Los estudios termo-fluidodinámicos como herramienta para optimizar el funcionamiento de las plantas solares termoeléctricas

Las plantas termosolares utilizan la radiación solar como fuente de energía primaria y funcionan en base a un ciclo termodinámico; con lo cual, los aspectos relacionados con la termodinámica, la transmisión de calor y la fluidodinámica son cruciales para un óptimo funcionamiento de las mismas. Un análisis termo-fluidodinámico de determinados sistemas en la planta podría revelar posibles deficiencias y mostrar interesantes oportunidades de mejora.

[Autora: Pilar Orihuela-INTA]

La termo-fluidodinámica es una rama de la ciencia que abarca e integra varias disciplinas: las principales son la termodinámica, la fluidodinámica, y los fenómenos de transferencia de calor y de materia. La química de la combustión también está incluida aunque no siempre se menciona de forma explícita. Aunque aún no está recogido en el diccionario, el término termo-fluidodinámico es un término cada vez más empleado en el ámbito de la investigación y la ingeniería para designar a un tipo concreto de estudio, cuya finalidad principal es predecir las distribuciones de temperatura y los flujos de calor asociados a un sistema energético.

La termo-fluidodinámica es de aplicación a numerosos campos. Un ejemplo muy representativo de su aplicación podemos encontrarlo en el sector aeronáutico, en particular en el campo de la propulsión. También se ha aplicado recurrentemente al estudio de la turbomaquinaria, no sólo para estudiar fenómenos concretos como la refrigeración o las pérdidas de carga, sino incluso para la realización de nuevos diseños.

 Aplicación de la termo-fluidodinámica al diseño de los álabes de un compresor axial [1,2].

Aunque aún no hay muchas referencias en el sector de las renovables, las plantas termosolares son un claro objeto de aplicación de este tipo de análisis. Las plantas termosolares utilizan la radiación solar como fuente de energía primaria y funcionan en base a un ciclo termodinámico; con lo cual, los aspectos relacionados con la termodinámica, la transmisión de calor y la fluidodinámica son cruciales para un óptimo funcionamiento de las mismas. Hay varios elementos en una planta solar termoeléctrica cuyo estudio desde un punto de vista térmico y fluidodinámico podría revelar posibles deficiencias e interesantes oportunidades de mejora: el receptor, los tanques de almacenamiento de fluido térmico, los sistemas de captación, el ciclo de potencia, etc. Una mejora en cualquiera de ellos afectará de forma global y optimizará el funcionamiento de la planta.

Por no entrar mucho en detalle, diremos que un estudio termo-fluidodinámico consiste básicamente en delimitar el sistema que queremos estudiar, y en aplicarle todo el conjunto de ecuaciones matemáticas que simulan su comportamiento, particularizadas para unas condiciones de funcionamiento y unas circunstancias externas concretas. Como resultado de resolver dichas ecuaciones se obtendrá una solución, que será básicamente una predicción de cómo se comportará el sistema (energéticamente hablando) en las condiciones establecidas.

Todo estudio termo-fluidodinámico requiere un paso previo de modelización. Generar un modelo supone establecer una descripción detallada del sistema a estudiar: definir su geometría y establecer sus características térmicas.

Si el sistema es sencillo y no hay duda acerca de sus propiedades, generar un modelo puede reducirse simplemente a recopilar los datos necesarios para el estudio.

Sin embargo, la mayoría de las veces los sistemas a estudiar son complejos y difíciles de caracterizar. Con frecuencia se desconocen las propiedades térmicas de los materiales involucrados; a veces dichas propiedades ni siquiera son constantes, sino que dependen de factores externos como la temperatura ambiental, o del propio estado de funcionamiento del sistema, lo que complica enormemente su definición. En ocasiones, la propia experiencia nos advertirá que una geometría, aunque definible, es demasiado enrevesada para la posterior aplicación de las ecuaciones. En casos así, el proceso de modelización conlleva una necesidad adicional de simplificación y/o idealización del sistema original.

Una idealización podría ser, por ejemplo, modelar una tubería como un conducto infinito. Si la tubería es lo suficientemente larga, los efectos de borde serán despreciables en un tramo central de la misma, y en dicho tramo los resultados serán muy similares a pesar de tener un modelo mucho más sencillo. También es muy frecuente, por ejemplo, que si no se esperan grandes variaciones de temperatura, se considere constante el calor específico de los fluidos.

Una vez definido el sistema y su modelo geométrico, el siguiente paso es establecer las condiciones iniciales y de contorno. Esto quiere decir definir las circunstancias particulares, internas y externas, en las que vamos a querer simular el comportamiento del sistema: velocidad del fluido a la entrada de un conducto, temperatura ambiental, presión de descarga de una tobera, flujo de calor recibido por radiación, etc.

Una consideración muy habitual a la hora de estudiar sistemas de almacenamiento térmico es, por ejemplo, suponer que las paredes de los tanques son adiabáticas. Si el aislamiento de los tanques es bueno, las pérdidas de calor a través de sus superficies podrían ser despreciables y no afectar realmente al resultado del estudio.

Distribución de temperaturas en un tanque de almacenamiento de sales de paredes adiabáticas [3].

