Abstract

Los receptores de partículas se están estudiando cada vez más en los últimos años con el objetivo de poder almacenar energía a una temperatura superior a las de las sales fundidas que, hoy en día, representan el fluido comercial que trabaja a mayor temperatura (hasta 560 °C) en las centrales de concentración solar. La búsqueda de una mayor temperatura se debe sobre todo a la necesidad de aumentar el rendimiento termodinámico en los ciclos de potencia para la producción de energía eléctrica. Los receptores de partículas se han propuesto, además de para la generación de electricidad, para la realización de procesos térmicos y termoquímicos con radiación solar. Los receptores o reactores rotativos solares son una de las tecnologías que más se están investigando para llevar a cabo una gran variedad de procesos térmicos en un rango de temperatura muy amplio (entre cientos y miles de grados Celsius) y con materiales muy diferentes (chatarra de aluminio, arena, óxidos metálicos, etc.); lo que lleva a condiciones de funcionamiento muy dispares de los prototipos existentes. Debido a la variabilidad de los datos disponibles, a veces contradictorios, la comprensión profunda del comportamiento térmico y fluidodinámico de los receptores solares rotativos sigue siendo un desafío.

En esta tesis se fijó como objetivo analizar la tecnología de receptores rotativos y estudiar el calentamiento del sistema receptor-partículas para aplicaciones térmicas tales como la producción de calor de proceso o el almacenamiento de energía a temperaturas de hasta 750 – 850 °C, así como su posible integración en procesos industriales de alta temperatura.

La metodología empleada se definió a partir de las conclusiones procedentes de estudios bibliográficos iniciales, la cual combinó ensayos experimentales, llevados a cabo con un receptor rotativo a escala de laboratorio con funcionamiento en modo discontinuo, con modelos numéricos, incluyendo un modelo térmico unidimensional, un modelo CFD bidimensional y un modelo analítico para el escalado del receptor.

A nivel experimental se han realizado diferentes ensayos bajo diferentes condiciones: con y sin rotación, con materiales diferentes (receptor vacío, esferas de alúmina y partículas de carburo de silicio) y con fuentes de radiación diferente (un horno solar y un simulador solar). Los ensayos demostraron la capacidad del receptor rotativo vi de absorber energía térmica de forma significativa y calentar material granular hasta más de 800 °C. A través de las simulaciones CFD se pudo apreciar la influencia de la rotación sobre la homogeneización de la distribución de temperatura en el interior del lecho. Además, con el modelo unidimensional se comprobó que, aumentando el número de lotes después del precalentamiento inicial y reduciendo el tiempo de calentamiento de las partículas, es posible aumentar considerablemente la eficiencia del receptor. Para finalizar la modelización del sistema, mediante un escalado de un receptor rotativo solar para plantas de torre con operación en continuo, se estimó que un dispositivo de este tipo puede alcanzar eficiencias superiores al 83%.

Por último, se analizaron diferentes modos de operación para los receptores estudiados y se propusieron dos configuraciones de funcionamiento dependiendo de la aplicación y su demanda energética. En la primera configuración, la planta solar incluía un sistema de almacenamiento térmico, mientras que la segunda consideraba el tratamiento directo del material granular. Estas dos estrategias representan una integración realista de estos dispositivos solares con los procesos industriales actuales, mostrando una aplicación viable de los hornos solares rotatorios.