L'assainissement non collectif concerne 12 à 15 millions de personnes en France. La filière classique de ce mode d’assainissement se compose généralement d'un prétraitement anaérobie par une fosse septique recevant l’ensemble des eaux usées domestiques suivi d’un système d’infiltration dans le sol ou d’un filtre à sable. Le filtre à sable vertical drainé met à profit le pourvoir épuratoire qui est principalement lié à la présence d’une biomasse sous forme d’un biofilm. Cette dynamique de la croissance de la biomasse ou du biofilm est soumise à l’impact de la nature de matériaux filtrants. L’écoulement insaturé dans ces systèmes conditionne également cette croissance du biofilm. Dans ce contexte, l'objectif du travail de la thèse est d’appréhender les mécanismes mis en jeu et particulièrement l’impact des matériaux dans le fonctionnement des filtres en comparant notamment deux types de matériaux: les sables de rivière et les agrégats concassés. Pour cela, une étude expérimental sur une unité pilote composé des réacteurs de filtration du diamètre de 30cm et différents épaisseurs de garnissage (15, 30 et 70cm) a été construite. Les réacteurs garnis de deux sables roulés et deux agrégats concassés, sont alimentés en effluent septique avec une charge volumique 12cm/jour par 10 bâchés par jour. Suite des matériaux, une étude de la performance épuratoire avec le suivi des composants biochimiques de la biomasse totale et de la matrice extracellulaire du biofilm est réalisée en comparant notamment les deux types de matériaux filtrants. / The onsite wastewater treatment systems concern 12 to 15 million of people in France. The treatment plant is generally composed by a septic tank as pretreatment, followed by soil infiltration field or sand filtration bed. The vertical drained sand filter provides the purification capacity thanks to the presence of a biomass in form of the biofilm. The dynamic of the biomass growth or the biofilm development is under the impact of filter materials’ nature. In this context, the objective of this work is to understand the mechanisms involved and especially the impact of medium in the functioning of the filtration reactor by comparing two types of packing materials: river sands and crushed aggregates. For this purpose, an experimental study is conducted with pilot unity composed by filtration reactors of 30cm of diameter and different packing thicknesses (15, 30 and 70cm). The reactors packed with two river sands and two crushed aggregates are fed with septic effluent with a volumic hydraulic charge of 12cm/day by 10 batches per day. Based on a characterization of materials, a study of purification performance with biochemical components monitoring of the total biomass and the extracellular matrix of the biofilm is realized by comparing two types of filter materials. The purification performance has presented similar efficiencies of particulates and organic matters removals by fine river sand and fine crushed aggregate. The nitrogen pollutants removals are more effective in the fine river sand which presents the finest granulometry with an alternative of aerobic and anoxic phases along the reactor depth and with a biomass more abundant. The distribution and the quality of the total biomass and the extracellular matrix differentiate between the river sand and the crushed aggregates. As the reference material, the fine river sand presented an earlier stabilization of total biomass growth with a less important production of extracellular exudates compared to the crushed aggregates. The origin of impacts brought by the crushed aggregates might be due to the higher fine particles content which created microenvironments poor in substrates or in oxygen and also due to a more heterogeneous mineralogy. The extracellular components of highest percentage in the biofilm of crushed aggregate are polysaccharides type substances.

