Publication: Heat transfer and thermal storage in fixed and fluidized beds of phase change materials
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Publication date
2014-11
Defense date
2014-11-14
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Abstract
Thermal energy storage is a key technology for energy conservation since many
energy sources are intermittent in nature. Latent heat storage is considered
one of the most efficient ways of storing thermal energy because, unlike sensible
heat storage, it provides a high-energy storage density with a small temperature
swing. There are available many storage techniques, including sensible and
latent heat storage or a combination of both. Fixed and fluidized beds may
be feasible technologies when the storing materials may be encapsulated in
cans, spheres or microencapsulated in highly porous structures with protecting
envelopes.
This PhD thesis deals with thermal storage and heat transfer in fixed and
fluidized beds with phase change materials (PCMs). The behavior of a bed with
granular PCM as a thermal storage system is studied. Charging and discharging
experiments are carried out and models for the transient response of the bed
are developed for fixed and fluidized bed configurations. Moreover, a model for
the heat transfer coefficient between the bed of PCM and an immersed surface
is presented and validated with experimental measurements.
The experimental studies are conducted in a cylindrical bed filled with granular
PCM and with air as the working fluid. The bed has an internal diameter
of 200 mm. The granular PCMs used consist of paraffin, which is the material
that changes its phase, bounded within a secondary supporting structure of
SiO2, which ensures that the paraffin does not leak from the granulate when in
its liquid form. The material is commercialized by Rubithermr and is available
in two sizes involving particle diameters of 1-3 mm and 0.2-0.6 mm. The finer
grade is used in fluidized bed because the particle size is appropriate for obtaining
a bubbling fluidization, whereas the coarser grade is employed in the fixed
bed conditions to achieve high gas velocities without exceeding the minimum
fluidization velocity.
The study of the storage behavior of a fluidized bed filled with PCM includes
the comparison of its performance to that of well-known storage methods such
as fluidized beds with sand and packed beds with sand and PCM. To accomplish
this, heating and cooling experiments are conducted in the cylindrical bed
mentioned before. For the fluidized bed with PCM the bed height and flow rate
are varied to study their influence on the storage and recovery efficiencies. In addition, the stability of the PCM during several charging-discharging cycles is
examined.
The transient response of a packed and fluidized bed with PCM is modeled
taking into account the progressive evolution of the enthalpy with the temperature
during the phase change and the energy stored in the wall of the bed.
The equations presented for each model are non-dimensionalized, which result
in the same differential equation system regardless of whether a granular PCM
or a conventional material is used. The models are positively verified against
experimental data for the granular PCM and the conventional storage material,
sand.
The experimental determination of the heat transfer coefficient between a
heated surface immersed in a fixed or fluidized bed and granular PCM is performed
employing a heat transfer probe which consists of a cylindrical variable
resistance of small diameter, 6 mm. The flow rate is varied to quantify its influence
on the heat transfer coefficient. The results obtained for the granular
PCM are compared with the heat transfer coefficients measured for the sand.
The heat transfer coefficient for the particles when they undergo a phase change
process is twice the heat transfer coefficient when there is no phase change of
the PCM.
These experimental data are used to validate a model proposed to calculate
the heat transfer coefficient between an immersed surface and fixed and bubbling
fluidized beds of granular PCM. The model consists of a two-region model
with two different voidages, where a steady conduction problem is solved for
the fixed bed case and a transient one for the fluidized bed case.
