Development of a CFD Methodology for Molten Salts in Heat Exchangers
(2025) MVKM01 20251Department of Energy Sciences
- Abstract
- To be able to meet the global energy demands, a steady supply of green energy is required, even during sun- or windless hours. Concentrated solar power is a useful alternative, which can produce and store green energy by heating a heat transfer fluid (HTF) and extracting its energy via a heat exchanger. One such category of HTF is molten salts, and to understand and be able to model the behaviour of molten salts in a heat exchanger is essential for efficient energy production. Thus, thermophysical properties of some molten salts are gathered, and a computational fluid dynamics (CFD) model using the RANS Transition SST model is created to analyse the behaviour of the molten salts in two 2D geometries (one axisymmetric pipe, and one parallel... (More)
- To be able to meet the global energy demands, a steady supply of green energy is required, even during sun- or windless hours. Concentrated solar power is a useful alternative, which can produce and store green energy by heating a heat transfer fluid (HTF) and extracting its energy via a heat exchanger. One such category of HTF is molten salts, and to understand and be able to model the behaviour of molten salts in a heat exchanger is essential for efficient energy production. Thus, thermophysical properties of some molten salts are gathered, and a computational fluid dynamics (CFD) model using the RANS Transition SST model is created to analyse the behaviour of the molten salts in two 2D geometries (one axisymmetric pipe, and one parallel plate) and one 3D (plate-fin heat exchanger). Simulations are carried out in the laminar to turbulent Re-number regions and compared to analytical and empirical friction factor and Nu-number equations. This results in high accuracy values for the friction factor in all three flow regimes for all geometries (<16% deviation). In the laminar and turbulent region, the Nu-number has deviations around 0-20% and in the transition region, this increases to around 20-30% at best and upwards of 80% at worst. Given the difficulty and complexity of flow physics in the transition region, the use of a simple RANS model, and the inaccuracies in the empirical equations, these deviations are deemed acceptable. Thus, a computationally cheap, efficient and accurate CFD methodology for molten salts in heat exchangers has been demonstrated. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Som vi har märkt på grund av de senaste årens höga elpriser är en jämn elproduktion från grön energi väldigt viktig. Solkraft där man lagrar energi i smält salt kan användas för att sprida ut eltillverkningen på alla dygnets timmar. Utvinningen av saltets energi är då högst betydelsefull och denna har undersökts genom effektiva och simpla flödessimuleringar i detta arbete.
Dessa flödessimuleringarna, som offrar viss noggrannhet till fördel för snabbare beräkningar, har gjorts på tre sorters värmeväxlare; rörvärmeväxlare, plattvärmeväxlare och platta-fenavärmeväxlare och jämförts med olika ekvationer från litteraturen för värmeöverföring och tryckfall. Det visade sig att dessa simpla simuleringar, som förenklar mycket av den annars... (More) - Som vi har märkt på grund av de senaste årens höga elpriser är en jämn elproduktion från grön energi väldigt viktig. Solkraft där man lagrar energi i smält salt kan användas för att sprida ut eltillverkningen på alla dygnets timmar. Utvinningen av saltets energi är då högst betydelsefull och denna har undersökts genom effektiva och simpla flödessimuleringar i detta arbete.
