Intercambiador de calor compacto sales fundidas-CO2 para plantas termosolares basadas en ciclos supercríticos

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

Resumen: Las plantas termosolares basadas en ciclos supercríticos de CO2 (ciclos sCO2) son una alternativa prometedora para incrementar el rendimiento global solar-eléctrico. El esquema más convencional para esta tecnología consiste en acoplar una central de torre con sales fundidas a alta temperatura (700 ºC) a un ciclo sCO2. Para este esquema se propone un nuevo diseño de intercambiador primario sales fundidas – CO2: el intercambiador de calor compacto tipo panel de abeja – Compact Honeycomb Heat Exchanger (CHHE)-, en el que la sal fundida circula a través de un conducto circular más grande, que está rodeado por 6 conductos trapezoidales más pequeños, por los que circula el CO2 supercrítico. En este trabajo se presenta dicho cambiador, así como una optimización termo-económica de sus dimensiones.

Abstract: Solar Thermal Power Plants (STPPs), based on supercritical CO2 (sCO2) cycles, seem to be a promising alternative to increase the global solar-to-electric efficiency. The most conventional scheme for this technology is a molten salt (MS) central receiver, working at high temperature (above 700ºC), coupled to the sCO2 cycle. For this scheme it is proposed a new design of the source heat exchanger that transfer the thermal energy from the molten salt to the CO2: the Compact Honeycomb Heat Exchanger (CHHE), in which the molten salt goes through a larger circular duct that is surrounded by 6 smaller trapezoidal ducts, through which the sCO2 circulates. This paper is focused in the thermal model of this new heat exchanger, and a thermo-economic optimization for a selected supercritical STPPs.

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 (700 ºC), y acoplado a un ciclo supercrítico de CO2, (figura 1), proponiendo un diseño novedoso del intercambiador de calor sales fundidas – CO2.

Figura 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: [1]).

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

Los intercambiadores más convencionales de carcasa y tubos (Shell and Tube Heat Exchanger, STHX) no parecen ser los más adecuados para esta aplicación, ya que la fase supercrítica debería ir por los tubos, pero esto supone aumentar mucho el espesor de los mismos, para aguantar las elevadas presiones, disminuyendo su eficacia; además, es probable que la sal fundida no fluya del todo bien por los intersticios de la carcasa, al ser un fluido muy viscoso. Por otro lado, los intercambiadores de calor de circuito impreso (Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE), aunque aguantan elevadas presiones, también pueden producir problemas de taponamiento de la sal, debido a las pequeñas dimensiones de sus canales (alrededor de 2 mm de diámetro).

Para minimizar estos problemas, este trabajo presenta un nuevo intercambiador sal fundida – CO2, basado en un conducto circular más largo para la sal fundida, rodeado de 6 conductos trapezoidales más pequeños, por donde circula la fase super crítica. La repetición de esta unidad térmica en el plano conduce a una apariencia en forma de panal de abeja, tal y como se muestra en la figura 2. Por esta razón, este diseño se ha llamado cambiador compacto tipo panal de abeja. (Compact Honeycomb Heat Exchanger, CHHE).

Figura 2. Sección recta del cambiador compacto propuesto tipo panal de abeja (Compact Honeycomb Heat Exchanger, CHEE), y unidad térmica (Fuente: [2]).

Se ha considerado que el cambiador tipo CHHE está integrado en una planta termosolar acoplada a ciclo supercrítico, tal y como se muestra en la figura 1. El ciclo supercrítico sigue un esquema convencional de recompresión, de 50 MWe, con refrigeración por aire. El receptor central se ha diseñado de tipo tubular y cavidad, ya que las altas temperaturas de las sales (hasta 700 ºC) darían lugar a pérdidas térmicas elevadas en un receptor externo. El almacenamiento térmico consiste en 2 tanques de sales fundidas con múltiplo solar igual a 2.

Con estos supuestos, las condiciones de operación del CHHE están fijas, por lo que se puede hacer una optimización basada en el coste de inversión; se ha considerado que el cambiador de calor está equilibrado, y que la diferencia de temperatura entre ambas corrientes es igual a 40 ºC; además, la pérdida de carga más crítica, del lado del CO2, es igual a 2.5 bar. Así, se ha optimizado la configuración geométrica del CHHE, dando lugar a los resultados que se muestran en la figura 3.

Figura 3. Coste de inversión del intercambiador compacto tipo CHHE, en función de la anchura del canal de CO2, para diferentes diámetros de los canales circulares de sales fundidas (Fuente: [2]).

Como se observa en la figura 3, el diámetro del canal de sal fundida afecta al coste de inversión en mayor medida que la anchura del canal trapezoidal de CO2. Para cada diámetro de sal fundida, hay una anchura de canal de CO2 que minimiza el coste (línea roja de puntos en la figura 3). Estos mínimos corresponden a unos ratios similares entre las áreas de las secciones rectas de ambas corrientes (AsCO2/AMS ≈ 3.5)  y un coeficiente global de transmisión de calor entre 1200 y 1300 W/m2/ºC.

A partir de estos valores geométricos optimizados, se ha procedido a hacer un análisis exergético, que se describe de manera más detallada en el artículo:

https://www.mdpi.com/1099-4300/22/8/883

Referencias

[1] M.J. Montes, J.I. Linares, R. Barbero and B.Y. Moratilla, 2020. Optimization of a New Design of Molten Salt-to-CO2 Heat Exchanger Using Exergy Destruction Minimization. Entropy 22, 883.

[2] M.J. Montes, J.I. Linares, R. Abbas, A. Cantizano, R. Barbero and J. Porras, 2020. A New Design of the Molten Salt-to-sCO2 Heat Exchanger in Supercritical Solar Thermal Power Plants. 26th SolarPACES conference.

[3] J.E. Hesselgreaves (2017). Compact heat exchangers: selection, design, and operation. Ed. Elsevier, Amsterdam.

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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