Contribución al modelado termo-hidráulico de captadores solares cilindricoparabolicos para la generación directa de vapor
- Autores: David Hernández Lobón
- Directores de la Tesis: Loreto Valenzuela (dir. tes.), Manuel Pérez García (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Berenguel Soria (presid.), María Isabel Roldán Serrano (secret.), Marc Röger (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La utilización de agua como fluido de transferencia de calor en lazos de captadores solares cilindroparabólicos es una opción reciente y poco explorada que introduce un alto potencial de mejora en los sistemas basados en tecnología de foco lineal para la generación de electricidad en plantas termosolares y para el suministro de calor en procesos industriales, cuyo funcionamiento hasta ahora se viene basando en la utilización de aceites sintéticos, caracterizados por unas buenas propiedades térmicas pero un elevado riesgo ambiental. En este sentido, modelar ofrece claros beneficios en el diseño detallado de campos de concentradores solares lineales de Generación Directa de Vapor GDV ya que permite la identificación de las condiciones de proceso críticas que pueden llegar a anticipar fenómenos de flujo multifásico que ocurren en los distintos componentes hidráulicos que forman el sistema, además de optimizar el diseño, la operación de las plantas y las aplicaciones correspondientes, y finalmente, proporcionar una visión física a los algoritmos introducidos en los lazos de control de este tipo de sistemas. Con estas consideraciones, se han desarrollado y validado experimentalmente un conjunto de modelos numéricos que permiten estudiar el comportamiento termo-hidráulico del flujo agua-vapor, con capacidad para implementar de una manera rápida y explícita cambios geométricos o nuevos conceptos y verificar su influencia en el rendimiento del proceso de lazos de concentradores solares de GDV.
Se ha comenzado por un modelo unidimensional de ecuaciones de balance discretizadas y acopladas utilizando un algoritmo basado en un método tramo a tramo. Todas las variables que describen el flujo (entalpía, presión, temperatura, fracción másica de vapor, velocidad, flujo de calor, etc) junto con las propiedades termo-físicas del fluido se han evaluado en concordancia con los requerimientos de la International Association for the Properties of Water and Steam-Industrial Formulation 97 (IAPWS-IF97) para, a continuación, pasar a un modelo tridimensional desarrollado en el entorno STAR-CCM+, un código de Mecánica de Fluidos Computacional (MFD) utilizado para modelar las condiciones de flujo multifásico. La creación de un modelo MFD de un campo solar de captadores cilindroparabólicos presenta un gran número de retos en su implementación, siendo el enfoque utilizado en STAR- CCM + el de un modelo localmente homogéneo junto al modelo Rohsenow de ebullición nucleada. La característica principal de este enfoque es reducir el tiempo de computación. Una vez identificada y verificada la solidez de las ecuaciones y de los códigos numéricos desarrollados, los principales temas tratados en esta tesis han sido los siguientes:
La validación experimental de los códigos en la instalación experimental DISS (Direct Solar Steam) de la Plataforma Solar de Almería. Esta instalación se trata de un lazo a gran escala de captadores cilindro-parabólicos, que permite la investigación del proceso de GDV en condiciones reales de operación, muy idóneo en estudios de modelización de flujos multifásico en tuberías horizontales para la GDV. Para ello se han utilizado más de 10.000 horas de registros experimentales cubriendo diferentes condiciones de operación para presiones de trabajo entre 3 MPa y 10 MPa. Los resultados obtenidos muestran una muy buena concordancia, con errores máximos en las temperaturas del orden de 1 ºC (¿2 %) y predicciones de pérdida de presión con un error máximo en el orden de 0,02 MPa (¿10 %). Estos temas se desarrollan en la publicación Modeling Direct Steam Generation in Solar collectors with multiphase CFD, Applied Energy, Volumen 113, enero de 2014, páginas 1338-1348.
El cálculo de pérdidas de presión producidas por el cambio de fase del agua cuando ésta actúa como fluido de transferencia de calor en captadores cilindroparabólicos en lazos GDV. El modelo unidimensional desarrollado ha permitido realizar un análisis de sensibilidad del comportamiento termo-hidráulico en función de temperatura y presión del fluido en la entrada del campo solar, ángulo de incidencia y de la radiación solar directa disponible. Como resultado de ello, se ha llegado a un conjunto optimizado de puntos de operación del sistema particular estudiado, lo que permite concluir que ésta aproximación al modelado de estos sistemas es una buena herramienta para hacer un mejor diseño de planta. Estos temas se desarrollan en la publicación Impact of pressure losses in small-sized parabolic-trough collectors for direct steam generation, Energy, Volumen 61, 1 de noviembre de 2013, páginas 502-512.
Un análisis detallado del comportamiento dinámico de sistema de captadores solares cilindroparabólicos para GDV, incluyendo la respuesta de transitorios en los cambios de irradiancia solar, caudal másico de alimentación y presión de entrada. Los resultados presentados en esta tesis apoyan la aplicabilidad de los modelos en tres dimensiones para la generación directa de vapor en captadores solares cilindroparabólicos, pudiéndose reproducir de forma fiable el comportamiento de este tipo de plantas en un amplio régimen de las condiciones operativas. La validación del enfoque presentado fortalecerá su aplicabilidad como herramienta fundamental para el diseño y optimización de sistemas de concentración solar. Estos temas se desarrollan en la publicación Modeling the dynamics of multiphase fluid in the parabolic-trough steam generating systems, Energy Conversion and Management, Volumen 78, febrero de 2014, páginas 393¿404.
