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International audience; Thermal storages are components used in energy systems, such as district heating networks or thermal power plants, in order to decouple the supply of heat from its use. Usage rate of monophasic thermocline storages is highly dependent on the thermal gradient zone inside the fluid, also named thermocline. While thermal stratification results of a formation phase followed by a degradation phase, the early stages of thermocline establishment is primarily responsible for its thickness. CFD allow to consider the multiple physical phenomena involved during the thermocline formation, in particular the buoyancy effects. These effects are usually considered by selecting either a variable density with respect to the temperature or a constant one by using the commonly used (first-order) Boussinesq approximation. However, the former approach implies an increased computational cost, and the latter is only valid for an unclear validity range of temperature difference. Hence, this article suggests the use of a second-order Boussinesq approximation, coupled with a RANS turbulence approach, to better account for buoyancy effects in a turbulent water flow submitted to a large temperature differences. CFD results obtained with a quadratic Boussinesq approximation are similar to the one obtained with a variable density but with a computation time reduced by half. This approach is applied to the issue of reducing the thermocline thickness during its creation and the impact of linear flow rate ramps is assessed on both a uniform and initially stratified storage. On an initially cold tank, results show that the longer the ramp time, the thinner the thermocline. In contrast, on the initially stratified tank tested, a gradual injection shows no significant reduction of the thermocline thickness. This can be relevant when performing storage management enhancement.

Un réservoir thermocline stocke de la chaleur sensible. Son fonctionnement est basé sur la coexistence de deux zones : une froide (en bas) et une chaude (en haut). Celles-ci sont maintenues grâce à l'écart de masse volumique du fluide, causé par la différence de température. La zone intermédiaire, celle du gradient thermique, est appelée zone thermocline. Plus la stratification est faible, plus le gradient thermique est étalé, et plus l'énergie valorisable diminue. La zone thermocline est donc directement reliée aux performances du stockage. La littérature s'accorde sur le fait que l'épaisseur de cette zone résulte d'une phase initiale de formation (écoulement turbulent) puis d'une phase de dégradation (écoulement laminaire) causée par la conduction au sein du fluide, des phénomènes de mélanges à l'interface chaud/froid et des pertes thermiques aux parois. La formation de la thermocline est le phénomène prépondérant dans son épaisseur d'où la nécessité d'étudier localement la distribution du fluide. Les distributeurs (géométrie, position) et les paramètres opératoires (vitesse d'écoulement, $\Delta$T) sont déterminants dans la stratification mais leur interaction n'est pas encore bien comprise. La vitesse d'écoulement est directement reliée à la puissance extractible du stockage. Actuellement, une vitesse limite d'écoulement de 2 mm/s est communément adoptée pour ne pas déstabiliser la thermocline. Les questions du dépassement de cette limite ainsi que sa dépendance à la température se posent. A ce jour, les données disponibles sont incomplètes pour étudier précisément la formation de la thermocline, notamment en raison d'absence d'instrumentation fine à proximité des distributeurs et de gamme d'essais dont l'étendue n'est pas suffisante. Déterminer la limite de non-stratification, couvrir des essais avec une vitesse d'écoulement supérieure à 2mm/s et une gamme de $\Delta$T suffisante, est la motivation du développement de notre nouvelle installation expérimentale. La CFD est utilisée pour étudier localement la distribution du fluide. Cependant, la turbulence anisotrope imposée par la stratification thermique ainsi que la coexistence d'une zone turbulente avec une zone laminaire au sein du stockage sont des phénomènes complexes à modéliser. Pour obtenir un modèle CFD capable de retranscrire ces phénomènes, l'influence des différentes approximations physiques est dans un premier temps étudiée dans les conditions opératoires issues d'une publication dans laquelle une phase de charge est considérée et le distributeur est un jet impactant. L'eau est injectée à 50.8$^{\circ}$C dans une cuve à 25.9$^{\circ}$C. La vitesse d'écoulement dans la cuve est de 0.76 mm/s. Dans cette configuration, les conditions d'entrée (variables turbulentes, rampe et marche en débit) sont étudiées.

