Análisis termo-fluido-dinámico de receptores voluminétricos de malla metálica: parámetros geométricos y condiciones de operación

Abstract

La energía termosolar de concentración demuestra ser una energía renovable madura y con potencial para reducir la huella de carbono en dos ámbitos destacados como la producción de energía eléctrica y, sobre todo, la generación de calor de proceso para la industria. Dentro de la energía termosolar de concentración hay diferentes tecnologías, entre las que destaca la tecnología de receptor central en la que se enmarca esta tesis. La tecnología de receptor central se distingue como una tecnología capaz de alcanzar factores de concentración cercanos a 1.000, lo que implica temperaturas de fluido superiores a 500 ºC. En esta tecnología, el estado del arte queda marcado por el uso de sales fundidas como fluido de trabajo, permitiendo temperaturas máximas a la salida del receptor de 565 ºC. Debido a la degradación del fluido de trabajo, esas temperaturas desaprovechan el potencial de los sistemas de receptor central, y es por eso por lo que emergen otros fluidos de trabajo como las partículas sólidas cerámicas, los fluidos gaseosos o los líquidos de alta temperatura. Concretamente, en este trabajo se subraya el uso del aire atmosférico como fluido de trabajo, a pesar de no ser un fluido con buenas propiedades térmicas, se ha demostrado que el uso de este fluido permite alcanzar temperaturas superiores a los 700 ºC, además, es un fluido abundante y sin coste, y su uso es simple. La tecnología de receptores volumétricos hace uso del aire atmosférico, y para su calentamiento emplean materiales porosos intrincados denominados absorbedores volumétricos. Estos absorbedores pueden estar fabricados de materiales metálicos o cerámicos, los materiales metálicos son capaces de soportar temperaturas entre 700 y 1.000 ºC, mientras que los materiales cerámicos alcanzan temperaturas de hasta 1.500 ºC. Además del material, el diseño del absorbedor volumétrico marca la diferencia como se demuestra a lo largo de esta tesis con el análisis realizado sobre los atributos termo-fluido-dinámicos. Estos atributos se desglosan en la transferencia de calor convectiva, en la transferencia de calor radiactiva y en la pérdida de carga. La transferencia de calor convectiva y la pérdida de carga son completamente dependientes de la geometría, mientras que la transferencia de calor radiactiva es dependiente tanto de la geometría como del material. Esta tesis se ha focalizado en los absorbedores volumétricos de malla metálica por su fabricación sencilla y modularidad, como por su potencial para ser un paso intermedio entre el estado del arte y los absorbedores volumétricos cerámicos gracias a la estabilidad térmica y estructural de los materiales metálicos. El objeto de este estudio se restringe a mallas metálicas con una porosidad de malla del 80% y diámetros de hilo entre 0,1 y 0,7 mm, para las que también se han considerado las disposiciones más antagónicas, en línea y escalonada.