Dessa flödessimuleringarna, som offrar viss noggrannhet till fördel för snabbare beräkningar, har gjorts på tre sorters värmeväxlare; rörvärmeväxlare, plattvärmeväxlare och platta-fenavärmeväxlare och jämförts med olika ekvationer från litteraturen för värmeöverföring och tryckfall. Det visade sig att dessa simpla simuleringar, som förenklar mycket av den annars komplicerade fysiken, ger bra och oväntat noggranna resultat. I en värmeväxlare kan flödet bete sig på flera olika sätt (laminärt, övergångsfas eller turbulent), vilket ofta försvårar för sådana enkla simuleringsmodeller, men metoden som användes i detta arbete klarade även detta över förväntan. Metoden klarade dessutom att simulera flödet i alla tre flödesområden som nämndes ovan, vilket inte är fallet för de övriga simuleringsmodellerna som testades i arbetet. Den framtagna metoden kan också vara svårhanterlig för vissa typer av flöden och kräver specifika inställningar för att fungera korrekt, men hur den ska användas har därför sammanställts tydligt i rapporten. Sen sammanfattades också olika egenskaper hos några vanliga smälta salter. Överraskande nog kunde man se att smält salt faktiskt beter sig väldigt likt många andra vanliga vätskor, som till exempel vatten. Fast med undantaget att de smälta salterna är flytande vid ungefär 250-600 grader Celsius. De smälta salterna behåller också sina egenskaper vid dessa höga temperaturer, vilket gör dem perfekta för att lagra värmeenergi. Å andra sidan är de smälta salterna frätande och kräver därför väl utvalda rörledningar. Dessutom kan mycket beläggning uppstå på rören om salterna skulle kylas ner vid eventuella produktionsstopp, vilket då självklart måste åtgärdas.
Flödessimuleringar av värmeväxlare har tidigare gjorts antingen med andra simpla modeller som inte kunnat fånga den komplicerad fysik som nämndes innan. Eller så har man använt stora och komplicerade simuleringar som tar lång tid att genomföra. Dessa stora simuleringar är ofta inte genomförbara för stora delar av industrin, men nu kan de istället vända sig till metoden som tagits fram i detta arbete för att få relativt noggranna simuleringar som inte kräver orimliga mängder datorkraft. Det har också inte varit speciellt allmänt känt tidigare hur smälta salter beter sig, och nu när dessa är en så viktig del av den gröna omställningen så måste denna information spridas. Därför kan sammanfattningen av deras egenskaper i det här arbetet bidra till att göra kunskapen mer tillgänglig för företag och allmänheten, så att beslut gällande salternas användning kan tas baserat på välkänd fakta. När dessa simuleringar nu kan göras snabbt och simpelt av alla relevanta företag, och kännedomen om smälta salters beteende har ökat, kommer grön energiutvinning och energilagring kunna ske på ett mer effektivt och hållbart sätt, bland annat tack vare förarbetet som gjorts här. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9198607
- author
- Lundgren, Max LU
- supervisor
- organization
- course
- MVKM01 20251
- year
- 2025
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- report number
- ISRN LUTMDN/TMPH-25/5628-SE
- ISSN
- 0282-1990
- language
- English
- id
- 9198607
- date added to LUP
- 2025-06-16 08:37:53
- date last changed
- 2025-06-16 08:37:53
@misc{9198607,
abstract = {{To be able to meet the global energy demands, a steady supply of green energy is required, even during sun- or windless hours. Concentrated solar power is a useful alternative, which can produce and store green energy by heating a heat transfer fluid (HTF) and extracting its energy via a heat exchanger. One such category of HTF is molten salts, and to understand and be able to model the behaviour of molten salts in a heat exchanger is essential for efficient energy production. Thus, thermophysical properties of some molten salts are gathered, and a computational fluid dynamics (CFD) model using the RANS Transition SST model is created to analyse the behaviour of the molten salts in two 2D geometries (one axisymmetric pipe, and one parallel plate) and one 3D (plate-fin heat exchanger). Simulations are carried out in the laminar to turbulent Re-number regions and compared to analytical and empirical friction factor and Nu-number equations. This results in high accuracy values for the friction factor in all three flow regimes for all geometries (<16% deviation). In the laminar and turbulent region, the Nu-number has deviations around 0-20% and in the transition region, this increases to around 20-30% at best and upwards of 80% at worst. Given the difficulty and complexity of flow physics in the transition region, the use of a simple RANS model, and the inaccuracies in the empirical equations, these deviations are deemed acceptable. Thus, a computationally cheap, efficient and accurate CFD methodology for molten salts in heat exchangers has been demonstrated.}},
author = {{Lundgren, Max}},
issn = {{0282-1990}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Development of a CFD Methodology for Molten Salts in Heat Exchangers}},
year = {{2025}},
}