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Offre de Stage : Etude expérimentale d’un concept de récepteur solaire multitubulaire à particules fluidisées

Niveau : Master 2 ou Ecole d’ingénieurs

Lieu : PROMES Odeillo

Encadrants : Gilles Flamant, Samuel Mer, Adrien Toutant

Gratification : ~600€/mois

Présentation du sujet :

Dans le contexte énergétique actuel, le développement et l’optimisation des procédés de conversion des énergies renouvelables suscite de plus en plus d’attention. Les technologies solaires concentrés (CSP) s’inscrivent dans ces procédés propres de génération d’énergie. Cette technique consiste à concentrer les rayons du soleil à l’aide de miroirs (héliostats) sur un récepteur pour produire de la chaleur. Celle-ci est transférée par un fluide caloporteur vers un échangeur de chaleur qui transmet l’énergie à un fluide de travail couplé à un cycle thermodynamique transformant la chaleur en électricité. Le rendement de conversion du cycle augmente avec la température de la source chaude. Actuellement, les sels fondus utilisés comme fluide de transfert offrent une température de source chaude de 550°C et un rendement de conversion de 42%.

Dans ce contexte, le laboratoire PROMES développe des recherches visant à augmenter ce rendement de conversion de 42 à 50 % via l’utilisation de cycles combinés, associant une turbine à gaz avec une turbine à vapeur ou de cycles supercritiques. Le cycle amont nécessite une température de source chaude de 700 à 800°C environ ne pouvant être atteinte avec les fluides caloporteurs actuels. La solution envisagée pour atteindre ces températures est d’utiliser comme fluide caloporteur des particules fluidisées par de l’air. La faisabilité de cette technique, qui offre également une solution pour le stockage thermique massif de l’énergie, a déjà été démontrée et plusieurs projets ont permis de mettre en place une base de données expérimentales concernant les écoulements de lits fluidisés tant en conditions de température ambiante que sous irradiation solaire concentrée.

En particulier, des essais à grande échelle (40 tubes soumis au rayonnement solaire concentré) ont révélé l’existence de passages préférentiels des particules dans certains tubes qui pourraient être liés à des variations de la vitesse du gaz dues à des écarts de température. Le but du stage est de valider cette hypothèse à l’aide d’expérimentations à l’échelle laboratoire et de proposer des solutions pour éviter que le système évolue vers l’arrêt de la circulation du solide dans certains tubes et donc à leur surchauffe. Il s’agit donc d’étudier comment une perturbation imposée sur un tube se propage aux tubes adjacents.

La maquette qui sera utilisée a été construite au laboratoire PROMES (Grand Four Solaire d’Odeillo) afin d’étudier la structure des écoulements de particules fluidisées dans des tubes à forts ratios hauteur/diamètre, à température ambiante dans un premier temps. Les particules sont fluidisées dans un caisson, appelé « dispenser » qui est mis sous pression grâce à une vanne de régulation. Dans ce caisson sont immergés un ou plusieurs tubes de 3m68 de longueur, ayant chacun une injection d’air secondaire (aération) afin de faire varier la vitesse de l’air au sein des tubes et ainsi changer le régime de fluidisation et la fraction volumique des particules. La régulation du débit de particules en sortie d’un tube est réalisée grâce à la pression imposée dans le dispenser et au débit d’aération. La compréhension de la physique des écoulements dans un tube est maintenant bien acquise mais il est désormais nécessaire de comprendre le comportement du système avec 3 tubes dont l’un est soumis à une variation de débit d’aération.

Plan 3D (gauche) et schéma du principe de fonctionnement (droite) du banc expérimental

L’étudiant.e devra travailler sur les points suivants :
           

  • Etude bibliographique sur les systèmes multitubulaires,
  • Montage et instrumentation du banc expérimental avec trois tubes,
  • Réalisation d’expériences sur le banc expérimental : variation des débits de particules suite à une perturbation de la vitesse d’aération imposée au tube central.
  • Exploitation et interprétation des résultats.

Ce stage s’inscrit dans les travaux de thèse de Ronny Gueguen et de Guillaume Sahuquet.

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