Introducción/Objetivo

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica sensible (TES) [1] que utilizan agua como medio de almacenamiento tienen gran aplicación en el sector de la calefacción. El estudio de Krüger et al. [2] publicado en la revista Journal of Energy Storage de la editorial Elsevier investiga, utilizando COMSOL Multiphysics® la relación de aspecto de un tanque de TES (definida como la relación entre la altura y el diámetro del tanque de almacenamiento) afecta la eficiencia del almacenamiento de energía, la estratificación térmica y el rendimiento exergético.

Modelización

La Figura 1 muestra el esquema del modelo bidimensional y axisimétrico desarrollado en COMSOL Multiphysics de un TES de 4 300 m3 [3], y también de sus condiciones de contorno. El modelo incorpora ecuaciones las ecuaciones de conducción de calor en las partes sólidas (aislamientos y paredes) sin generación de calor, y las ecuaciones de Navier-Stokes para el agua, considerada como fluido incompresible y considerando convección natural. El enfoque bidimensional y axisimétrico de COMSOL permite reducir el coste computacional y simular el comportamiento del tanque TES durante las fases de carga, descarga y reposo. Se estudiaron de aspecto entre 1 y 4 para analizar sus efectos, por ejemplo, en la distribución de temperatura.

Resultados/Conclusiones

Las simulaciones mostraron que, al aumentar la relación de aspecto, en general, se mejora la estratificación térmica, pero también aumentan las pérdidas de calor debido a una mayor área superficial. La estructura del flujo del agua que entra al tanque por la parte superior se define principalmente por su temperatura, como se muestra en la Figura 2 (a). La Figura 2 (b) muestra el campo de temperatura dentro de todo el almacenamiento transcurridas 16 horas y 45 minutos. Las flechas indican la dirección y la magnitud del flujo del fluido dentro del almacenamiento. El movimiento descendente de la inversión térmica cerca de la línea central es claramente visible en la parte superior del tanque.

Este artículo pone de manifiesto el potencial COMSOL Multiphysics® como herramienta para modelizar, simular numéricamente y optimizar el diseño sistemas de almacenamiento de energía térmica.

Figura 1. Representación esquemática del modelo numérico y sus condiciones de contorno.

Figura 2. (a) Magnitud de la velocidad del flujo en m/s y líneas de corriente cerca del difusor radial superior del tanque durante el proceso de carga. (b) Campo de temperatura en °C en el tanque después de 16 horas y 45 minutos. Las flechas indican la dirección y la magnitud del flujo del fluido dentro del almacenamiento. La flecha más grande corresponde a una magnitud de velocidad de 1.2 cm/s.

Referencias

[1] L. Miró, J. Gasia, L.F. Cabeza. Thermal energy storage (TES) for industrial waste heat (IWH) recovery: A review. Applied Energy (2016) 179, 284-301.
[2] B. Krüger, F. Dammel , P. Stephan. Investigating the aspect ratio’s influence on the exergetic performance and thermocline dynamics of a large water-based thermal energy storage system. Journal of Energy Storage 91 (2024) 112058.
[3] ENTEGA AG. https://www.entega.ag