The present thesis work presents an advanced numerical model for the simulation of a concrete-based thermal storage system which makes use of steam as heat transfer fluid. The system is known as thermal battery. The computation of water thermodynamic and transport properties is carried out by means of the IAPWS IF-97 implemented in a new vectorial function in MATLAB environment. The new function computes more than one generic or phase thermodynamic or transport property for many thermodynamic points at once. Properties computed with the new function are compared to properties computed by the already existing scalar function XSteam. The maximum relative error between results amounts at 3.55*10^-6. The new function allows to reach approximately the 80 % of time-saving in computing many thermodynamic points. The simulation is performed in MATLAB environment and is organized in a modular code. It is the rst simulation of the considered thermal battery ever performed. The simulation maps all thermodynamic properties inside the thermal battery in all time instants at once, which makes the code vectorial both in space and in time. The following correlations from literature are implemented: Mueller-SteinhagenHeck/Shannak and Filonenko correlations for two-phase and single-phase frictional pressure drops respectively; Rouhani and Axelsson correlation for void fraction; Dittus-Boelter, Kandlikar and Shah correlations for single-phase, flow boiling, condensing flow heat transfer coefficients respectively. One discharge and one charge simulations are performed on a tube bundle-only, made of ten horizontal consecutive pipes. The duration of the process is 600 seconds. Initial temperature of heatcrete is taken uniform and equal to 427°C for the discharge mode, it is uniform and equal to 27°C for the charge mode. Saturated liquid and saturated vapor enter the pipe at 35 bar during discharge and charge respectively. All results show a reasonable trend over time and space. It is computed that the energy released by heatcrete to water amounts at 308MJ and energy stored by heatcrete from water amounts at 255MJ.
Il presente elaborato di tesi descrive un modello numerico avanzato per la simulazione di un sistema di accumulo di energia termica in cemento tramite acqua come fluido termovettore. Il sistema porta il nome di batteria termica. Le proprietà termodinamiche e di trasporto dell'acqua sono calcolate tramite la formulazione IAPWS IF-97, implementata in una nuova funzione vettoriale in ambiente MATLAB. La nuova funzione calcola più di una proprietà termodinamica o di trasporto generica o di fase per più punti termodinamici in una sola chiamata. Le proprietà calcolate con la nuova funzione sono comparate a quelle ottenute dalla già esistente funzione scalare XSteam. Il massimo errore relativo fra i risultati ammonta a 3.55*10^-6. La nuova funzione permette di ottenere approssimativamente un risparmio dell'80 % sui tempi di calcolo di tanti punti termodinamici. La simulazione si svolge in ambiente MATLAB ed è organizzata in un codice modulare. Si tratta della prima simulazione mai eseguita della batteria termica in esame. La simulazione mappa tutte le proprietà termodinamiche nella batteria termica in tutti gli istanti di tempo in una sola chiamata, il che rende il codice vettoriale sia nello spazio che nel tempo. Le seguenti correlazioni di letteratura sono implementate: le correlazioni di Mueller-Steinhagen-Heck/Shannak e Filonenko per rispettivamente le cadute di pressione di attrito bifase e monofase; la correlazione di Rouhani ed Axelsson per la frazione di vuoto; le correlazioni di Dittus-Boelter, Kandlikar e Shah rispettivamente per i coefficienti di scambio termico dei flussi monofase, in ebollizione e in condensazione. Una simulazione per la scarica e una per la carica sono eseguite per il solo fascio tubiero, composto da dieci tubi orizzontali consecutivi. La durata del processo è di 600 secondi. La temperatura iniziale del cemento è assunta uniforme e pari a 427°C per la scarica, pari a 27°C per la carica. Liquido saturo e vapore saturo entrano nel fascio tubiero a 35 bar durante la scarica e la carica rispettivamente. Tutti i risultati mostrano un andamento ragionevole sia nel tempo che nello spazio. L'energia rilasciata dal cemento all'acqua ammonta a 308MJ e l'energia accumulata dal cemento e sottratta all'acqua è 255MJ.
Development of an advanced numerical model for a concrete-based thermal storage system using steam as heat transfer fluid
Bordigoni, Alessandro
2020/2021
Abstract
The present thesis work presents an advanced numerical model for the simulation of a concrete-based thermal storage system which makes use of steam as heat transfer fluid. The system is known as thermal battery. The computation of water thermodynamic and transport properties is carried out by means of the IAPWS IF-97 implemented in a new vectorial function in MATLAB environment. The new function computes more than one generic or phase thermodynamic or transport property for many thermodynamic points at once. Properties computed with the new function are compared to properties computed by the already existing scalar function XSteam. The maximum relative error between results amounts at 3.55*10^-6. The new function allows to reach approximately the 80 % of time-saving in computing many thermodynamic points. The simulation is performed in MATLAB environment and is organized in a modular code. It is the rst simulation of the considered thermal battery ever performed. The simulation maps all thermodynamic properties inside the thermal battery in all time instants at once, which makes the code vectorial both in space and in time. The following correlations from literature are implemented: Mueller-SteinhagenHeck/Shannak and Filonenko correlations for two-phase and single-phase frictional pressure drops respectively; Rouhani and Axelsson correlation for void fraction; Dittus-Boelter, Kandlikar and Shah correlations for single-phase, flow boiling, condensing flow heat transfer coefficients respectively. One discharge and one charge simulations are performed on a tube bundle-only, made of ten horizontal consecutive pipes. The duration of the process is 600 seconds. Initial temperature of heatcrete is taken uniform and equal to 427°C for the discharge mode, it is uniform and equal to 27°C for the charge mode. Saturated liquid and saturated vapor enter the pipe at 35 bar during discharge and charge respectively. All results show a reasonable trend over time and space. It is computed that the energy released by heatcrete to water amounts at 308MJ and energy stored by heatcrete from water amounts at 255MJ.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
Bordigoni_12_2020.pdf
non accessibile
Dimensione
3.81 MB
Formato
Adobe PDF
|
3.81 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/169230