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Post-Doctorant - Modélisation et Dimensionnement d'Un Échangeur de Chaleur Multiétagé à Lit Fluidisé H/F
Le sujet de recherche proposé est intégré au projet européen Powder2Power dont l'objectif est de développer au stade prototype un système de conversion de l'énergie solaire concentrée en chaleur et électricité mettant en oeuvre des particules comme fluide caloporteur et matériau de stockage. Dans un tel système, les particules sont chauffées dans une récepteur solaire soumis au rayonnement concentré, stockées dans un réservoir (stock chaud) puis convoyées vers un échangeur de chaleur particules-fluide de travail du cycle thermodynamique avant d'être renvoyées vers le récepteur solaire par l'intermédiaire d'un réservoir tampon (stock froid). L'échangeur est un composant critique du système car, contrairement aux échangeurs classiques, il met en oeuvre des particules fluidisées comme fluide chaud. Le travail consistera d'une part à développer un modèle réaliste de l'échangeur et d'autre part à dimensionner celui-ci pour plusieurs puissances en tenant compte des contraintes technologiques de construction.
Activités
Présentation détaillée
Ce projet concerne l'échangeur de chaleur particules-fluide de travail développé dans le cadre du projet européen « Powder2Power ». Il comporte deux volets complémentaires, (1) la modélisation thermique de l'échangeur, (2) le dimensionnement de ce composant en tenant compte des contraintes technologiques.
Le concept choisi est un lit fluidisé multi-étagé horizontal à contre-courant. Les particules chaudes circulent à contre-courant du fluide de travail qui alimente une turbine. Les étages (ou compartiments) sont destinés à créer un gradient de température favorable au transfert de chaleur entre les particules et le fluide. Le fluide de travail choisi est du CO2 supercritique dans le cas des installations commerciales et de l'air sous pression dans l'expérimentation du projet Powder2Power.
Modélisation thermique de l'échangeur
Compte tenu du mouvement intense des particules qui conduit à une homogénéisation rapide de la température dans un lit fluidisé, le modèle thermique le plus simple fait l'hypothèse que la température des particules est constante dans chaque étage et déterminée par un simple bilan énergétique permettant de déterminer la température de sortie du fluide de travail en fonction des températures d'entrée et des débits. Cette hypothèse implique que la température d'entrée des particules dans chaque étage est égale à la température de sortie. Les raffinements de ce modèle simple qui seront développés durant ce projet de recherche concernent, en particulier, la prise en compte :
- Des échanges entre les étages à travers les parois de séparation,
- Des pertes thermiques vers l'extérieur,
- Des transferts dans les zones d'entrée des particules chaudes affectant la distribution de température dans chaque étage,
- Des modifications des échanges de chaleur lit fluidisé-tubes en fonction de l'assemblage interne des tubes.
Une validation du modèle sera réalisée grâce aux mesures faites sur le prototype disponible dans le cadre du projet Powder2Power.
Dimensionnement de l'échangeur
Le nombre d'étages nécessaires pour atteindre un écart de température entre la température d'entrée des particules et la température de sortie du fluide entre 10 et 40°C sera calculé pour plusieurs puissances, de 1 à 60 MWth. Les dimensions caractéristiques à déterminer sont, la longueur, la largeur et la hauteur des étages, ainsi que la longueur totale des tubes dans lesquels circule le fluide. Les pertes de charge subies par le fluide seront également déterminées. Les éléments critiques d'ingénierie tels que le type de matériaux adaptés aux conditions de travail : particules à 750°C et haute pression dans les tubes, 20-30 MPa et la taille maximum d'un échangeur seront discutés.
Compétences
Titulaire d'un doctorat ayant des compétences dans les domaines de la thermique et du génie des procédés et des capacités de modélisation et simulation numérique. Des connaissances dans le domaine des matériaux à haute température seront appréciées
Contexte de travail
Le projet s'inscrit dans le cadre des recherches sur l'énergie solaire sur le site TSI (Thémis Solaire Innovation) où le laboratoire PROMES développe depuis plusieurs années un procédé original de captation et stockage de l'énergie solaire à haute température (600-750°C). Ce procédé est basé sur l'utilisation de particules pour capter, transporter et stocker la chaleur solaire délivrée par le concentrateur à tour de TSI. Il est développé dans le cadre de 2 projets collaboratifs européens coordonnés par le laboratoire : Next-CSP qui s'est achevé en 2021 et Powder2Power qui a commencé en octobre 2023 pour une durée de 4 ans. La chaleur solaire produite peut alimenter un procédé industriel ou être transformée en électricité via une turbine.
Le laboratoire PROMES est une Unité Propre du CNRS (UPR 8521) rattachée à l'Institut des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (INSIS) conventionnée avec l'université de Perpignan via Domitia (UPVD). Le laboratoire est localisé sur trois sites : Odeillo-Font Romeu (Four solaire de 1 MW du CNRS), Targasonne (Thémis, centrale à tour de 5 MW, site du Conseil Départemental des PO) et Perpignan, Tecnosud. Le laboratoire rassemble environ 150 personnes du CNRS et de l'UPVD autour d'un sujet fédérateur, l'énergie solaire et sa valorisation comme source d'énergie et de hautes températures. PROMES anime le laboratoire d'excellence (Labex) SOLSTICE (SOLaire : Sciences, Technologies, Innovations pour la Conversion d'Energie)
La recherche est organisée selon trois grandes thématiques
- Matériaux pour l'Énergie et l'Espace (MEE)
- Centrales Solaires de Prochaines Générations (CSPG)
- Stockage et Chimie Solaire (SCS).
