Tesis:
Estudio de la transferencia de calor en un Sistema de Almacenamiento Térmico en sales fundidas con Generador de Vapor integrado
- Autor: RIVAS RAMOS, Esther
- Título: Estudio de la transferencia de calor en un Sistema de Almacenamiento Térmico en sales fundidas con Generador de Vapor integrado
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/65960/
- Director/a 1º: MUÑOZ ANTÓN, Javier
- 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. Los sistemas de almacenamiento se clasifican atendiendo a la forma de almacenar el calor en: sistemas de almacenamiento en calor sensible, latente o termoquímico. 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, Figura 1, para su implementación en las futuras plantas termosolares. La patente de este diseño pertenece al ENEA y a la empresa italiana ANSALDO NUCLEARE S.p.A. (Rinaldi et al., 2015). 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. En este estudio se persigue obtener correlaciones específicas para la transferencia de calor, ya que la revisión del estado de la técnica revela que no las hay adaptadas a este tipo de sistema. La revisión también pone de manifiesto la falta de estudio en profundidad de la termo-hidráulica de este tipo de sistemas (Capítulo 1). El prototipo es un tanque de 1.98 m de diámetro y 2.8 m de altura, cuyo interior alberga alrededor de 12 000 kg de una mezcla de sales inorgánicas en estado líquido: NaNO3 (60% en peso) + KNO3 (40% en peso), que se conoce comúnmente con el nombre de ‘sal solar’, en atmósfera de aire, Figura 2. El generador de vapor lo constituyen dos carcasas cilíndricas concéntricas, tres tubos helicoidales, con distintas longitudes, radios de curvatura e inclinaciones, dispuestos en el espacio que delimitan ambas carcasas. Por el interior de los tubos helicoidales circula el agua a presión que cambia de fase, y por el espacio intersticial entre las carcasas cilíndricas circulan las sales fundidas a contra-corriente (Capítulo 2). Mediante el análisis exhaustivo de los datos experimentales de uno de los ensayos de descarga1 del prototipo (Capítulo 3), se ha extraído la información para llevar a cabo las aportaciones principales de este trabajo, las cuales se resumen a continuación. 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. Para ello, se ha empleado una técnica de fluido-dinámica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), ejecutándose un modelo 3D que simula un proceso de descarga del prototipo mediante un tratamiento de tipo URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes). La información extraída del análisis de datos previo ha servido, por un lado, para establecer las condiciones iniciales y de contorno del modelo y, por otro, para validar el propio modelo CFD (Capítulo 4). Los resultados numéricos obtenidos para los campos de temperaturas, presiones y velocidades de las sales fundidas en el generador de vapor, y las distribuciones de temperaturas y flujos de calor alrededor de los tubos helicoidales, en la fase cuasi-estacionaria de la descarga, se han utilizado para calcular: a) mediante la metodología generalizada de Vijayan et al. (2000), los números adimensionales globales de: Re y Grm b) mediante dos modelos termo-hidráulicos locales construidos ad hoc, uno 3D basado en el diámetro hidráulico del generador de vapor y otro 2D basado en el diámetro exterior de los tubos helicoidales, los números adimensionales locales de: R_e, P_r y N_u A partir de la relación existente entre los números adimensionales globales de Re y Grm, 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 y Vijayan (2011) para el cálculo del caudal de sales fundidas que circula por el generador de vapor durante las descargas del sistema (Capítulo 5). Y a partir de la relación existente entre los números adimensionales locales de R_e y P_r, 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 (Capítulo 6) que es independiente de la longitud característica que se utilice. Se expresión es: N_u = 0:8150 R_e0:4608 P_r0:36, y presenta un parámetro estadístico de ajuste R2 de 0.9807 (Capítulo 5). Esta correlación se considera válida para: • matrices de tubos helicoidales cuya configuración sea conforme a la propuesta por ENEA y ANSALDO NUCLEARE S.p.A: diámetro externo de los tubos de 0.0127 m y pasos vertical y horizontal de la matriz del mismo orden que el diámetro externo de los tubos, que equivale a bajos ángulos de inclinación (< 3º) • condiciones de operación dentro del rango descrito: R_e entre 100 y 600, P_r entre 4 y 13 Se ha llevado a cabo el estudio de la ebullición en convección forzada en el interior de los tubos helicoidales (Capítulo 6). En él se ha utilizado un modelo CFD-RANS de transferencia de calor conjugada entre las sales fundidas y el agua-vapor en 3D que simula varios instantes de un proceso de descarga del prototipo, y se ha aplicado una metodología numérica basada en el comportamiento promedio del flujo bifásico en cada ciclo de inestabilidad termo-hidráulica. La evaluación comparativa llevada a cabo entre modelos bifásicos, semi-empírico versus mecanicista, ha permitido deducir que el modelo semi-empírico es capaz de simular la ebullición en convección forzada en el interior de los tubos helicoidales. La validación del modelo se ha realizado utilizando los datos experimentales ya referidos, y diversos resultados derivados del modelo que se ha desarrollado de pérdidas de carga del tramo del circuito agua-vapor comprendido entre los colectores de entrada y salida del