della fase di pre-carica per il sistema reale, mantenendo quindi i set-up esposti precedentemente al capitolo 7.1.1.

Per poter analizzare interamente e in maniera corretta il comportamento transitorio della fase di pre- carica, vengono eseguite diverse simulazioni aventi un tempo fisico di 1 ora ciascuna, fino a raggiungere un tempo totale di 6 ore.

Per rappresentare l’andamento della zona termoclina, ovvero la temperatura in funzione della posizione assiale, vengono estrapolati i dati di temperatura dalle celle adiacenti all’asse di simmetria e riportati in un grafico. Viene ripetuta questa operazione per ogni tempo di carica.

Nella seguente immagine è possibile quindi visualizzare l’andamento della zona termoclina, in funzione della posizione assiale e del numero di ore impiegate per effettuare la fase di pre-carica.

Figura 85: Avanzamento termoclina pre-carica sistema reale

Come è possibile vedere dalle immagini, la zona termoclina si sviluppa correttamente per le prime 3 ore di pre-carica, assume però un comportamento quasi stazionario dopo circa 4 ore. È visibile infatti che

la posizione della zona termoclina non cambia più all’aumentare del tempo utilizzato per effettuare la pre-carica e conseguentemente il TES_2 non incrementa più la sua energia interna.

È possibile notare questo comportamento in figura 86, ottenuta esportando la temperatura media del TES_2 in funzione del tempo; si osserva infatti che dopo 4 ore e 30 minuti la temperatura media non aumenta più ma rimane costante e la curva tende ad assumere un comportamento asintotico.

Figura 86: Temperatura media TES_2 sistema reale

Questo comportamento potrebbe essere spiegato, nel caso in cui le perdite di calore modellate verso l’ambiente esterno, rappresentino una condizione estrema e quindi il sistema raggiunge un equilibrio termico.

Nella realtà però questa condizione, molto improbabile, non viene mai raggiunta e si presuppone che le perdite di calore siano effettivamente molto più contenute.

Non conoscendo perfettamente l’entità delle perdite di calore verso l’ambiente esterno, è impossibile inoltre modellarle all’interno di Fluent.

È doveroso dire che il modello CFD eseguito risulta essere una semplificazione di quello che sarà il sistema reale, pertanto i metodi di scambio termico saranno molto più complessi di quelli modellati in Fluent.

7.2.1.2 Pre-carica sistema adiabatico

Data l’impossibilità di analizzare correttamente il sistema reale, viene analizzato il comportamento dinamico durante la fase di pre-carica del sistema adiabatico. Non essendo presente scambio termico con l’ambiente esterno, il calore contenuto nel reattore, verrà necessariamente trasportato dal fluido termovettore in parte all’interno del TES_2 ed in parte all’interno della parete del contenitore esterno. Effettuando una simulazione CFD si otterrà quindi il tempo minimo necessario ad effettuare la fase di pre-carica, in quanto modellando le perdite di calore verso l’esterno e considerando quindi il sistema non adiabatico, il tempo necessario a caricare completamente il TES_2 sarà necessariamente maggiore.

Per analizzare il comportamento del sistema adiabatico durante la fase di pre-carica, vengono effettuate diverse simulazioni aventi il tempo fisico di 1 ora, per un tempo totale di 8 ore. Anche in questo caso vengo estratti da Fluent i dati di temperatura per rappresentare l’avanzamento della zona termoclina all’aumentare del tempo impiegato alla fase di pre-carica.

Nella seguente immagine viene raffigurata l’avanzamento della zona termoclina, in funzione della posizione assiale nel tempo.

Figura 87: Avanzamento zona termoclina fase di pre-carica sistema adiabatico

Come detto in precedenza è possibile identificare la fine della fase di pre-carica all’incirca attorno alle 4 ore, infatti la temperatura all’estremità del TES_2 risulta poco superiore ai 303 K e la zona termoclina risulta sviluppata per l’intera lunghezza del sistema di accumulo termico. È possibile inoltre visualizzare che la zona a temperatura maggiore si estende per un tratto molto corto, pertanto la lunghezza del TES andrebbe modificata ed estesa maggiormente.

Dopo 4 ore di pre carica del sistema adiabatico, si ottiene un contour di temperatura rappresentato nella seguente figura.

7.3 Funzionamento ciclico

Una volta eseguita l’analisi della fase di pre-carica si procede con l’analisi del funzionamento ciclico, ovvero i continui cicli di carica e scarica dei due TES.

La durata di questa fase è variabile da sistema a sistema, ovvero inizia una volta terminata la fase di pre-carica e si protrae fino allo stabilizzarsi della zona termoclina, ovvero fin quando tra un ciclo di carica e scarica ed il successivo, lo spessore della zona termoclina non varia più.