Předkládaná práce je zaměřena na numerické modelování spalování tuhých paliv na roštu metodami výpočtové dynamiky tekutin (CFD). Jelikož výsledky CFD simulací roštového spalování závisí na kvalitě vstupních dat, která zahrnují i údaje o teplotě, hmotnostním toku a chemickém složení spalin vystupujících z lože, pozornost je věnována především procesům, probíhajícím v loži během spalování na roštu. Velká část práce je věnována vývoji spolehlivého modelu spalování v sypaných ložích, jelikož může napomoci zkvalitnit výsledky simulací i rozšířit znalosti principů spalování tuhých paliv v sypaných ložích. V rámci práce byl vyvinut jednorozměrný nestacionární model spalování v experimentálním reaktoru a implementován do počítačového programu GRATECAL 1.3 včetně grafického uživatelského rozhraní. Zvláštní důraz byl kladen na konzervativnost modelu. Proto byla vyvinuta metoda pro kontrolu hmotnostní a energetické bilance systému a následně aplikována v řadě studií, v rámci nichž byly odhaleny některé chyby týkající se definic zdrojových členů, které byly převzaty z literatury a opraveny. Pomocí modelu byla provedena analýza šíření čela sušení a reakce hoření koksu po výšce lože pšeničné slámy. Na základě výsledků těchto analýz bylo doporučeno zahrnout i modelování změny porozity částic paliva, aby šířka reakční zóny byla predikována korektně v případě, že je uvažována změna porozity celého lože. Rovněž vyvinutá bilanční metoda byla použita k analýze vlivu kritérií konvergence na hmotnostní a energetickou nerovnováhu simulovaného systému. Bylo zjištěno, že škálovaná rezidua rovnic všech veličin by měla poklesnout aspoň na hodnotu $10^{-6}$, aby bylo dosaženo nízké hmotnostní a energetické nerovnováhy a tudíž uspokojivě přesných výsledků ze simulací v loži. Druhá část práce je věnována vývoji a implementaci knihovny uživatelem definovaných funkcí pro komerční CFD nástroj ANSYS FLUENT, které slouží k propojení modelu lože s modelem komory reálné spalovací jednotky, aby byla umožněna dynamická změna okrajových podmínek na vstupu do komory v závislosti na výstupech ze simulací v loži. Vytvořené rozhraní pro propojení těchto dvou modelů je dostatečně obecné pro aplikaci na širokou škálu modelů roštových kotlů. Popsané výsledky přispívají k lepšímu porozumění numerickému modelování spalování na roštu, a to zejména ve fázi sestavování numerického modelu a nastavení parametrů řešiče pro kontrolu konvergence.

This thesis explores the heat transfer characteristics of a packed bed thermal energy storage device through the development of a 3D model in COMSOL Multiphysics. The model is based on a laboratory-scale device consisting of an aluminum box filled with sand, which acts as the thermal storage medium. The medium is heated using two resistance heaters that are embedded into the sand. The heaters are raised to approximately 500°C during the experiment. Three thermocouples placed in the sand record the temperature during charging, thus generating a time-dependent temperature curve at three points. The model simulates this experimental system, and the resulting temperature distribution is compared to the experimental data to assess the model validity. To determine the temperature throughout the storage system at all times, the model solves the heat equation. The density and heat capacity of the sand are measured and added to the model. The model uses the effective medium technique to estimate the thermal conductivity of the sand. A secondary model is developed in Excel to calculate the effective thermal conductivity using twelve different correlations, and the results are compared. The Zehner-Bauer correlation with an added Damköhler radiation term predicted an effective thermal conductivity of 0.218 W/(m·K) at 25°C and 0.451 W/(m·K) at 500°C, with slightly exponential growth due to the influence of thermal radiation. When these values for conductivity are applied to the COMSOL model, there is strong agreement (average percent error < 5%) with the experimental temperature distributions. A parametric study is performed, and shows that increasing grain size and emissivity could increase the thermal conductivity by making use of the exponential growth of thermal radiation. The model serves as a design and learning tool, and a starting point for improving the performance of the thermal energy storage system. / Detta examensarbete undersöker värmeöverföringsegenskaperna hos en termisk energilagringsenhet med packad bädd genom utveckling av en 3D-modell i COMSOL Multiphysics. Modellen är