generador. Los resultados numéricos obtenidos para los campos de velocidades tangenciales y los títulos de vapor, ambos tomados en las secciones transversales al flujo del agua-vapor, y las distribuciones de los títulos de vapor en las paredes, todos ellos en la fase cuasi-estacionaria de la descarga, han servido para: a) demostrar la existencia de un flujo secundario en el interior de los tubos helicoidales, la cual supone la descripción de este fenómeno en unas condiciones de trabajo, geometría y forma de calentamiento que no habían sido consideradas hasta el momento b) caracterizar el régimen de superficie seca, o dryout, a partir de la localización de su comienzo en el generador de vapor (altura y posición azimutal), y del cálculo de los títulos de vapor asociados al primer dryout y al dryout total en función del diámetro de hélice Con esta información ha sido posible concluir que, dentro del rango de condiciones de operación establecido en este trabajo (ver Tabla 1), y teniendo en cuenta la configuración de la matriz de tubos helicoidales propuesta por ENEA y ANSALDO NUCLEARE S.p.A, el comportamiento del flujo bifásico es uniforme. En consecuencia, la operación del prototipo durante sus descargas no influye en el dryout, lo cual no se ha publicado previamente. Se ha analizado la validez de las correlaciones existentes para el cálculo de los títulos de vapor asociados al primer dryout y al dryout total, llegándose a las siguientes conclusiones: • la correlación de Ruffel (a 270º) es la más adecuada para el primer dryout • la correlación de Santini et al. ofrece resultados dentro del margen de error del 20% para el primer dryout, siendo además la más sencilla de utilizar puesto que no depende del flujo de calor en las paredes • asumir un valor de 0.97 para el título de vapor del dryout total es una aproximación conservadora acertada. Notar que ambas correlaciones fueron derivadas de experimentos en los que el calentamiento en las paredes es uniforme, en contraposición a lo que sucede en el prototipo de ENEA. Por lo tanto, y a pesar de su adaptación para describir el título de vapor asociado al primer dryout, esto puede suponer un límite a uso. Finalmente, se pone de manifiesto cómo la metodología aplicada en este estudio, basada en modelos CFD, es capaz de describir la transferencia de calor en sistemas complejos, evidenciando así su potencia y capacidad a la hora de complementar a la teoría y a los experimentos. Este trabajo de investigación ha estado enmarcado dentro del proyecto OPTS (Nº de Contrato: 283138) del 7º Programa Marco de la U.E. financiado con Fondos Europeos. ----------ABSTRACT---------- Nowadays, there are many industrial applications where it is necessary to take advantage of process heat, and in which the use of storage systems is very common because it allows employing such process heat after its generation. Concentrating Solar Power plants, also known as CSP plants, are an example of them. These CSP plants generate electricity from concentrated solar radiation. The consolidation of CSP plants requires innovative contributions focused on lowering the costs of electricity production. In this sense, thermal storage systems play a fundamental role, since they improve the performance of CSP plants by exploiting their dispatchability. Storage systems are classified according to the form of heat they store in: sensible, latent or thermochemical heat storage systems. Currently, sensible heat storage systems in two tanks of molten salts are the only ones used in the CSP commercial plants. Although its efficiency is high enough, it is necessary to develop novel thermal storage concepts and investigate new more competitive designs. The goal of this work is to contribute to the optimization and improvement of a Thermal Energy Storage with integrated Steam Generator design, TES-SG, which utilizes molten salts as HTF and storage medium, for its implementation in the future CSP plants. The patent of this design belongs to ENEA and the Italian company ANSALDO NUCLEARE S.p.A., Figure 3. For this purpose, the heat transfer study in a 300 kWth thermal energy storage prototype is addressed from both, the theoretical point of view of its performance and the experimental point of view of its operation. This work aims to obtain specific correlations for the heat transfer because the state-of-the-art reveals that existing correlations are unsuitable for this system. The review also highlights the lack of in-depth thermo-hydraulic studies about such a system (Chapter 1). The prototype is a 1.98 m in diameter and 2.8 m high tank, which contains about 12000 kg of a inorganic salts mixture in liquid state: NaNO3 (60 % by weight) + KNO3 (40 % by weight), commonly known as ’solar salt’, in air atmosphere, Figure 4. The steam generator is made up of two concentric cylindrical shells, and three helical tubes with different lengths, bending radii and inclinations, arranged in the delimited space between both shells. Pressurized water changing of phase flows inside the helical tubes, and molten salts flows through the interstitial space between both shells at counter-flow (Chapter 2). The information has been extracted by means of a comprehensive analysis of the experimental data from a discharge test of the prototype (Chapter 3), in order to achieve the main contributions of this work summarized below. The study of heat transfer by natural circulation between an external flow of molten salts and a helical