La parte más difícil de todo estudio termo-fluidodinámico es la resolución de las ecuaciones. Independientemente de la complejidad del sistema a estudiar, los principios que rigen el transporte energético y el comportamiento de los fluidos, presentan unas formulaciones muy avanzadas y su aplicación implica la resolución de una serie de sistemas de ecuaciones diferenciales. Hasta hace unas décadas los estudios termo-fluidodinámicos, tal como hoy los entendemos, no se llevaban a cabo simplemente por la dificultad que entrañaban; con los medios disponibles este tipo de estudios eran una tarea casi inalcanzable. Sin embargo, los avances en la informática y el aumento de la potencia de cálculo en las computadoras han permitido el desarrollo de nuevas técnicas de cálculo más eficaces y precisas.

Uno de los métodos de resolución numérica más extendidos en la actualidad es el Método de los Elementos Finitos (MEF). El MEF consiste básicamente en dividir el dominio espacial del sistema que se quiere estudiar en un número elevado de pequeños elementos, llamados celdas, y que están interconectados entre sí en una serie de puntos, llamados nodos. De esta forma se consigue pasar de un sistema continuo con infinitos grados de libertad, a un sistema discreto con un número de grados de libertad finito. Las incógnitas del problema dejan de ser funciones matemáticas y pasan a ser el valor de estas funciones en los nodos.

El Método de los Elementos Finitos aplicado a problemas de mecánica de fluidos y transferencia de calor, se suele denominar Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés, Computational Fluid Dynamics).

En el sector termosolar el uso de esta técnica está cada vez más extendido. Hasta ahora se aplicado sobre todo al estudio térmico de receptores; ya sean receptores de tubo para colectores cilindro-parabólicos [4], como receptores de cavidad para plantas de torres [5] o sistemas de Disco-Stirling [6]. Pero ya pueden encontrarse también algunos ejemplos de aplicación en sistemas de captación, sobre todo para determinar el efecto del viento o de la deposición de polvo [7, 8].

Líneas de corriente y contornos de temperatura en el tubo absorbedor de un colector cilindro-parabólico  [9].

Los estudios termo-fluidodinámicos son una herramienta de gran potencial para el análisis de cualquier sistema térmico. Es cierto que los resultados obtenidos de forma teórica no tienen total validez hasta que no se confirman con los resultados experimentales. Sin embargo, dado que es un método de análisis mucho más económico que los estudios en laboratorio o los ensayos en planta, su uso es aconsejable en la mayoría de los casos para disponer de predicciones fiables y facilitar la toma de decisiones.

En el caso concreto del sector termoeléctrico, la aplicación de estos métodos de análisis térmico y fluidodinámico ya no es sólo aconsejable sino casi imperativa. La grave crisis financiera que atravesamos ha llevado a la Administración a retirar las ayudas a las renovables, y a gestionar con total escrúpulo cada euro invertido en investigación y desarrollo. Dada la situación, es

difícil que conservemos la posición de España a la vanguardia del sector. Sin embargo, disponemos de recursos como éste – los análisis termo-fluidodinámicos – que comentamos en esta entrada de blog, que brindan grandes posibilidades a bajo coste.

Bibliografía:

[1] Graham R. W, Adamczyk J. J, Rohlik H. E, 1985. Computational Thermo-Fluid Dynamics Contributions to Advanced Gas Turbine Engine Design. NASA Technical Memorandum 86865.

[2] Gourdain N, Burguburu S, Leboeuf F, Michon G J, 2010. Simulation of rotating stall in a whole stage of an axial compressor. Computers & Fluids, Volume 39, Issue 9, Pages 1644–1655.

[3] Yang Z, Garimell S. V, 2010. Molten-salt thermal energy storage in thermoclines under different environmental boundary conditions. Applied Energy, Volume 87, Issue 11, Pages 3322–3329.

[4] Kumar K. Ravi; Reddy K. S, 2012. Effect of porous disc receiver configurations on performance of solar parabolic trough concentrator.  Heat and Mass Transfer, Volume 48, Issue 3, Pages 555-571.

[5] Chen H, Chen Y, Hsieh H, 2007. Computational Fluid Dynamics Modeling of Gas-Particle Flow Within a Solid-Particle Solar Receiver. Journal of Solar Energy Engineering, Volume 129, Issue 2, Pages 160-170 .

[6] Prakash M, Kedare S. B, Nayak J. K, 2009. Investigations on heat losses from a solar cavity receiver . Solar Energy, Volume 83, Issue 2, Pages 157-170.

[7] Christo Farid C, 2012. Numerical modelling of wind and dust patterns around a full-scale paraboloidal solar dish. Renewable Energy, Volume 39, Issue 1, Pages 356-366.

[8] Bakic Vukman V, Zivkovic Goran S, Pezo Milada L, 2011. Numerical simulation of the air flow around the arrays of solar collectors. Thermal Science, Volume 15, Issue 2, Pages 457-465.

[9] Reddy K. S, Satyanarayana G. V, 2008. Numerical study of porous finned receiver for solar parabolic trough concentrator. Engineering applications of computational fluid mechanics, Volume 2, Issue 2, Pages 172-184.