Numerical analysis of a solar tower receiver tube operated with liquid metals

Computational fluid dynamics is used in the present work to analyze the conjugate heat transfer in the receiver tube of a solar thermal tower operated with a liquid metal. A circumferentially and longitudinally non-uniform heat flux, due to solar irradiation, is applied on half the external surface while the other one is considered as insulated. The heat transfer mechanism of liquid metals differs from that of ordinary fluids. As a consequence, the Reynolds analogy, which assumes a constant turbulent Prandtl number close to unity, cannot be applied to these fluid flows. Therefore a recently proposed four-equation turbulence model, considering the thermal turbulence effects and the dissimilarities between the thermal and dynamical turbulence fields has been used. Two additional equations, namely one for the temperature variance and one for its dissipation rate are additionally solved, in order to determine the turbulent thermal diffusivity. The effects of the wall thickness ratio, the solid-to-fluid thermal conductivity ratio, the Peclét number and the diameter-to-length ratio have been analyzed. The calculated average Nusselt numbers closely agree with those evaluated with appropriate correlations for liquid metals, valid for uniformly distributed heat flux. Nonetheless, these are not suited to evaluate the local Nusselt number and wall temperature distribution.

Nel presente lavoro di tesi è illustrata l'analisi numerica dello scambio termico in un tubo di un ricevitore di una torre solare operato con metalli liquidi. Il flusso termico presente è fortemente non uniforme sia in direzione assiale che circonferenziale questo comporta la presenza di alti stress termici e la necessità, in fase di progettazione, di disporre di stime accurate della temperatura a parete e del coefficiente di scambio termico. Lo scopo di questo lavoro è quindi quello di confrontare i risultati numerici ottenuti con le correlazioni disponibili per il calcolo di Nu nei metalli liquidi. Il meccanismo di scambio termico dei metalli liquidi è peculiare e differisce da quello di altri fluidi comuni aventi Pr vicini o superiori all'unità. L'analogia di Reynolds non è valida per i metalli liquidi e, di conseguenza, diversi metodi per modellozzare il numero di Prandtl turbolento sono stati utilizzati e confrontati in questa tesi. Un modello a quattro equazioni recentemente proposto e specificatamente calibrato per metalli liquidi è stato scelto per effettuare l'analisi numerica. Le simulazioni svolte hanno considerato sia un flusso termico longitudinalmente costante e circonferenzialmente non uniforme che un flusso termico longitudinalmente e circonferenzialemnte non uniforme modellizzato per riprodurre quello presente in un ricevitore di una torre solare. Uno studio parametrico al variare di 4 parametri adimensionali (k*, r*, L/D, Pe) significativi è stato effettuato. I risultati in termini di temperature a parete sia esterna che interna, temperatura di bulk, Prandtl turbolento, e Nu sia locali che globali sono diffusivamente presentati e commentati. In paricolare si evince che il numero di Nusselt globale calcolato dalle simulazioni è in accordo con quello fornito da correlazioni appropriate per metalli liquidi valide per flussi termici uniformi; tuttavia, le stesse correlazioni, non sono utilizzabili per calcolare i profili di temperatura a parete o il Nusselt locale.