Optimization of solar thermal plants, transient analysis and design of eccentric bayonet receivers
- Autores: Rafael Pérez Álvarez
- Directores de la Tesis: Antonio Acosta Iborra (dir. tes.), Domingo Santana Santana (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Blanco Muriel (presid.), Celia Sobrino Fernández (secret.), Antonio Luis Ávila Marín (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
La energía solar se ha posicionado en las últimas décadas como alternativa viable a los combustibles fósiles en la generación de electricidad y producción de calor a escala industrial. Una de las tecnologías más prometedoras es la energía solar de concentración (Concentrating Solar power, CSP), la cual se basa en la concentración de la radiación solar en elementos absorbedores a través de espejos. Dichos elementos absorbedores conforman el receptor solar y por su interior circula un fluido de trabajo encargado de recoger la radiación absorbida y transferirla en forma de energía térmica a un ciclo de potencia para producir electricidad o hacia la aplicación industrial pertinente. Las centrales termosolares de tipo torre (Solar Power Tower, SPT) destacan entre las tecnologías actuales de CSP, ya que ofrecen una elevada eficiencia térmica y la posibilidad de extender su funcionamiento en el tiempo mediante el uso de almacenamiento térmico, el cual proporciona firmeza y flexibilidad a la generación de energía eléctrica en contraposición a las tecnologías de energía renovable intermitente como las energías fotovoltaica y eólica. En las plantas SPT la radiación solar es concentrada en el receptor, el cual está situado a gran altura en la parte superior de una torre, gracias al campo de heliostatos. El calor absorbido en el receptor es trasladado a los tanques de almacenamiento y posteriormente al ciclo de potencia. De todos los sistemas que forman parte de las centrales de tipo torre, el receptor es uno de los elementos más críticos debido principalmente a dos factores: (i) la elevada concentración de radiación que es reflejada en las paredes de los elementos absorbedores, los cuales normalmente son tubos, y (ii) la corrosión generada por el fluido de trabajo. Debido a consideraciones prácticas relacionadas con la madurez de la tecnología y su operación, las centrales SPT todavía no han alcanzado su potencial y es necesario continuar desarrollando esta tecnología para reducir su coste y garantizar una operación segura. Esta tesis doctoral contribuye a la optimización de las centrales termosolares de tipo torre a través de un conjunto de estudios teóricos y de simulación enfocados a la mejora de los receptores solares tubulares. Para ello, la tesis desarrolla una serie de modelos y simulaciones fluidotérmicas (Computational Fluid Mechanics, CFD) además de mecánicas (Finite Element Analysis, FEM) que tienen en cuenta los principales mecanismos de transferencia de calor existentes en los tubos receptores durante su operación para caracterizar su comportamiento termo-mecánico y analizar las situaciones más exigentes para el receptor.
Esta tesis comienza estudiando numéricamente el precalentamiento de un receptor tubular externo que opera con sal fundida de nitrato (i.e. sal solar) que es el tipo de fluido de trabajo (Heat Transfer Fluid, HTF) más usado en estos receptores. El precalentamiento de este tipo de receptores consiste en calentar progresivamente los tubos absorbedores hasta conseguir que tengan una temperatura suficiente como para impedir la congelación del fluido de trabajo durante su llenado. Para la sal fundida de nitrato, este proceso se considera completado cuando la temperatura mínima del tubo alcanza 340ºC. Para comprender y analizar dicha operación, la tesis obtiene la evolución temporal de las temperaturas y tensiones en los tubos del receptor durante su precalentamiento, así como el daño por fatiga resultante para dos receptores SPT diferentes. Ambos receptores son geométricamente similares a los de las plantas de Gemasolar y Dunhuang y se considera para el material de los tubos la aleación Haynes 230. Además, para dicho estudio se desarrollan dos modelos térmicos bidimensionales con distintos grados de simplificación y resueltos a través de simulaciones CFD. También se analizan diferentes condiciones ambientales para comprender la influencia del viento en el precalentamiento del receptor. El campo de temperatura obtenido con las simulaciones CFD se utiliza como carga térmica para determinar la distribución de esfuerzos del tubo en condiciones de deformación plana generalizada (Generalized Plane Strain, GPS). La distribución de tensiones transitorias en los tubos se calcula mediante un método analítico cuasiestático, el cual es validado a través de simulaciones FEM. Los resultados muestran que, debido a que durante el precalentamiento los tubos se encuentran vacíos de sal solar, el calentamiento de la parte trasera de los tubos se realiza principalmente por medio de la conducción circunferencial del calor a través de las paredes de los tubos, partiendo de la parte delantera en donde la temperatura del tubo es máxima. Este hecho justifica que las máximas tensiones en la pared del tubo, las cuales son generadas por la no uniformidad existente en la temperatura, se obtengan durante los primeros minutos del precalentamiento y se incrementen con el aumento del diámetro del tubo. El daño a fatiga obtenido durante el precalentamiento para los dos receptores analizados muestra que su arranque es seguro y permite alcanzar las temperaturas de pared necesarias para que no se congele la sal de nitrato durante el llenado del receptor.
