{"id":134553,"date":"2020-10-30T12:10:00","date_gmt":"2020-10-30T11:10:00","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134553"},"modified":"2020-10-30T12:34:26","modified_gmt":"2020-10-30T11:34:26","slug":"propuesta-de-un-diseno-de-intercambiador-de-calor-sales-fundidas-co2-para-plantas-termosolares-basadas-en-ciclos-supercriticos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2020\/10\/30\/134553","title":{"rendered":"Propuesta de un dise\u00f1o de intercambiador de calor sales fundidas-CO2 para plantas termosolares basadas en ciclos supercr\u00edticos"},"content":{"rendered":"

Autor: M\u00aa Jos\u00e9 Montes (Dpto. Ingenier\u00eda Energ\u00e9tica, Universidad Nacional de Educaci\u00f3n a Distancia)<\/strong><\/p>\n

Resumen:\u00a0<\/strong>Uno de los objetivos del proyecto ACES 2030 es el estudio de ciclos supercr\u00edticos para acoplar a plantas de receptor central, como una forma de aumentar el rendimiento t\u00e9rmico global de la planta y conseguir disminuir costes. La viabilidad t\u00e9cnica de estas plantas termosolares est\u00e1 unido al desarrollo de componentes que aguanten las exigentes condiciones de trabajo de los ciclos supercr\u00edticos. Uno de estos elementos clave es el intercambiador de calor entre las sales fundidas del campo solar y el fluido supercr\u00edtico del ciclo. En este trabajo se propone un dise\u00f1o novedoso de este intercambiador, que trata de dar respuesta a uno de los mayores retos: conseguir una transferencia de calor \u00f3ptima para el sCO2<\/sub>, al mismo tiempo que evitar los problemas de taponamiento por el uso de sales fundidas en canales peque\u00f1os.<\/span><\/p>\n

Abstract:\u00a0<\/span><\/strong>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 sCO<\/span>2<\/sub>, while avoiding plugging problems due to the use of molten salts in small channels.<\/span><\/p>\n

Dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, se han identificado tres posibles esquemas para la pr\u00f3xima generaci\u00f3n de STPPs, diferenci\u00e1ndose por el fluido de trabajo en el receptor central: sales fundidas, part\u00edculas o gas [1]. Todos los esquemas propuestos se basan en el acoplamiento a un ciclo supercr\u00edtico, como una manera de aumentar el rendimiento global de la planta termosolar. En este art\u00edculo, el estudio se ha centrado en el primer esquema: receptor central de sales fundidas, trabajando a alta temperatura (700\u00baC), y acoplado a un ciclo supercr\u00edtico de CO2<\/sub>, tal y como se muestra en la figura 1.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Fig. 1. Esquema de una planta termosolar de sales fundidas acoplada a un ciclo supercr\u00edtico, con el intercambiador sales fundidas-sCO2<\/sub> entre el campo solar y el ciclo de potencia (Fuente: [2]).<\/em><\/p>\n

Como se ha dicho en el resumen inicial, uno de los principales retos tecnol\u00f3gicos 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 transmisi\u00f3n de calor eficiente para la fase supercr\u00edtica, lo que supone aumentar el \u00e1rea de transferencia mediante dise\u00f1os compactos, y disminuir la secci\u00f3n recta de paso para aumentar la velocidad del fluido supercr\u00edtico; pero, al mismo tiempo, el dise\u00f1o del intercambiador debe conseguir que no se produzca taponamientos por la circulaci\u00f3n de la sal fundida por un canal excesivamente peque\u00f1o.<\/span><\/p>\n

En un principio, se podr\u00eda pensar en intercambiadores de carcasa y tubos (Shell and Tube Heat Exchangers, STHX), circulando la sal por la carcasa y el CO2<\/sub> por el interior de los tubos. Aunque esta soluci\u00f3n ser\u00eda viable en ciclos supercr\u00edticos en los que el aporte de calor se realice a presiones m\u00e1s moderadas, como el presentado en [3], lo cierto es que para presiones de 200-250 bar que pueden darse en un ciclo de recompresi\u00f3n convencional, el elevado espesor de los tubos limitar\u00eda mucho el funcionamiento del intercambiador. Y es probable que la sal fundida pudiera dar problemas en los intersticios de la carcasa.<\/span><\/p>\n

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 \u00f3ptimos para la transmisi\u00f3n de calor entre fases supercr\u00edticas, pueden dar problemas de taponamiento de la sal en los peque\u00f1os semi-canales de paso (con di\u00e1metros aproximados de 2 mm).<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Fig. 2. Intercambiador convencional de circuito impreso (Fuente [2])<\/em><\/p>\n

La soluci\u00f3n propuesta es un intercambiador de calor en el que se enfrenten dos placas impresas del cl\u00e1sico PCHE, de tal forma que el canal destinado a la sal sea un canal cil\u00edndrico, manteniendo la secci\u00f3n semi-cil\u00edndrica para el CO2<\/sub>, tal y como se muestra en la figura 3.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Fig. 3. Unidad de intercambio de calor del nuevo dise\u00f1o de PCHE propuesto Fuente: [2]. <\/em>
\n (d = di\u00e1metro del canal; pc<\/sub> = distancia entre canales; tf<\/sub> = espesor entre canales tp<\/sub> = espesor de la placa)<\/em><\/p>\n

Este nuevo dise\u00f1o 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 t\u00e9rmico bidimensional del intercambiador, que ha sido validado con c\u00f3digos CFD. Adem\u00e1s, se ha realizado una optimizaci\u00f3n termoecon\u00f3mica en la que se ha tenido en cuenta no s\u00f3lo el intercambiador de calor, sino su integraci\u00f3n en la planta termosolar completa; se ha estudiado c\u00f3mo afecta al rendimiento global de la planta el hecho de cambiar determinados par\u00e1metros de trabajo en el intercambiador (diferencia terminal de temperaturas entre ambas corrientes fluidas y p\u00e9rdida de presi\u00f3n en el CO2<\/sub>, fundamentalmente). El coste del kWh producido en cada uno de los dise\u00f1os optimizados entra dentro de los objetivos marcados dentro del programa Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap.<\/span><\/p>\n

M\u00e1s informaci\u00f3n en el art\u00edculo:<\/span><\/p>\n

https:\/\/www.sciencedirect.com\/science\/article\/pii\/S0038092X20310999<\/a><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

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

[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\u20131041.<\/p>\n

[3] J.I. Linares, M.J. Montes, A. Cantizano and C. S\u00e1nchez, 2020. A novel supercritical CO2 recompression Brayton power cycle for power tower concentrating solar plants. Applied Energy 263, 114644.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Mar\u00eda Jos\u00e9 Montes, Investigadora principal grupo UNED-STEM en ACES2030-CM \u2013 mjmontes@ind.uned.es<\/a><\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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