baserad på en enhet i laboratorieskala som består av en aluminiumlåda fylld med sand, som fungerar som det termiska lagringsmediet. Mediet värms upp med hjälp av två motståndsvärmare som är inbäddade i sanden. Värmeelementen höjs till ca 500°C under experimentet. Tre termoelement placerade i sanden registrerar temperaturen under laddningen och genererar på så sätt en tidsberoende temperaturkurva i tre punkter. Modellen simulerar detta experimentella system, och den resulterande temperaturfördelningen jämförs med experimentella data för att bedöma modellens giltighet. För att bestämma temperaturen i hela lagringssystemet vid alla tidpunkter löser modellen värmeekvationen. Sandens densitet och värmekapacitet mäts och läggs till i modellen. Modellen använder den effektiva mediumtekniken för att uppskatta sandens värmeledningsförmåga. En sekundär modell utvecklas i Excel för att beräkna den effektiva värmeledningsförmågan med hjälp av tolv olika korrelationer, och resultaten jämförs. Zehner-Bauer korrelationen med en tillagd Damköhler strålningsterm förutsade en effektiv värmeledningsförmåga på 0,218 W/(m·K) vid 25°C och 0,451 W/(m·K) vid 500°C, med en något exponentiell tillväxt på grund av påverkan från värmestrålning. När dessa värden för konduktivitet tillämpas på COMSOL-modellen finns det en stark överensstämmelse (genomsnittligt procentuellt fel < 5%) med de experimentella temperaturfördelningarna. En parametrisk studie har utförts som visar att ökad kornstorlek ock emissivitet kan öka värmeledningsförmågan genom att utnyttja den exponentiella tillväxten av värmestrålning. Modellen fungerar som ett design- och inlärningsverktyg och som en utgångspunkt för att förbättra prestandan hos det termiska energilagringssystemet.

[ES] El sector industrial es responsable de una cantidad significativa de emisiones anuales de carbono, en gran parte debido a su elevado consumo de energía y a su dependencia de los combustibles fósiles para la producción de calor. Por tanto, es evidente que la utilización de fuentes de calor alternativas y renovables, como los colectores solares de concentración, representa una oportunidad prometedora para la descarbonización de este sector. Sin embargo, los sistemas de colectores solares dependen del recurso solar, que es una fuente de energía intermitente. Por ello, es necesario disponer de un sistema de almacenamiento de energía térmica (AET) que facilite el almacenamiento de la energía sobrante y su posterior utilización cuando sea necesario, garantizando así un suministro de calor más constante. Con el fin de demostrar la viabilidad de los sistemas solares térmicos para aplicaciones industriales, la empresa Solatom CSP instaló un campo solar experimental dentro del proyecto SOLPINVAP. Está compuesto por una serie de colectores modulares lineales Fresnel (CLF) y un kettle reboiler, que es un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos. Esta tesis analiza el rendimiento del sistema en modo de generación indirecta de vapor. En este modo, el calor se absorbe en el interior de los tubos absorbedores mediante un fluido caloportador y se transfiere a la carcasa del kettle reboiler, donde se produce vapor. Además, esta tesis examina los circuitos hidráulicos y sus componentes del campo solar experimental, así como el sistema de control y el sistema de monitorización asociados al mismo. Además, se presenta el desarrollo de un modelo de sistema CLF de calor solar para procesos industriales (CSPI). El modelo se desarrolló en el entorno MATLAB orientado a objetos. Se desarrolló un modelo 3D del campo solar CLF dentro del entorno Tonatiuh (un software de trazado de rayos), lo que permitió estimar la eficiencia óptica máxima y los correspondientes modificadores del ángulo de incidencia de los colectores Fresnel. Los resultados demuestran que el calor absorbido en los colectores presenta una incertidumbre del 12%, mientras que el calor generado presenta una incertidumbre del 3%. Para reducir la incertidumbre inherente al cálculo del calor absorbido y generado, se realizó un estudio para seleccionar sensores y equipos de monitorización más precisos. Además, se realizó un trabajo de campo para instalar los equipos seleccionados, más precisos, en el campo solar SOLPINVAP. Los resultados de la monitorización demuestran que la incertidumbre en el calor absorbido se redujo en un 79% como consecuencia de la mejora en la instrumentación de medida. Como parte de este proyecto de tesis, se realizó una estancia de investigación en el Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, en Santiago. El equipo de investigación anfitrión ha estado investigando la posible aplicación de AET de lecho compacto sólido con escoria de cobre, un subproducto del proceso pirometalúrgico del mineral de cobre, como medio de almacenamiento. Además, el equipo de investigación ha desarrollado un modelo matemático que simula el proceso termodinámico y de transferencia de calor asociado al flujo de aire y a las partículas sólidas. En consecuencia, el modelo del sistema de AET de lecho compacto sólido se ha integrado en el modelo del sistema CSPI para examinar su efecto en el rendimiento del sistema. Además, esta tesis examina la dinámica entre las temperaturas de los distintos componentes del sistema. En consecuencia, esta tesis presenta un diseño para un sistema integrado CSPI con AET de lecho compacto sólido. Los resultados demuestran que el sistema con el AET de lecho compacto sólido es capaz de generar un 18% más de energía que el sistema sin el AET de lecho compacto sólido. / [CA] El sector industrial és responsable d'una quantitat significativa d'emissions anuals de carboni, en gran part a causa del seu alt consum d'energia i la dependència dels combustibles fòssils per a la producció de calor. Per tant, és evident que la utilització de fonts de calor alternatives i renovables, com la concentració de col·lectors solars, representa una oportunitat prometedora per a la descarbonització d'aquest sector. No obstant això, els sistemes de col·lectors solars depenen del recurs solar, que és una font d'energia intermitent. Per tant, és necessari disposar d'un sistema d'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) per facilitar l'emmagatzematge de l'energia sobrant i la seva posterior utilització quan sigui necessari, assegurant així un subministrament de calor més consistent. Per tal de demostrar la viabilitat dels sistemes solars tèrmics per a aplicacions industrials, l'empresa Solatom CSP va instal·lar un camp solar experimental dins del projecte SOLPINVAP. Comprèn una sèrie de col·lectors lineals modulars de Fresnel i un Kettle Reboiler, que és un tipus d'intercanviador de calor de carcassa i tubs. Aquesta tesi analitza el rendiment del sistema en mode de generació de vapor indirecte. En aquest mode, la calor s'absorbeix a l'interior dels tubs absorbents mitjançant l'ús d'un fluid de transferència de calor, i es transfereix a la capa del Reboiler, on es produeix vapor. A més, aquesta tesi examina els circuits hidràulics i els seus components del camp solar experimental, així com el sistema de control i el sistema de monitoratge associat a aquest. A més, es presenta el desenvolupament d'un model de sistema LFC per a processos industrials (SHIP). El model es va desenvolupar dins de l'entorn MATLAB orientat a objectes. Es va desenvolupar un model 3D del camp solar LFC dins de l'entorn Tonatiuh (un programari de rastreig de raigs), que permet estimar l'eficiència òptica màxima i els corresponents modificadors d'angle d'incidència dels col·lectors Fresnel. Els resultats demostren que la calor absorbida en els col·lectors mostra una incertesa del 12%, mentre que la calor generada mostra una incertesa del 3%. Per tal de reduir la incertesa inherent al càlcul de la calor absorbida i generada, es va realitzar un estudi per seleccionar sensors i equips de monitoratge més precisos. A més, es va realitzar un treball de camp per a instal·lar els equips seleccionats i més precisos en el camp solar SOLPINVAP. Els resultats de seguiment demostren que la incertesa en la calor absorbida es va reduir en un 79% com a conseqüència de la millora en la instrumentació de mesura. En el marc d'aquest projecte de tesi, es va realitzar una estada de recerca al Departament d'Enginyeria de Mecànica i Metalúrgica de la Pontifícia Universitat Catòlica de Xile, a Santiago. L'equip d'investigació amfitrió ha investigat la potencial aplicació de PBTES sòlids amb escòria de coure, un subproducte del procés pirometal·lúrgic del mineral de coure, com a medi d'emmagatzematge. A més, l'equip d'investigació ha desenvolupat un model matemàtic que simula el procés de transferència de calor i termodinàmica associat al flux d'aire i les partícules sòlides. En conseqüència, el model del sistema PBTES s'ha integrat en el model del sistema SHIP per a l'examen del seu efecte sobre el rendiment del sistema. A més, aquesta tesi examina la dinàmica entre les temperatures dels diferents components del sistema. En conseqüència, aquesta tesi presenta un disseny per a un