Explotación de geometrías interiores que permiten flujo helicoidal dentro de tubos receptores de concentración solar

Abstract

Las tecnologías de concentración solar de potencia (CSP) son plantas de generación eléctrica que emplean un arreglo de espejos y lentes, con el fin de concentrar la radiación solar en una pequeña superficie. Para producir energía eléctrica, primero ocurre una concentración de la radiación sobre un fluido calentándolo, para posteriormente usarlo para calentar el vapor de agua que impulsa una turbina y a su vez un generador en un ciclo de vapor. Este trabajo se enfoca en estudiar uno de los componentes principales de las plantas CSP, que son los tubos receptores o absorbedores de concentración solar, en donde se estudia térmica y flui- dodinámicamente un volumen de control dentro del tubo en el cual se le agrega un inserto con una geometría helicoidal y una cinta torsionada con el fin de analizar posibles mejoras en la transferencia de calor. Para esto se trabaja con Syltherm 800 como fluido de trabajo y se le aplican condiciones de borde periódicas a los extremos del cilindro. Este estudio se realiza para 3 flujos másicos con el fin de emular distintas condiciones ambientales a las que se ven enfrentado estos sistemas. El estudio se realiza mediante una herramienta CFD en la cual se simulan 9 combinaciones de radio de hélice y periodos de giro para los insertos helicoidales y 9 combinaciones de ancho de cinta y periodo de giro para los insertos de cinta torsionada. De las simulaciones realizadas se comparan las combinaciones de cada categoría, geometría helicoidal y cinta torsionada, utilizando como criterio 4 variables de interés; el factor de incremento de calor, la diferencia de temperatura circunferencial, el gradiente máximo de temperatura y el percentil 95 del gradiente de temperatura. De los resultados se obtiene que existen 2 configuraciones de inserto de geometría helicoidal que logran un aumento efectivo del Nusselt dadas las pérdidas de presión al integrar un inserto, dicho de otra forma, un factor de incremento de calor mayor a 1. Además se obtiene que al integrar insertos de cinta torsionada o geometría helicoidal reducen la diferencia de temperatura circunferencial de 7,22 [K] a 0,2 [K] en promedio. Por otro lado, estudiando el gradiente de temperatura se logra reducir de entre 200 y 570 [K/o] a menos de 120 [K/o] para las mejores configuraciones de ambas geometrías.