Propuesta de un diseño de intercambiador de calor sales fundidas-CO2 para plantas termosolares basadas en ciclos supercríticos

Autor: Mª José Montes (Dpto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia)

Resumen: Uno de los objetivos del proyecto ACES 2030 es el estudio de ciclos supercríticos para acoplar a plantas de receptor central, como una forma de aumentar el rendimiento térmico global de la planta y conseguir disminuir costes. La viabilidad técnica de estas plantas termosolares está unido al desarrollo de componentes que aguanten las exigentes condiciones de trabajo de los ciclos supercríticos. Uno de estos elementos clave es el intercambiador de calor entre las sales fundidas del campo solar y el fluido supercrítico del ciclo. En este trabajo se propone un diseño novedoso de este intercambiador, que trata de dar respuesta a uno de los mayores retos: conseguir una transferencia de calor óptima para el sCO2, al mismo tiempo que evitar los problemas de taponamiento por el uso de sales fundidas en canales pequeños.

Abstract: One of the objectives of ACES 2030 project is the study of supercritical cycles to be coupled to central receiver plants, as a way to increase the overall thermal performance of the plant and reduce costs. The technical feasibility of these Solar Thermal Power Plants (STPPs) is linked to the development of components that withstand the demanding working conditions of supercritical cycles. One of these key elements is the Heat Exchanger (HX) between the molten salt in the solar field and the supercritical fluid in the power cycle. In this work, a novel design of this exchanger is proposed, intended to address one of the greatest challenges: to achieve an optimal heat transfer for the sCO2, while avoiding plugging problems due to the use of molten salts in small channels.

Dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, se han identificado tres posibles esquemas para la próxima generación de STPPs, diferenciándose por el fluido de trabajo en el receptor central: sales fundidas, partículas o gas [1]. Todos los esquemas propuestos se basan en el acoplamiento a un ciclo supercrítico, como una manera de aumentar el rendimiento global de la planta termosolar. En este artículo, el estudio se ha centrado en el primer esquema: receptor central de sales fundidas, trabajando a alta temperatura (700ºC), y acoplado a un ciclo supercrítico de CO2, tal y como se muestra en la figura 1.

Fig. 1. Esquema de una planta termosolar de sales fundidas acoplada a un ciclo supercrítico, con el intercambiador sales fundidas-sCO2 entre el campo solar y el ciclo de potencia (Fuente: [2]).

Como se ha dicho en el resumen inicial, uno de los principales retos tecnológicos del esquema representado en la figura 1 es el intercambiador de calor entre el campo solar y el bloque de potencia. Este intercambiador debe asegurar una transmisión de calor eficiente para la fase supercrítica, lo que supone aumentar el área de transferencia mediante diseños compactos, y disminuir la sección recta de paso para aumentar la velocidad del fluido supercrítico; pero, al mismo tiempo, el diseño del intercambiador debe conseguir que no se produzca taponamientos por la circulación de la sal fundida por un canal excesivamente pequeño.

En un principio, se podría pensar en intercambiadores de carcasa y tubos (Shell and Tube Heat Exchangers, STHX), circulando la sal por la carcasa y el CO2 por el interior de los tubos. Aunque esta solución sería viable en ciclos supercríticos en los que el aporte de calor se realice a presiones más moderadas, como el presentado en [3], lo cierto es que para presiones de 200-250 bar que pueden darse en un ciclo de recompresión convencional, el elevado espesor de los tubos limitaría mucho el funcionamiento del intercambiador. Y es probable que la sal fundida pudiera dar problemas en los intersticios de la carcasa.

Por otro lado, los intercambiadores de calor de circuito impreso (Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE), como el que se muestra en la figura 2, aunque son óptimos para la transmisión de calor entre fases supercríticas, pueden dar problemas de taponamiento de la sal en los pequeños semi-canales de paso (con diámetros aproximados de 2 mm).

Fig. 2. Intercambiador convencional de circuito impreso (Fuente [2])

La solución propuesta es un intercambiador de calor en el que se enfrenten dos placas impresas del clásico PCHE, de tal forma que el canal destinado a la sal sea un canal cilíndrico, manteniendo la sección semi-cilíndrica para el CO2, tal y como se muestra en la figura 3.

Fig. 3. Unidad de intercambio de calor del nuevo diseño de PCHE propuesto Fuente: [2].
(d = diámetro del canal; pc = distancia entre canales; tf = espesor entre canales tp = espesor de la placa)

Este nuevo diseño de intercambiador se estudia en detalle en el trabajo publicado en abierto para la revista Solar Energy, que se encuentra actualmente accesible [2]. Se ha elaborado un modelo térmico bidimensional del intercambiador, que ha sido validado con códigos CFD. Además, se ha realizado una optimización termoeconómica en la que se ha tenido en cuenta no sólo el intercambiador de calor, sino su integración en la planta termosolar completa; se ha estudiado cómo afecta al rendimiento global de la planta el hecho de cambiar determinados parámetros de trabajo en el intercambiador (diferencia terminal de temperaturas entre ambas corrientes fluidas y pérdida de presión en el CO2, fundamentalmente). El coste del kWh producido en cada uno de los diseños optimizados entra dentro de los objetivos marcados dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap.

Más información en el artículo:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X20310999

Referencias

[1] M. Mehos, C. Turchi, J. Vidal et al., 2017. Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap (No. NREL/TP–5500-67464, 1338899).

[2] Montes, M.J., Linares, J.I., Barbero, R., Rovira, A., 2020. Proposal of a new design of source heat exchanger for the technical feasibility of solar thermal plants coupled to supercritical power cycles. Solar Energy 211, 1027–1041.

[3] J.I. Linares, M.J. Montes, A. Cantizano and C. Sánchez, 2020. A novel supercritical CO2 recompression Brayton power cycle for power tower concentrating solar plants. Applied Energy 263, 114644.

Contacto

María José Montes, Investigadora principal grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – mjmontes@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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