El uso de ciclos Brayton supercríticos de CO 2 en el bloque de potencia en la siguiente generación de centrales SPT obliga a trabajar con temperaturas superiores a las 700ºC para una operación eficiente del ciclo. Este hecho obliga a la selección de nuevos fluidos de trabajo que soporten mayores temperaturas, tales como las sales fundidas de carbonato o cloruro, debido a que la sal de nitrato, típicamente usada en la generación anterior de plantas SPT, se degrada a partir de 600ºC. En esta tesis doctoral, se analiza la viabilidad de precalentar un receptor para estas sales de alta temperatura calculando el daño infligido en los tubos durante esta operación. Los resultados obtenidos indican que los tubos del receptor pueden precalentarse por encima de la temperatura de congelación de dichas sales, la cual es superior a la de la sal de nitrato. El flujo de calor proporcionado por el algoritmo de Vant-Hull es insuficiente para precalentar el receptor para las sales de elevada temperatura. Por lo tanto, se pondera dicho algoritmo para calentar el tubo absorbedor a mayores temperaturas. A través de esta modificación introducida en el algoritmo de precalentamiento es posible alcanzar suficiente temperatura en el tubo como para poner en marcha el receptor. Basándose en los resultados mecánicos, se propone una ponderación progresiva del flujo de calor incidente para arrancar el receptor y reducir el daño asociado con su precalentamiento. Aunque las modificaciones introducidas en el algoritmo de Vant-Hull permiten el precalentamiento del receptor para trabajar con sales fundidas de alta temperatura, el alto valor del flujo de calor necesario para hacerlo retrasa la puesta en marcha de la planta SPT, reduciendo el tiempo de operación de la misma. Esto, sumado a las mayores pérdidas de calor del receptor por operar a mayores temperaturas, hace necesario que los rendimientos del bloque de potencia sean superiores al 50% si se desea mejorar la eficiencia global de las plantas SPT de la generación actual. El daño por fluencia es considerablemente mayor que el daño por fatiga, aumentando su valor con la magnitud del flujo de calor incidente. A pesar del daño sufrido en el precalentamiento de los receptores HTF de alta temperatura, en comparación con el receptor de sal de nitrato tradicional, el valor de dicho daño es inferior al límite de daño admisible. Por lo tanto, todos estos resultados parecen indicar que el precalentamiento del receptor de sales fundidas de carbonato y cloruro no compromete la integridad estructural de los tubos receptores estudiados cuando son de aleación Haynes 230. Además, los daños por fluencia y fatiga asociados al precalentamiento de estos receptores para sal de elevada temperatura se pueden mantener por debajo del límite de daño permisible mediante una estrategia de precalentamiento modificada ad-hoc para cada tipo de sal, y el uso de tubos de material con resistencia a altas temperaturas y excelente propiedades de fatiga a temperaturas elevadas.
Por lo general, las modelizaciones de los receptores solares están basadas en modelos térmicos simplificados, sustentados bajo ciertas hipótesis que permiten simplificar parcialmente los complejos fenómenos de transferencia de calor involucrados en la operación del receptor. Esta tesis analiza la validez de dos de estas hipótesis mediante modelos numéricos tridimensionales desarrollados bajo distintos grados de simplificación. Las hipótesis evaluadas son la conducción radial en las paredes del tubo y el uso de un coeficiente convectivo uniforme, tanto axial como circunferencialmente, para representar la convección de la sal de nitrato dentro de los tubos absorbedores. El calentamiento no uniforme del receptor conduce a una distribución de temperatura circunferencialmente variable en sus tubos. Esta distribución de temperatura provoca que, localmente, la convección de la sal fundida en el interior del tubo no sea uniforme a lo largo de la superficie en contacto con la sal solar, lo cual difiere del valor constante considerado comúnmente en la literatura para caracterizar la convección del fluido de trabajo en el interior de los tubos absorbedores. Sin embargo, el error asociado con esta variabilidad angular es inferior al 1,2% en la distribución de temperatura de un tubo simple. Además, la tesis valida la precisión de los modelos radiales de transferencia de calor 1D para describir la temperatura y las tensiones en las paredes del tubo receptor para los rangos de operación típicos del receptor SPT. También se destaca la importancia de retener la dependencia con la temperatura de las propiedades mecánicas del material en los modelos de cara a obtener, con suficiente precisión, una estimación de las tensiones que soportan los tubos del receptor.
