Estudio de la transferencia de calor en un sistema de almacenamiento térmico en sales fundidas con generador de vapor integrado

Resumen

Existe una gran cantidad de aplicaciones industriales donde se requiere aprovechar calor de proceso, y en las que es muy común el uso de sistemas de almacenamiento que permiten la utilización del calor en momentos posteriores a su generación. Un claro ejemplo se encuentra en las plantas termosolares, CSP (Concentrating Solar Power plant), que generan electricidad a partir de la radiación solar concentrada. La consolidación de las plantas CSP necesita contribuciones innovadoras enfocadas al abaratamiento de los costes de producción eléctrica. En este sentido, los sistemas de almacenamiento térmico desempeñan un papel fundamental, puesto que mejoran las prestaciones de las plantas CSP al explotar su gestionabilidad. Actualmente, los sistemas de almacenamiento en calor sensible de doble tanque en sales fundidas son los únicos utilizados en las plantas CSP a escala comercial. Aunque su eficiencia es suficientemente elevada, es necesario desarrollar conceptos novedosos de almacenamiento térmico e investigar en nuevos diseños más competitivos. El objetivo de este trabajo es contribuir a la optimización y mejora del diseño de un tanque de almacenamiento térmico con generador de vapor integrado, TES-SG (Thermal Energy Storage with integrated Steam Generator), que emplea sales fundidas simultáneamente como HTF y como medio de almacenamiento térmico, para su implementación en las futuras plantas termosolares. La patente de este diseño pertenece al ENEA y a la empresa ANSALDO NUCLEARE S.p.A. Para ello, se aborda el estudio de la transferencia de calor en un prototipo de almacenamiento térmico de 300 kWth, tanto desde el punto de vista teórico de su funcionamiento, como desde el punto de vista experimental de su operación. Mediante el análisis exhaustivo de los datos experimentales de uno de los ensayos de descarga del prototipo, se ha extraído la información para llevar a cabo las aportaciones principales de este trabajo, las cuales se resumen a continuación. En primer lugar, se ha llevado a cabo el estudio de la transferencia de calor por circulación natural entre un flujo externo de sales fundidas y una matriz de tubos helicoidales, primero desde un punto de vista global y después desde un punto de vista local. La metodología empleada se ha basado en un modelo CFD-URANS en 3D que simula un proceso de descarga del prototipo. Los resultados numéricos obtenidos en la fase cuasi-estacionaria de la descarga se han utilizado para calcular los números adimensionales globales y locales del sistema. A partir de la relación existente entre los números adimensionales globales se ha podido categorizar al TES-SG como un NCL (Natural Circulation Loop) simple en régimen de transición, en el que se puede emplear la correlación propuesta por Swapnalee para el cálculo del caudal de sales fundidas que circula por el generador de vapor durante las descargas del sistema. Y, a partir de la relación existente entre los números adimensionales locales ha sido posible deducir una nueva correlación para la transferencia de calor por circulación natural entre un flujo externo de sales fundidas y una matriz de tubos helicoidales que es independiente de la longitud característica que se utilice. Se expresión es: Nu = 0.8150Re^0.4608 Pr^0.36 y presenta un parámetro estadístico de ajuste R^2 de 0.9807. En segundo lugar, se ha llevado a cabo el estudio de la ebullición en convección forzada en el interior de los tubos tubos helicoidales. Para ello se ha utilizado un modelo CFD-RANS en 3D que simula varios instantes de un proceso de descarga del prototipo. Los resultados numéricos obtenidos en la fase cuasi-estacionaria de la descarga, han servido para concluir que: a) teniendo en cuenta la configuración de la matriz de tubos helicoidales propuesta, el comportamiento del flujo bifásico es uniforme dentro del rango de condiciones de operación establecido en este trabajo. En consecuencia, la operación del prototipo no influye en el dryout; b) de las correlaciones existentes en la bibliografía para el cálculo de los títulos de vapor asociados al primer dryout y al dryout total, la correlación de Ruffel (a 270º) es la más adecuada para el primer dryout, la correlación de Santini ofrece resultados dentro del margen de error del 20 % siendo además la más sencilla de utilizar puesto que no depende del flujo de calor en las paredes, y asumir un valor de 0.97 para el título de vapor del dryout total es una aproximación conservadora acertada.