tubes matrix has been carried out, both from a global and local perspective. For that, a Computational Fluid-Dynamics technique, CFD technique, has been applied, running a 3D model which simulates a discharge process using an URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes) treatment. On the one hand, the extracted information from the previous data analysis has served to establish the CFD model initial and boundary conditions and, on the other hand, to validate just the CFD model (Chapter 4). Numerical results obtained for temperature, pressure and velocity fields in molten salts of steam generator, and temperature and boundary heat flux distributions around helical tubes, during the steady-state system operation, have used to calculate: a) the global dimensionless numbers of: Re and Grm, by means of the generalized methodology of Vijayan et al. (2000) b) the local dimensionless numbers of: R_e, P_r and N_u, by means of two ad hoc models: the first one, a 3D model based on the steam generator hydraulic diameter, and the second one, a 2D model based on helical tubes outer diameter The TES-SG has been categorized as a simple NCL (Natural Circulation Loop) under transition regime from the relationship between the global dimensionless numbers of Re and Grm, in which the correlation proposed by Swapnalee y Vijayan (2011) can be used for computing mass flow of molten salts through the steam generator during the system discharges (Chapter 5). It has been possible to deduce a new correlation for the heat transfer by natural circulation between an external flow of molten salts and a matrix of helical tubes from the relationship between the local dimensionless numbers of R_e and P_r, which is independent of the characteristic length used. Resulting correlation is: N_u = 0:8150 R_e0:4608 P_r0:36„ and it presents a fit statistical parameter R2 of 0.9807 (Chapter 5). This correlation is considered valid for: matrices configurations according to the design of ENEA and ANSALDO NUCLEARE S.p.A: tubes external diameter of 0.0127 m and vertical and horizontal matrix pitches of the same order than tubes external diameter, which is equivalent to consider low inclination angles (< 3º) • operating conditions within the described range: _R e between 100 and 600, and _ Pr between 4 and 13 The study of forced convective boiling inside the helical tubes has been carried out by means of a CFD-RANS conjugated heat transfer 3D model between molten salts and water-steam, which simulates several moments of the prototype discharge process, and a numerical methodology based on the average behavior of the two-phase flow in each instability cycle (Chapter 6). The realized comparative evaluation between two-phase flow models: semi-empirical versus mechanistic, has allowed to infer that semi-empirical model can successfully simulate the forced convective boiling flow inside helical tubes. The model validation has been carried out by using both experimental data already referred to, and some results derived from a pressure drops model developed to the water-steam circuit comprised between the inlet and outlet manifolds of steam generator. The obtained numerical results for tangential velocity fields and steam qualities, both taken in the cross sections of water-steam flow, and steam quality distributions on the walls, all of them during the steady-state system operation, have served: a) to demonstrate the existence of a secondary flow within the helical tubes, which implies the description of this phenomenon in a working condition, geometry and heating methodologies that have not been considered up to now b) to characterize the dryout based on its location in the steam generator (height and azimuthal position) and the steam qualities associated with its first dryout and total dryout, depending on the helix diameter From this information has been possible to conclude the two-phase flow behavior is uniform within the operating conditions range given in this work (see Table 2) and taking into account the helical tube matrix configuration proposed by ENEA and ANSALDO NUCLEARE S.p.A. Therefore, the operation of the prototype during its discharges does not influence the dryout. This information has not been published previously. Existing correlations validity for calculating the associated steam qualities to the first dryout and total dryout has been analyzed, establishing the following conclusions: • the Ruffel’s correlation (at 270º) is the most suitable for the first dryout • the Santini et al. correlation provides results within the 20 % margin of error for the first dryout being, at the same time, the easiest to use since it does not depend on the heat flux on the walls • the assumption of 0.97 as the steam quality for the total dryout is a successful conservative approximation Note that both correlations were derived from experiments in which walls heating were uniform, against that happens in the ENEA prototype. Therefore, this can be a limit to use them despite of its adaptation to describe the steam quality associated with the first dryout. Finally, it lays bare how the applied methodology in this study, based on CFD models, is able to describe heat transfer in complex systems, demonstrating its power and ability to complement theory and experiments. This research work has been framed in the OPTS project (Contract No. 283138) of the 7th Framework Programme for Research and Technological Development funded by European Commission.