sistema solar integrat amb sistema PBTES. Els resultats demostren que el sistema amb el PBTES és capaç de generar un 18% més d'energia que el sistema sense el PBTES. A més, es va dur a terme una anàlisi tecnoeconòmica utilitzant el sistema SHIP dissenyat amb PBTES. / [EN] The industry sector is responsible for a significant amount of annual carbon emissions, largely due to its high energy consumption and reliance on fossil fuels for heat production. It is therefore evident that the utilisation of alternative and renewable heat sources, such as concentrating solar collectors, represents a promising opportunity for the decarbonisation of this sector. Nevertheless, solar collector systems are dependent on the solar resource, which is an intermittent source of energy. It is therefore necessary to have a thermal energy storage (TES) system to facilitate the storage of surplus energy and its subsequent utilisation when required, thereby ensuring a more consistent heat supply. In order to demonstrate the viability of solar thermal systems for industrial applications, the company Solatom CSP installed an experimental solar field within the SOLPINVAP project. It comprises a series of modular linear Fresnel collectors (LFC) and a kettle reboiler, which is a type of shell and tube heat exchanger. This thesis analyses the performance of the system in Indirect Steam Generation mode. In this mode, heat is absorbed inside the absorber tubes by using a heat transfer fluid, and transferred to the shell of the kettle reboiler, where steam is produced. Additionally, this thesis examines the hydraulic circuits and their components of the experimental solar field, as well as the control system and the monitoring system associated with it. Moreover, it is presented the development of a LFC solar heat for industrial process (SHIP) system model. The model was developed within the object-oriented MATLAB environment. A 3D model of the LFC solar field was developed within the Tonatiuh environment (a ray-tracing software), allowing for an estimation of the peak optical efficiency and the corresponding incidence angle modifiers of the Fresnel collectors. . The results demonstrate that the absorbed heat in the collectors exhibits an uncertainty of 12%, while the generated heat exhibits an uncertainty of 3%. In order to reduce the uncertainty inherent in the calculation of the absorbed and generated heat, a study was conducted to selected more precise sensors and monitoring equipment. Moreover, fieldwork was conducted to install the selected, more precise equipment at the SOLPINVAP solar field. The monitoring results demonstrate that the uncertainty in the absorbed heat was reduced by 79% as a consequence of the improvement in the measurement instrumentation. As part of this thesis project, a research stay was conducted at the Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica of the Pontificia Universidad Católica de Chile, in Santiago. The host research team has been investigating the potential application of solid PBTES with copper slag, a by-product of the pyrometallurgical process of the copper ore, as a storage medium. Moreover, the research team has developed a mathematical model that simulates the thermodynamic and heat transfer process associated with the airflow and solid particles. Accordingly, the PBTES system model has been integrated into the SHIP system model for examination of its effect on the system performance. Furthermore, this thesis examines the dynamics between the temperatures of the different system components. Consequently, this thesis presents a design for an integrated SHIP with PBTES system. Moreover, it was determined that by modifying the air mass flow and the makeup water flow, the system is capable of maintaining a consistent and uninterrupted heat output throughout the operational duration. The results demonstrate that the system with the PBTES is capable of generating 18% more energy than the system without the PBTES. / I would like to thank the Universitat Politècnica de València through the Research and Development Aid Program (PAID-01-20) for receiving the Research Fellowship FPI-UPV-2020. I would also like to acknowledge the "Programa de Movilidad para estudiantes de doctorado" of the Universitat Politècnica de València for providing financial support for my research stay. / David Hernández, MA. (2024). Fresnel Solar Collector System for Indirect Steam Generation for Industrial Processes with Thermal Energy Storage [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213678

