{"id":134677,"date":"2021-03-01T09:48:30","date_gmt":"2021-03-01T08:48:30","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134677"},"modified":"2021-03-01T09:48:30","modified_gmt":"2021-03-01T08:48:30","slug":"intercambiador-de-calor-compacto-sales-fundidas-co2-para-plantas-termosolares-basadas-en-ciclos-supercriticos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2021\/03\/01\/134677","title":{"rendered":"Intercambiador de calor compacto 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:<\/strong> Las plantas termosolares basadas en ciclos supercr\u00edticos de CO2<\/sub> (ciclos sCO2<\/sub>) son una alternativa prometedora para incrementar el rendimiento global solar-el\u00e9ctrico. El esquema m\u00e1s convencional para esta tecnolog\u00eda consiste en acoplar una central de torre con sales fundidas a alta temperatura (700 \u00baC) a un ciclo sCO2. Para este esquema se propone un nuevo dise\u00f1o de intercambiador primario sales fundidas \u2013 CO2: el intercambiador de calor compacto tipo panel de abeja – Compact Honeycomb Heat Exchanger (CHHE)-, en el que la sal fundida circula a trav\u00e9s de un conducto circular m\u00e1s grande, que est\u00e1 rodeado por 6 conductos trapezoidales m\u00e1s peque\u00f1os, por los que circula el CO2 supercr\u00edtico. En este trabajo se presenta dicho cambiador, as\u00ed como una optimizaci\u00f3n termo-econ\u00f3mica de sus dimensiones.<\/span><\/p>\n

Abstract:<\/strong> Solar Thermal Power Plants (STPPs), based on supercritical CO2<\/sub> (sCO2<\/sub>) 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 700\u00baC), coupled to the sCO2<\/sub> 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<\/sub>: 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<\/sub> circulates. This paper is focused in the thermal model of this new heat exchanger, and a thermo-economic optimization for a selected supercritical STPPs.<\/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>, (figura 1), proponiendo un dise\u00f1o novedoso del intercambiador de calor sales fundidas \u2013 CO2<\/sub>.<\/span><\/p>\n

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Figura 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: [1]).<\/em><\/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<\/span><\/p>\n

Los intercambiadores m\u00e1s convencionales de carcasa y tubos (Shell and Tube Heat Exchanger<\/em>, STHX) no parecen ser los m\u00e1s adecuados para esta aplicaci\u00f3n, ya que la fase supercr\u00edtica deber\u00eda ir por los tubos, pero esto supone aumentar mucho el espesor de los mismos, para aguantar las elevadas presiones, disminuyendo su eficacia; adem\u00e1s, 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<\/em>, PCHE), aunque aguantan elevadas presiones, tambi\u00e9n pueden producir problemas de taponamiento de la sal, debido a las peque\u00f1as dimensiones de sus canales (alrededor de 2 mm de di\u00e1metro).<\/span><\/p>\n

Para minimizar estos problemas, este trabajo presenta un nuevo intercambiador sal fundida \u2013 CO2<\/sub>, basado en un conducto circular m\u00e1s largo para la sal fundida, rodeado de 6 conductos trapezoidales m\u00e1s peque\u00f1os, por donde circula la fase super cr\u00edtica. La repetici\u00f3n de esta unidad t\u00e9rmica en el plano conduce a una apariencia en forma de panal de abeja, tal y como se muestra en la figura 2. Por esta raz\u00f3n, este dise\u00f1o se ha llamado cambiador compacto tipo panal de abeja. (Compact Honeycomb Heat Exchanger<\/em>, CHHE).<\/span><\/p>\n

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Figura 2. Secci\u00f3n recta del cambiador compacto propuesto tipo panal de abeja (Compact Honeycomb Heat Exchanger, CHEE), y unidad t\u00e9rmica (Fuente: [2]).<\/em><\/p>\n

Se ha considerado que el cambiador tipo CHHE est\u00e1 integrado en una planta termosolar acoplada a ciclo supercr\u00edtico, tal y como se muestra en la figura 1. El ciclo supercr\u00edtico sigue un esquema convencional de recompresi\u00f3n, de 50 MWe<\/sub>, con refrigeraci\u00f3n por aire. El receptor central se ha dise\u00f1ado de tipo tubular y cavidad, ya que las altas temperaturas de las sales (hasta 700 \u00baC) dar\u00edan lugar a p\u00e9rdidas t\u00e9rmicas elevadas en un receptor externo. El almacenamiento t\u00e9rmico consiste en 2 tanques de sales fundidas con m\u00faltiplo solar igual a 2.<\/span><\/p>\n

Con estos supuestos, las condiciones de operaci\u00f3n del CHHE est\u00e1n fijas, por lo que se puede hacer una optimizaci\u00f3n basada en el coste de inversi\u00f3n; se ha considerado que el cambiador de calor est\u00e1 equilibrado, y que la diferencia de temperatura entre ambas corrientes es igual a 40 \u00baC; adem\u00e1s, la p\u00e9rdida de carga m\u00e1s cr\u00edtica, del lado del CO2<\/sub>, es igual a 2.5 bar. As\u00ed, se ha optimizado la configuraci\u00f3n geom\u00e9trica del CHHE, dando lugar a los resultados que se muestran en la figura 3.<\/span><\/p>\n

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Figura 3. Coste de inversi\u00f3n del intercambiador compacto tipo CHHE, en funci\u00f3n de la anchura del canal de CO2<\/sub>, para diferentes di\u00e1metros de los canales circulares de sales fundidas (Fuente: [2]).<\/em><\/p>\n

Como se observa en la figura 3, el di\u00e1metro del canal de sal fundida afecta al coste de inversi\u00f3n en mayor medida que la anchura del canal trapezoidal de CO2<\/sub>. Para cada di\u00e1metro de sal fundida, hay una anchura de canal de CO2<\/sub> que minimiza el coste (l\u00ednea roja de puntos en la figura 3). Estos m\u00ednimos corresponden a unos ratios similares entre las \u00e1reas de las secciones rectas de ambas corrientes (AsCO2<\/sub>\/AMS <\/sub>\u2248 3.5)\u00a0\u00a0y un coeficiente global de transmisi\u00f3n de calor entre 1200 y 1300 W\/m2<\/sup>\/\u00baC.<\/span><\/p>\n

A partir de estos valores geom\u00e9tricos optimizados, se ha procedido a hacer un an\u00e1lisis exerg\u00e9tico, que se describe de manera m\u00e1s detallada en el art\u00edculo:<\/span><\/p>\n

https:\/\/www.mdpi.com\/1099-4300\/22\/8\/883<\/a><\/p>\n

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

[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.<\/p>\n

[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<\/sup> SolarPACES conference.<\/p>\n

[3] J.E. Hesselgreaves (2017). Compact heat exchangers: selection, design, and operation. Ed. Elsevier, Amsterdam.<\/p>\n

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

Mar\u00eda Jos\u00e9 Montes, Investigadora principal grupo UNED-STEM en ACES2030-CM \u2013\u00a0mjmontes@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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