Thesis:

Calibración térmica de fenómenos de transferencia de calor en lecho empacado para su simulación mediante el método de elementos discretos

El almacenamiento de energía térmica en lechos empacados es crucial para la transición energética, requiriendo modelos precisos para optimizar su diseño. El Método de Elementos Discretos (DEM) permite simular la transferencia de calor a nivel de partícula, pero presenta el desafío de no contar con una calibración precisa para la resistencia térmica de contacto debido a factores limitantes como la rugosidad superficial. Este trabajo desarrolla una metodología de calibración térmica sistemática para la conducción partícula-partícula en lechos empacados. La metodología combina el uso de un modelo térmico numérico en una y tres dimensiones con rigurosa validación experimental. Para ello, se diseñó un montaje experimental con esferas de acero inoxidable instrumentadas con termocuplas, midiendo los perfiles axiales de temperatura en configuraciones ordenada Simple Cubic y aleatoria al aplicar calentamiento desde la base. Las simulaciones mediante DEM se ejecutaron en el software YADE, estableciendo primero el balance energético de los elementos de fluido discretizados para luego introducir las ecuaciones de los distintos mecanismos de transferencia de calor presentes: conducción directa e indirecta, radiación y convección. El proceso de calibración se basó en el ajuste iterativo del módulo de Young en la configuración ordenada para controlar el traslape mecánico, parámetro que actúa como una rigidez térmica equivalente. El valor calibrado obtenido, correspondiente a E = 1 × 10⁸ Pa, se transfirió de manera exitosa a la configuración aleatoria, logrando un excelente acople predictivo con los perfiles térmicos experimentales. Los resultados demuestran que esta metodología ancla de forma robusta la conectividad térmica a la realidad física, demostrando que un parámetro calibrado en un medio ordenado mantiene su fidelidad predictiva en empaquetamientos estadísticamente caóticos.

Thermal energy storage in packed beds is crucial for the global energy transition, requiring accurate models to optimize their design and operation. The Discrete Element Method (DEM) provides a powerful tool for simulating heat transfer at the particle scale, yet it faces challenges regarding the precise calibration of thermal contact resistance caused by surface roughness. This work develops a systematic thermal calibration methodology for particle-particle conduction in packed beds. The methodology couples a one- and three-dimensional numerical thermal model with experimental validation. An experimental setup utilizing stainless steel spheres instrumented with thermocouples was designed to measure axial temperature profiles under both ordered (Simple Cubic) and random configurations during basal heating. DEM simulations were performed using the YADE software package, structuring the formulation by first defining the energy balance of the discrete fluid elements before introducing the governing equations for the heat transfer mechanisms, including direct and indirect conduction, convection, and radiation. The calibration procedure relied on the iterative adjustment of the Young’s modulus within the ordered configuration to control mechanical overlap, effectively acting as an equivalent thermal stiffness. The successfully calibrated value of E = 1 × 10⁸ Pa was subsequently transferred to the random configuration, yielding a high degree of agreement with the experimental thermal profiles. The findings demonstrate that this methodology robustly anchors thermal connectivity to physical reality, proving that a parameter calibrated in an ordered arrangement maintains its predictive fidelity when applied to statistically chaotic packings.