Les travaux présentés dans ce manuscrit de doctorat s'inscrivent dans la thématique du stockage inter-saisonnier de l'énergie solaire thermique pour l'habitat et le tertiaire (eau chaude sanitaire et chauffage). Le stockage thermochimique en air humide est une des solutions les plus prometteuses, en particulier avec un réacteur à lit fixe. Le bromure de strontium et l'alun de potassium ont été sélectionnés comme réactifs pour leurs caractéristiques énergétiques lors de réactions d'hydratation et de déshydratation. L'étude est constituée d'avancées théoriques, de nombreuses expérimentations et d'un modèle numérique détaillé. Une étude thermodynamique a démontré l'existence d'une droite de charge qui relie les conditions d'entrée et de sortie de l'air humide au passage du réactif. Les équations régissant les réactions chimiques, les transferts massiques et thermiques et la conservation de la quantité de mouvement ont été établies et un modèle numérique monodimensionnel couplant ces phénomènes a été développé. Des essais sur différents échantillons des deux sels et pour divers conditions opératoires ont été effectués dans le but de comprendre les phénomènes physico-chimiques ainsi que pour valider l'étude théorique et le modèle numérique. / This PhD thesis focuses on seasonal solar thermal energy storage for household applications such as production of heat and domestic hot water. Thermochemical storage was chosen for that purpose. The specific solid/gas reactions with water vapor, also called hydration/dehydration reactions, were used with a multi-scale global approach. The level of the reactor was identified as the critical level of that multi-scale approach. As a consequence, the integrated fixed-bed reactor technology in a moist air open loop system was adopted. A theoretical, experimental and numerical methodology was used for the study where strontium bromide and potassium alum salts were chosen as reactive materials. The corresponding reactions are: + 5 (H2O) ↔ (with Δhr=67.4 kJ/molwater and Δsr=175 J/K.molwater) + 9 (H2O) ↔ < KAl(SO4)2.12H2O > (with Δhr=44.2 kJ/molwater and Δsr=109.8 J/K.molwater) The first salt exhibits very good thermochemical properties. On the other hand, the main advantages of potassium alum are its low cost and the fact that it presents no sanitary risk. More than 30 cycles with 3 different samples of potassium alum and more than 25 cycles with 4 samples of strontium bromide under various stationary and dynamic operating conditions were carried out in order to understand the phenomena. The main experimental results were the following ones: • A very good stability and reproducibility of physical and chemical phenomena was observed for both materials. • A thermal reaction front was also observed. • A thermal hysteresis for both salts was found. • Based on that last observation a theoretical equation named charge-discharge line was developed. Experimental results with both salts validate the charge-discharge line theory. • A correlation between reaction kinetics, temperature rise due to the reaction, power of the reaction and the operating conditions was observed. The criterion for that correlation is the affinity of the reaction. A proportional correlation between affinity and reaction kinetics, temperature rise and power of the reaction was observed. • Spontaneous hydration and over-hydration reactions do not produce any particular difficulties or problems. • Pressure drop through the reactor and evolution of salts volume were also measured. Experimental energy density was measured in the range of 350 kWh/m3 for strontium bromide and 240 kWh/m3 for the potassium alum. • In general, strontium bromide is a very good candidate material for seasonal storage, while potassium alum cannot provide satisfying temperature rise and power. The equations governing those phenomena were also established and used to develop a 1D numerical model with partial differential equations coupling chemical phenomena, mass and thermal transfer phenomena and momentum conservation. Verification, validation and confirmation of this model under a very large range of operating conditions were carried out based on the experimental results of strontium bromide. A total of 19 different test cases were studied in order to validate the numerical model. The effect of humidity, temperature, quantity of reactive material and air flow were studied both for stationary and dynamic conditions. The numerical model was able to provide very satisfying results.