Study on convective heat transfer of supercritical carbon dioxyde flow have been performed. An experimental apparatus was build, allowing an experimental investigation of heat transfer and pressure drop during cooling of supercritical CO2 turbulent flows. Horizontal and vertical flows were considered.Experimental results on vertical flows show that heat transfer coefficient reach a peak at a temperature close to the pseudo-critical one and that the peak value is decreasing with increasing pressure. A strong influence of mixed convection has to be taken into account too. Results were presented on a classical form used in mixed convection studies in heating condition, leading to the conclusion that mixed convection behaviors are quite similar in heating and cooling conditions.A numerical model for supercritical fuids flows was developped too, in heating conditions., Une étude des transferts de chaleur convectifs de CO2 supercritique a été menée. Une installation expérimentale a été construite pour la thèse et a permis une investigation expérimentale des transferts de chaleur et des pertes de pressions lors du refroidissement d'écoulements turbulents de CO2 supercritique. Des configurations verticales et horizontales ont été considérées.Les campagnes d'essais en écoulement vertical ont montré que le cœfficient d'échange montrait une forme particulière caractérisée par un pic au voisinage de la température pseudo-critique, la valeur au pic diminue à mesure que la pression augmente. Il apparaît également qu'une forte influence de la convection mixte est à considérée. Les résultats ont été présentés sous une forme caractéristique des études sur la convection mixte en chauffage, confirmant ainsi que les comportements de la convection mixte sont analogues en chauffage et en refroidissement.Parallèlement, un modèle numérique pour la simulation d'écoulement turbulents de fluides supercritiques a été développé.

International audience

National audience; Cet article présente les résultats expérimentaux de transfert de chaleur obtenus lors du refroidissement d’écoulements verticaux descendants de CO2 supercritique, en régime turbulent. Le dispositif expérimental développé pour l’étude, ainsi que sa spécificité par rapport à une pompe à chaleur au CO2, sont plus particulièrement abordés. Les résultats expérimentaux mettent plus particulièrement en lumière l’influence de la convection mixte sur les transferts thermiques dans cette configuration.

This paper presents the results of a numerical approach of a vertical CO2 supercritical fluid flow. Results have been compared with the experimental data, on velocity and shear stress profiles at a supercritical pressure in a heated 22.7 mm diameter vertical tube.

Due to the increase in energy prices and spiralling consumption, there is a need to greatly reduce the cost of electricity within data centers, where it makes up 50% of the total cost of the IT infrastructure. A technological solution to this is using on-chip cooling with a single-phase or evaporating liquid to replace energy intensive air-cooling. The energy carried away by the liquid or vapour can also potentially be used in district heating, as an example. Thus, the important issue here is “what is the most energy efficient heat removal process?” As an answer, this paper presents a direct comparison of single-phase water, a 50% water ethylene glycol mixture and several two-phase refrigerants, including the new fourth generation refrigerants HFO1234yf and HFO1234ze. Two-phase cooling using HFC134a had an average junction temperature 9 to 15˚C lower than for single-phase cooling, while the required pumping power for the CPU cooling element for single-phase cooling was on the order of 20-130 times higher to achieve the same junction temperature uniformity. Hot-spot simulations also showed that two-phase refrigerant cooling was able to adjust to local hot-spots because of flow boiling's dependency on the local heat flux, with junction temperatures being 20 to 30˚C lower when compared to water and the 50% water-ethylene glycol mixture, respectively. An exergy analysis was developed considering a cooling cycle composed by a pump, a condenser and a multi-microchannel cooler. The focus was to show the exergetic efficiency of each component and of the entire cycle when the subject energy recovery is considered. Water and HFC134a were the working fluids evaluated in such analysis. The overall exergetic efficiency was higher when using HFC134a (about 2%) and the exergy destroyed, i.e. irreversibilities, showed that the cooling cycle proposed still have a huge potential to increase the thermodynamic performance.