Modeling of the heat losses from a sodium-cooled receiver for small scale CSP applications

In this thesis work heat losses from as the sodium-cooled CSP receiver inspired to the one adopted in the 1.1 MWe Jemalong Solar Thermal Station (Australia) have been studied. The Jemalong receiver geometry by Vast Solar has been simplified and modelled, and the convective heat losses from the hot surface of the receiver have been evaluated using 3D Computational Fluid Dynamics (CFD), using the commercial software STAR-CCM+. CFD thermal and dynamics results are studied and analysed in order to understand the fluid and temperature field around the receiver under different input parameters such as the receiver surface temperature and the external wind intensity. As additional novelty item, heat losses dependency on wind direction is evaluated. CFD data are exploited to develop a set of empirical correlations to be used for the future assessment of convective heat losses. In particular, one natural convection and two forced convection correlations have been developed, resulting in a final average 9% accuracy between CFD and correlation data for any receiver temperature, wind intensity and wind direction condition. Finally, the results obtained from the empirical correlations are compared to the heat losses computed from other correlations for vertical and tilted plates available in literature in the case of uniform temperature distribution on the absorber surface, enlightening the remarkable difference in the average heat transfer coefficient results and corroborating the need for the set of correlations developed in this thesis work.

In questo lavoro di tesi sono state studiate le perdite di calore dovute a scambio termico convettivo di un ricevitore solare termico raffreddato a sodio basato sulla tecnologia CSP adottata preso la centrale solare termica di Jemalong, Australia. La geometria del ricevitore modellata in ambiente CAD è stata semplificata ed implementata in un risolutore CFD. In particolare, per questo studio il software commerciale per la risoluzione di problemi di fluidodinamica computazionale STAR-CCM+ è stato utilizzato. I risultati della CFD sono stati quindi analizzati al fine di comprendere i campi di temperatura e velocità attorno al ricevitore CSP a seconda dei diversi parametri di input al problema impostati, come la temperatura della superficie calda e l'intensità del vento esterno. Come ulteriore elemento di novità, è stata valutata la dipendenza dalle perdite di calore dalla direzione del vento. I dati della CFD sono stati quindi utilizzati per sviluppare una serie di correlazioni empiriche da utilizzare per valutare le perdite convettive del ricevitore verso l’ambiente esterno. In particolare, una correlazione per convezione naturale e due correlazioni per convezione forzata sono state sviluppate, risultando in un’accuratezza media finale del 9% con i dati ottenuti dall’analisi CFD per ogni temperatura, intensità e direzione del vento testata. I risultati ottenuti con le correlazioni empiriche sono stati poi comparati con le perdite convettive ottenute da altre correlazioni disponibili in letteratura, evidenziando una differenza sostanziale nei valori di coefficiente di cambio termico ottenuti e quindi corroborando la necessità delle correlazioni sviluppate in questo lavoro di tesi.