7 Analisi termo-fluido dinamica
7.8 Simulazione 1° ciclo di carica-idle-scarica del sistema TES
Giunti a questo punto del lavoro è stato aperto il software Fluent in maniera “stand-alone”, si sono importati i file “.cas.gz” e “.dar.gz”, precedentemente creati, e si è caricato il file Journal per poter far iniziare la simulazione.
Dopo l’avvio della simulazione sono stati monitorati i residui, i “report-plot” precedentemente creati e si è atteso la fine della simulazione per poter analizzare i risultati.
Dopo la sua conclusione sono stati esaminati i risultati eseguendo i contours di temperatura, rispettivamente per le tre fasi distinte per valutarne il campo di temperatura formatosi durante questa prima breve simulazione di carica-idle-scarica del sistema.
7.8.1 Fase di carica prima simulazione
A questo punto si è passati all’analisi dei risultati di ogni singola fase di lavoro del sistema. la figura n°57 rappresenta il contours di temperatura al termine della fase di carica.
Figure 57- Contours di temperatura fine fase di carica prima simulazione
Per quanto riguarda la fase di carica della simulazione effettuata è risultata coerente con quello che ci aspettava, il sistema TES è stato caricato con una portata massica in ingresso pari a 𝑚̇ = 43.2 𝑘𝑔/𝑠 ad una temperatura di T=873.15 K per un tempo di simulazione pari a 510s. È possibile constatare come il sistema si sia riscaldato per una prima parte alla massima temperatura e successivamente, man mano che ci si allontana dal condotto centrale di ingresso, la temperatura tende a diminuire. Per ogni fase sono state estrapolate le termocline, questo per verificare il loro posizionamento, la loro inclinazione, i valori di temperature massime raggiunte nelle diverse fasi e per verificare se la zona termoclina ha cambiato la sua posizione durante l’intera simulazione di processo.
Figure 58-Termoclina fine fase di carica della prima simulazione
Osservando anche il grafico estrapolato, che viene sopra presentato, mostra la termoclina del sistema in fase di carica, è possibile constatare il valore della temperatura del mezzo d’accumulo in funzione della posizione. Questo è il risultato che ci si aspettava e può quindi ritenersi corretta la tipologia di simulazione fatta, aumentando il tempo di simulazione della fase di carica si va a introdurre nel sistema una maggiore quantità di calore e di conseguenza si tenderà a scaldare maggiormente il mezzo d’accumulo, avendo così lo spostamento della termoclina verso destra. Questo tipo di comportamento è quello ideale che si vuole avere all’interno di un TES e che è stato presentato precedentemente nel capitolo 5.3.
Come ultimo step è stata eseguita una rappresentazione delle “Pathlines” per verificare la correttezza del moto del fluido all’interno del sistema, al fine di verificare che non si creassero delle zone di ricircolo. La foto n°59 è relativa alle “Pathlines” della fase di carica.
7.8.2 Fase di idle prima simulazione
In questa fase di inattività del sistema sono state sostituite le boundary conditions dell’ingresso e dell’uscita del sistema, rendendole dei “Wall” per poter simulare il processo di mantenimento e di accumulo termico. La figura n°60 mostra il contours di temperatura di questa fase.
Figure 60-Contours di temperatura fine fase di idle prima simulazione
È possibile notare come ci sia stato un cambiamento nella distribuzione della temperatura. Se si andasse a simulare per un periodo infinito di tempo questa fase di idle, il letto di rocce andrebbe ad assumere la medesima temperatura lungo tutta la sua lunghezza. Questo fenomeno è legato alle leggi della termodinamica, infatti il calore tende ad andare dalle zone a più alta temperatura verso quelle a più bassa. Per questo motivo se simulassimo questa fase per un tempo molto lungo, il sistema aumenterebbe la sua temperatura ma la sua distribuzione sarebbe uniforme e non si avrebbe più una zona termoclina.
Andando ora ad analizzare la termoclina della fase di idle presentata nella figura n° 61, è possibile notare come il cambiamento rispetto alla fase di carica sia praticamente nullo, infatti l’unica variazione riscontrabile è nella leggera diminuzione della temperatura massima nella zona che va dai 0.5m ai 0.75m. Questo cambiamento è dovuto al fatto che è stato simulato una fase di idle molto breve rispetto a quello che si vorrebbe riprodurre nella simulazione finale, cioè pari a 310s di simulazione.
7.8.3 Fase di scarica prima simulazione
Osservando i risultati ottenuti durante questa fase è possibile constatare come questa prima simulazione abbia messo in risalto alcune criticità. Di seguito nella figura n°62 viene riportato il contours di temperatura.
Figure 62-Contours di temperatura fine fase di scarica prima simulazione
La simulazione è stata inizializzata con un valore di temperatura pari a 300K, mentre in fase di scarica l’aria entra nel sistema a una temperatura di 553.15 K. Osservando il contours è possibile appurare come sia presente un comportamento anomalo all’interno del condotto esterno, dove il fluido entra alla temperatura indicata ma nell’arco di un 1.5m diminuisce la sua temperatura fino ai 300K di inizializzazione. Questo è molto strano perché dovrebbe andare a scaldare, se pur di poco, il mezzo d’accumulo dato che si trova ad una temperatura inferiore rispetto al fluido in ingresso e dovrebbe così formarsi una piccola zona termoclina.
Figure 63-Termoclina fine fase di scarica della prima simulazione
Anche osservando la termoclina in figura n°63 è possibile notare questo comportamento errato, infatti la zona termoclina non ha subito alcuna variazione durante la simulazione della fase di scarica, di durata 600s, ed è come se non si fosse scaricato il sistema e non si fosse stati in grado di recuperare il calore precedentemente introdotto all’interno del letto di rocce. Il comportamento desiderato, che è stato presentato all’interno del capitolo 5.3, non è stato riscontrato e di conseguenza è stato necessario analizzare i parametri impostati nella simulazione e all’interno della geometria per cercare di risolvere questa problematica. I tempi di calcolo relativi a questa prima simulazione sono stati pari a 510s per la fase di carica, 310s per la fase di idle e 600s per la fase di scarica, mentre il tempo reale di simulazione è stato di 14h andando a utilizzare una risoluzione in parallelo e tramite un computer a 4 processori. Alla luce di ciò e tenendo in considerazione il fatto che il nostro obiettivo è quello di simulare 1h di carica, 1h di scarica e 5/10 minuti di idle del TES, per un totale di 6-10 cicli, il tempo per poter effettuare la simulazione non sarebbe bastato per portare a termine il lavoro e per poter fare un’analisi dei risultati. Per questo motivo è stato deciso di modificare la mesh cercando di ridurre il numero di elementi per poter ottenere un risparmio in termini di tempo computazionale e riuscire così a effettuare un’analisi critica dei risultati ed eventualmente un confronto con un sistema TES a flusso verticale.