Le projet se déroulera dans le cadre de la thématique CSPG sous la direction de Gilles Flamant et Emmanuel Guillot.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques
Pas de risques particuliers
Activités
Présentation détaillée
Ce projet concerne l'échangeur de chaleur particules-fluide de travail développé dans le cadre du projet européen « Powder2Power ». Il comporte deux volets complémentaires, (1) la modélisation thermique de l'échangeur, (2) le dimensionnement de ce composant en tenant compte des contraintes technologiques.
Le concept choisi est un lit fluidisé multi-étagé horizontal à contre-courant. Les particules chaudes circulent à contre-courant du fluide de travail qui alimente une turbine. Les étages (ou compartiments) sont destinés à créer un gradient de température favorable au transfert de chaleur entre les particules et le fluide. Le fluide de travail choisi est du CO2 supercritique dans le cas des installations commerciales et de l'air sous pression dans l'expérimentation du projet Powder2Power.
Modélisation thermique de l'échangeur
Compte tenu du mouvement intense des particules qui conduit à une homogénéisation rapide de la température dans un lit fluidisé, le modèle thermique le plus simple fait l'hypothèse que la température des particules est constante dans chaque étage et déterminée par un simple bilan énergétique permettant de déterminer la température de sortie du fluide de travail en fonction des températures d'entrée et des débits. Cette hypothèse implique que la température d'entrée des particules dans chaque étage est égale à la température de sortie. Les raffinements de ce modèle simple qui seront développés durant ce projet de recherche concernent, en particulier, la prise en compte :
- Des échanges entre les étages à travers les parois de séparation,
- Des pertes thermiques vers l'extérieur,
- Des transferts dans les zones d'entrée des particules chaudes affectant la distribution de température dans chaque étage,
- Des modifications des échanges de chaleur lit fluidisé-tubes en fonction de l'assemblage interne des tubes.
Une validation du modèle sera réalisée grâce aux mesures faites sur le prototype disponible dans le cadre du projet Powder2Power.
Dimensionnement de l'échangeur
Le nombre d'étages nécessaires pour atteindre un écart de température entre la température d'entrée des particules et la température de sortie du fluide entre 10 et 40°C sera calculé pour plusieurs puissances, de 1 à 60 MWth. Les dimensions caractéristiques à déterminer sont, la longueur, la largeur et la hauteur des étages, ainsi que la longueur totale des tubes dans lesquels circule le fluide. Les pertes de charge subies par le fluide seront également déterminées. Les éléments critiques d'ingénierie tels que le type de matériaux adaptés aux conditions de travail : particules à 750°C et haute pression dans les tubes, 20-30 MPa et la taille maximum d'un échangeur seront discutés.
Compétences
Titulaire d'un doctorat ayant des compétences dans les domaines de la thermique et du génie des procédés et des capacités de modélisation et simulation numérique. Des connaissances dans le domaine des matériaux à haute température seront appréciées
Contexte de travail
Le projet s'inscrit dans le cadre des recherches sur l'énergie solaire sur le site TSI (Thémis Solaire Innovation) où le laboratoire PROMES développe depuis plusieurs années un procédé original de captation et stockage de l'énergie solaire à haute température (600-750°C). Ce procédé est basé sur l'utilisation de particules pour capter, transporter et stocker la chaleur solaire délivrée par le concentrateur à tour de TSI. Il est développé dans le cadre de 2 projets collaboratifs européens coordonnés par le laboratoire : Next-CSP qui s'est achevé en 2021 et Powder2Power qui a commencé en octobre 2023 pour une durée de 4 ans. La chaleur solaire produite peut alimenter un procédé industriel ou être transformée en électricité via une turbine.
Le laboratoire PROMES est une Unité Propre du CNRS (UPR 8521) rattachée à l'Institut des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (INSIS) conventionnée avec l'université de Perpignan via Domitia (UPVD). Le laboratoire est localisé sur trois sites : Odeillo-Font Romeu (Four solaire de 1 MW du CNRS), Targasonne (Thémis, centrale à tour de 5 MW, site du Conseil Départemental des PO) et Perpignan, Tecnosud. Le laboratoire rassemble environ 150 personnes du CNRS et de l'UPVD autour d'un sujet fédérateur, l'énergie solaire et sa valorisation comme source d'énergie et de hautes températures. PROMES anime le laboratoire d'excellence (Labex) SOLSTICE (SOLaire : Sciences, Technologies, Innovations pour la Conversion d'Energie)
La recherche est organisée selon trois grandes thématiques
- Matériaux pour l'Énergie et l'Espace (MEE)
- Centrales Solaires de Prochaines Générations (CSPG)
- Stockage et Chimie Solaire (SCS).
Le projet se déroulera dans le cadre de la thématique CSPG sous la direction de Gilles Flamant et Emmanuel Guillot.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques
Pas de risques particuliers
Publiée le 07/01/2025