Finalmente, esta tesis evalúa numérica y analíticamente el comportamiento térmico y mecánico de un nuevo tipo de receptor externo formado por tubos bayoneta como alternativa al uso de receptores de tubos simples. Un tubo bayoneta está formado por dos tubos, uno dentro del otro, creando así dos secciones de paso, una circular y otra anular, que son recorridas secuencialmente por la sal fundida del receptor. Debido a esta configuración, el fluido de trabajo puede ser introducido en el tubo bayoneta a través de la sección anular o circular, existiendo por ende dos posibles disposiciones del tubo bayoneta. Para las mismas condiciones de funcionamiento, el mejor rendimiento térmico y la menor pérdida de carga del tubo bayoneta se logra cuando el fluido entra a través de la sección circular del tubo interior. Los resultados obtenidos en esta tesis demuestran que se puede mejorar la transferencia de calor de la sal fundida en el interior del tubo gracias a la configuración del tubo bayoneta. Además, es posible evitar el excesivo sobrecalentamiento del fluido ya que el calor absorbido por el tubo exterior se distribuye entre el flujo de sal fundida de la sección anular y el de la sección circular. La relación de tamaños entre ambas secciones afecta directamente al comportamiento termo-mecánico del receptor. Cuando se reduce la sección anular del tubo bayoneta, la velocidad del fluido en dicha sección aumenta, incrementando la transferencia de calor por convección y refrigerando mejor las paredes del tubo exterior. Sin embargo, la pérdida de carga del tubo crece exponencialmente como consecuencia de este aumento de velocidad. Por lo tanto, se necesita un diseño optimizado del tubo de bayoneta que mejore la eficiencia térmica del tubo mientras se mantiene la pérdida de presión en valores aceptables. De forma general, cuando la sección anular no es lo suficientemente pequeña, las configuraciones concéntricas del tubo bayoneta ofrecen peores rendimientos termo-mecánicos que el tubo simple. Sin embargo, para configuraciones excéntricas del tubo bayoneta, donde los ejes de los tubos interior y exterior se encentran separados, se observa una ligera ventaja sobre los tubos convencionales. Conforme aumenta la separación entre centros de tubos, es decir, cuando la excentricidad del tubo de bayoneta aumenta, se genera una asimetría en el flujo turbulento de sales fundidas, la cual disminuye los gradientes de temperatura y las tensiones térmicas de los tubos de bayoneta. Además, la caída de presión se reduce como consecuencia de la reducción del factor de fricción.Los resultados de la tesis muestran que, para un tubo de bayoneta cuyas secciones anulares y circulares tengan el mismo tamaño, la excentricidad reduce la caída de presión hasta un 30,8% y aumenta la transferencia de calor por convección de la configuración concéntrica hasta un 26,1%, lo que conduce a una reducción máxima de temperatura de alrededor de 8%.
El espesor del tubo juega un papel determinante en el comportamiento termo-mecánico de los receptores tubulares, recomendándose el uso de tubos lo más delgados posibles para reducir su solicitación mecánica. El espesor del tubo bayoneta se determina en función de la caída de presión lograda en la configuración concéntrica, ya que las variaciones de pérdida de carga obtenidas en las configuraciones excéntricas no causan modificaciones sensibles del espesor. Para ilustrar aquellas configuraciones que provocan que el tubo de bayoneta sea una mejor opción que los tubos convencionales en los receptores SPT, se presenta en la tesis una serie de mapas que muestran las máximas temperaturas y tensiones para diferentes configuraciones del tubo bayoneta. En base a estos resultados, es posible afirmar que existen varias configuraciones de tubos bayoneta que obtienen temperaturas y tensiones más bajas que los tubos simples para la misma condición de calentamiento. En particular, para los tubos de bayoneta en los que la excentricidad () y la relación de áreas entre las secciones anular y circular (RA) están contenidas en el rango 0.05 0.5 y 0.8
Para el un receptor externo tubular constituido por tubos bayoneta, se proponen en la tesis diferentes criterios de diseño con el objetivo de detectar aquella configuración que iguale o supere el rendimiento del tubo simple. El mayor diámetro del tubo bayoneta permite reducir el número de tubos por panel en comparación con el mismo receptor formado por tubos simples, lo que implica una disminución del número de soldaduras del receptor total. Debido a que el tubo interior del tubo bayoneta está menos demandado, desde un punto de vista termo-mecánico, es posible emplear para dicho tubo interior un material con peores propiedades mecánicas y con un precio más reducido que el del tubo exterior, lo que se traduce en ahorros en el material del tubo. Esta situación conduce a menores costes de fabricación en el receptor de tubo bayoneta, llegando a ser un 16,5% inferior que el coste de un receptor de tubo simple. Además, según revelan las simulaciones realizadas en esta tesis, la excentricidad del tubo bayoneta ofrece grados de libertad adicionales en el diseño, lo que puede mejorar todavía más el potencial uso del tubo bayoneta en plantas termosolares de tipo torre.
