Estudio del comportamiento de metales líquidos en sistemas de torre central

González Sánchez, Alberto (2018). Estudio del comportamiento de metales líquidos en sistemas de torre central. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Estudio del comportamiento de metales líquidos en sistemas de torre central
Autor/es:
  • González Sánchez, Alberto
Director/es:
  • Abánades Velasco, Alberto
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La energía solar térmica es aquella que utiliza la energía térmica proveniente del Sol para inducir un estado térmico en un medio portador. Para conseguir esto se utilizan unos elementos llamados concentradores que focalizan la energía en lo que se conoce como receptor o colector. Dentro de esta tecnología se distingue la energía termoeléctrica, cuyo fin último es usar el calor obtenido para la producción de energía eléctrica. Existen diversos diseños para obtener esta energía eléctrica, pero se pueden agrupar todos ellos en dos grandes grupos, ambos denominados como CSP (Concentrated Solar Power). El primero son los sistemas lineales, donde se aporta calor a un receptor lineal. El segundo grupo son lo que aportan energía a un receptor puntual. El primer método de colector lineal se conoce como tecnología cilíndrico-parabólica. Este sistema consta de concentradores solares formados por espejos parabólicos que apuntan a un tubo o absorbedor lineal situado en el foco del espejo. La otra tecnología de colector lineal se conoce como colectores Fresnel. Esta tecnología concentra a través de espejos planos (o casi planos) en un colector lineal similar al de la tecnología anterior. Estos últimos han tenido un desarrollo tardío respecto al resto de tecnologías del grupo. Dentro de los colectores puntuales se distinguen igualmente dos tecnologías distintas. Por un lado, los colectores de disco Stirling están formados por espejos parabólicos que concentran la energía solar en un solo punto donde se sitúa el receptor y el generador de energía eléctrica. Por otro lado, los sistemas de torre central constan de un campo de heliostatos que apuntan a un receptor situado en alto. Esta última tecnología será el objeto de estudio de este trabajo. Estas tecnologías han sido estudiadas durante estos años por parte del departamento de Ingeniería Energética de la E.T.S. de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). A lo largo de estos años se han realizado avances interesantes en el desarrollo del diseño e implementación de estas tecnologías y se han publicado diversos artículos sobre este campo. En este trabajo en concreto se pretende realizar un análisis térmico se la tecnología de torre central aplicada a ciertos fluidos de trabajo mediante una comparación entre ellos. En concreto el objetivo del trabajo es la comparación de estos fluidos en los receptores solares. Concretamente los fluidos a estudiar son los siguientes: Sodio puro (Na), plomo puro (Pb), LBE (eutéctico 44.5Pb-55.5Bi), litio puro (Li), NaK (eutéctico 22Na-78K), galio puro (Ga) y estaño puro (Sn). La elección de estos fluidos se basa en estudios previos acerca de la posibilidad de utilizar dichos metales en su fase líquida como fluidos de trabajo en este campo. Otros fluidos (como el Nak o el galio) han sido propuestos o están siendo estudiados por la industria nuclear como refrigerantes en centrales nucleares de GEN-IV. Puesto que los rangos de temperaturas son parecidos se han decidido incluir como fluidos a estudiar. A pesar de la elección de estos fluidos, este trabajo busca tener un carácter general. El estudio se realizará de forma que sea posible el estudio de otros fluidos de una forma rápida y sencilla. La comparación de estos fluidos se ha llevado a cabo basándose en un modelo experimental. En concreto, se han utilizado el proyecto de la IEA CSP/SSPS que tuvo lugar en la década de 1980 en Almería, España. Este modelo contaba con un receptor exterior que utilizaba sodio como fluido portador en un rango de temperaturas de entre 270 y 530 ºC. Se comienza el trabajo analizando el modelo experimental y adaptándolo a un modelo matemático con el fin de reproducir su funcionamiento. el objetivo de esta parte era simular las condiciones propuestas en el experimento y comparar los datos obtenidos del mismo con los de una simulación matemática. El modelo consta de dos partes. Por un lado, la generación de una distribución de energía incidente en el receptor y por otro el balance de energía que ocurre en los tubos. En el primer caso la distribución se aproximará a través de una gaussiana. En el segundo caso el balance de energía que se realizará es el siguiente. Siendo potencia que absorbe en última instancia el receptor, el calor que se induce en el fluido por unidad de tiempo y y las pérdidas por convección y radiación del receptor. Se puede apreciar que, con el fin de simplificar en cierto grado el modelo, se han negado las pérdidas por conducción dentro del receptor y con el exterior del mismo. El modelo matemático se basa en un análisis por métodos numéricos. De esta forma, se ha dividido el receptor a través de un mallado lo suficientemente pequeño para que el error cometido sea aceptable. El balance de energía citado se realizará a cada celda del mallado de forma independiente buscando las pérdidas de cada celda y el calor ganado a través de un proceso iterativo. Las celdas se conectarán entre sí mediante la temperatura del fluido a su paso por ellas. En primer lugar, se realiza una primera prueba con el fluido modelo (el sodio) con el fin de comprobar la validez del modelo matemático empleado. Cuando este modelo simula de forma satisfactoria las condiciones y los resultados obtenidos en el modelo experimental se procederá a implementar el resto de fluidos. Esta simulación se ha realizado de forma que sea directa la extracción de toda la información relevante del modelo para cualquier posible fluido ensayado, pero no tiene en cuenta las posibles variaciones que sufra el propio fluido en el rango de temperaturas propuesto. Una consideración importante que se ha tenido en cuenta a la hora de implementar los fluidos es un carácter incompresible de éstos. De esta forma las propiedades térmicas y físicas de los fluidos variarán únicamente con la temperatura a la que se encuentren. La implementación del resto de fluidos se ha realizado de forma que se obtuviese la misma cantidad de calor ganado por unidad de tiempo. Con esta idea en mente, se ha variado el caudal de fluido que sería necesario como única variable de entrada (además de las propiedades térmicas de cada fluido). De esta forma, al final del texto se presenta una tabla comparativa de todos los fluidos ensayados con sus características más importantes. Por último y como conclusión, este trabajo se centra únicamente en el análisis térmico del comportamiento de ciertos fluidos para un mismo modelo. Más adelante se explicará de forma más extendida el resto de estudios que sería necesario realizar con el fin de una futura implantación de estos fluidos a nivel comercial. Entre los estudios más significativos se puede citar el estudio estructural de la torre, el ciclo combinado a utilizar, el análisis de estrés y corrosión de los materiales y el impacto medioambiental que tendrían estos fluidos.

Más información

ID de Registro: 50395
Identificador DC: http://oa.upm.es/50395/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:50395
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 23 Abr 2018 13:54
Ultima Modificación: 23 Abr 2018 13:54
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