El almacenamiento térmico es una tecnología clave para la conservación de energía ya que muchas fuentes energéticas son por naturaleza intermitentes en el tiempo. El almacenamiento de calor latente se considera una de las formas más efectivas de almacenar energía térmica ya que proporciona una alta densidad de almacenamiento energético con pequeñas variaciones en la temperatura, a diferencia del almacenamiento mediante calor sensible. Existen diversas tecnologías para almacenar calor sensible, latente o la combinación de ambos. Entre ellas, los lechos fijos y fluidizados son una opción válida cuando los materiales están encapsulados o microencapsulados en estructuras porosas protegidas por algún tipo de carcasa. Esta tesis doctoral estudia el almacenamiento térmico y la transferencia de calor en lechos fijos y fluidizados con materiales de cambio de fase (MCF). Con el fin de analizar el comportamiento de estos lechos con MCF como sistema de almacenamiento térmico, se han realizado ciclos de carga y descarga y se ha modelado la respuesta transitoria del lecho en condiciones de lecho fijo y de lecho fluidizado. Además, se incluye un modelo para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor entre el lecho con MCF (ya sea fijo o fluidizado) y una superficie sumergida en el mismo. Tanto los modelos de almacenamiento de calor en el lecho como el del coeficiente de transferencia han sido validados con medidas experimentales. Los ensayos experimentales se han realizado en un lecho cilíndrico con MCF y aire como fluido de trabajo. El MCF granular utilizado consiste en una parafina, que es el material que cambia de fase, inmersa en una estructura secundaria de sílice que la soporta. Este tipo de recubrimiento asegura que no haya pérdidas de parafina cuando ésta esté en estado líquido. Este material lo comercializa la empresa Rubithermr y está disponible en dos tamaños de partícula: 1-3 mm y 0.2-0.6 mm. Las partículas más finas se utilizan en el lecho fluidizado ya que su menor tamaño permite conseguir un lecho burbujeante sin necesidad de altos caudales de aire, en cambio las partículas más gruesas se usan en el lecho fijo para poder aumentar el caudal sin llegar a sobrepasar la velocidad de mínima fluidización del material. El estudio del comportamiento de un lecho fluidizado con MCF incluye la comparación de su rendimiento con el de otros métodos de almacenamiento conocidos como son los lechos fluidizados con arena y los lechos fijos con arena y MCF. Con esta finalidad se han realizado ensayos de calentamiento en el lecho cilíndrico descrito anteriormente. Para el caso del lecho fluidizado con MCF también se ha estudiado la influencia que tiene la altura del lecho y el caudal utilizado en el almacenamiento y rendimiento de recuperación de energía. Además, se ha comprobado la estabilidad del MCF tras varios ciclos de carga y descarga. Para los modelos de respuesta transitoria de un lecho fijo y fluidizado con MCF se ha tenido en cuenta la variación de la entalpía con la temperatura durante el cambio de fase así como la energía almacenada en la pared del lecho. Las ecuaciones se presentan en forma adimensional y son válidas para cualquier tipo de material granular, indistintamente de si contiene MCF en su interior o no. Los modelos se han validado con los datos experimentales tanto del MCF como de la arena. La determinación experimental del coeficiente de transferencia de calor entre una superficie sumergida en un lecho fijo o fluidizado y el MCF granular se ha realizado utilizando un sensor de transferencia de calor que consiste en una resistencia cilíndrica de potencia variable de 6 mm de diámetro. El flujo de aire se ha modificado para cuantificar su influencia en el coeficiente de transferencia de calor. Los resultados experimentales obtenidos para el MCF se han comparado con los de la arena para los dos tipos de tecnología, lecho fijo o fluidizado. Estos datos experimentales se han usado para validar un modelo que calcula el coeficiente de transferencia de calor entre una superficie y un lecho fijo o fluidizado de MCF granular. El modelo diferencia entre dos regiones del lecho con distintas propiedades, una region cercana a la superficie de intercambio de calor y otra alejada de ésta. El modelo es apto para lecho fijo y fluidizado aunque para el primer caso se resuelve un problema de conducción estacionaria y para el segundo uno de conducción transitoria.
El almacenamiento térmico es una tecnología clave para la conservación de energía ya que muchas fuentes energéticas son por naturaleza intermitentes en el tiempo. El almacenamiento de calor latente se considera una de las formas más efectivas de almacenar energía térmica ya que proporciona una alta densidad de almacenamiento energético con pequeñas variaciones en la temperatura, a diferencia del almacenamiento mediante calor sensible. Existen diversas tecnologías para almacenar calor sensible, latente o la combinación de ambos. Entre ellas, los lechos fijos y fluidizados son una opción válida cuando los materiales están encapsulados o microencapsulados en estructuras porosas protegidas por algún tipo de carcasa. Esta tesis doctoral estudia el almacenamiento térmico y la transferencia de calor en lechos fijos y fluidizados con materiales de cambio de fase (MCF). Con el fin de analizar el comportamiento de estos lechos con MCF como sistema de almacenamiento térmico, se han realizado ciclos de carga y descarga y se ha modelado la respuesta transitoria del lecho en condiciones de lecho fijo y de lecho fluidizado. Además, se incluye un modelo para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor entre el lecho con MCF (ya sea fijo o fluidizado) y una superficie sumergida en el mismo. Tanto los modelos de almacenamiento de calor en el lecho como el del coeficiente de transferencia han sido validados con medidas experimentales. Los ensayos experimentales se han realizado en un lecho cilíndrico con MCF y aire como fluido de trabajo. El MCF granular utilizado consiste en una parafina, que es el material que cambia de fase, inmersa en una estructura secundaria de sílice que la soporta. Este tipo de recubrimiento asegura que no haya pérdidas de parafina cuando ésta esté en estado líquido. Este material lo comercializa la empresa Rubithermr y está disponible en dos tamaños de partícula: 1-3 mm y 0.2-0.6 mm. Las partículas más finas se utilizan en el lecho fluidizado ya que su menor tamaño permite conseguir un lecho burbujeante sin necesidad de altos caudales de aire, en cambio las partículas más gruesas se usan en el lecho fijo para poder aumentar el caudal sin llegar a sobrepasar la velocidad de mínima fluidización del material. El estudio del comportamiento de un lecho fluidizado con MCF incluye la comparación de su rendimiento con el de otros métodos de almacenamiento conocidos como son los lechos fluidizados con arena y los lechos fijos con arena y MCF. Con esta finalidad se han realizado ensayos de calentamiento en el lecho cilíndrico descrito anteriormente. Para el caso del lecho fluidizado con MCF también se ha estudiado la influencia que tiene la altura del lecho y el caudal utilizado en el almacenamiento y rendimiento de recuperación de energía. Además, se ha comprobado la estabilidad del MCF tras varios ciclos de carga y descarga. Para los modelos de respuesta transitoria de un lecho fijo y fluidizado con MCF se ha tenido en cuenta la variación de la entalpía con la temperatura durante el cambio de fase así como la energía almacenada en la pared del lecho. Las ecuaciones se presentan en forma adimensional y son válidas para cualquier tipo de material granular, indistintamente de si contiene MCF en su interior o no. Los modelos se han validado con los datos experimentales tanto del MCF como de la arena. La determinación experimental del coeficiente de transferencia de calor entre una superficie sumergida en un lecho fijo o fluidizado y el MCF granular se ha realizado utilizando un sensor de transferencia de calor que consiste en una resistencia cilíndrica de potencia variable de 6 mm de diámetro. El flujo de aire se ha modificado para cuantificar su influencia en el coeficiente de transferencia de calor. Los resultados experimentales obtenidos para el MCF se han comparado con los de la arena para los dos tipos de tecnología, lecho fijo o fluidizado. Estos datos experimentales se han usado para validar un modelo que calcula el coeficiente de transferencia de calor entre una superficie y un lecho fijo o fluidizado de MCF granular. El modelo diferencia entre dos regiones del lecho con distintas propiedades, una region cercana a la superficie de intercambio de calor y otra alejada de ésta. El modelo es apto para lecho fijo y fluidizado aunque para el primer caso se resuelve un problema de conducción estacionaria y para el segundo uno de conducción transitoria.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Heat transfer, Thermal storage, Fluidized beds