Abstract

El ciclo termoquímico del óxido de cerio (CeO2) es una opción prometedora para la producción de hidrógeno con energía solar concentrada, ya que es estable a temperatura ambiente ( esto lo hace un buen candidato para almacenar energía), reacciona rápidamente con el agua a una temperatura moderada y no se recombina con el oxigeno, lo cual sucede con el ya bastante conocido ciclo del ZnO.

Recientemente, el paso endotérmico del ciclo del CeO2 fue probado experimentalmente en un reactor de vidrio por Abanades y Flamant (Solar Energy, 80, 1611-23). Sin embargo este proceso podría verse beneficiado si se utilizará un reactor tipo cavidad, ya que con este tipo de reactores las pérdidas radiativas se disminuyen, lo que trae como consecuencia un incremento de las temperaturas en el interior del reactor, y por lo tanto, una mejora en la reacción. Es por ello que en el presente trabajo se propone un reactor tipo cavidad para llevar a cabo la reducción térmica del CeO2. Para proponer un diseño es necesario modelar la transferencia de calor y como este proceso se lleva a cabo a temperaturas muy altas (T ≈ 2300), la transferencia de calor radiativa tiene un papel muy importante en el modelo propuesto.

El presente proyecto de tesis tiene el objetivo principal de modelar la transferencia de calor radiativa en un reactor solar termoquímico, pensado para llevar a cabo la reducción del óxido de cerio. El reactor simulado consistió en una cavidad cilíndrica cerrada con tapas planas, la cual contiene una suspensión homogénea de partículas. Una de las tapas de la cavidad tiene una abertura circular, de radio inferior al radio de la tapa y esta apertura esta ́ sujeta a radiación solar concentrada que proviene de un concentrador paraboloidal. Para llevar a cabo dicho estudio se elaboró un código que se basa en el método Monte Carlo. En el modelo se consideraron las características direccionales con las que entra la radiación solar a la cavidad y, asimismo, se asume que el reactor contiene una suspensión fluidizada de partículas de óxido de cerio radiativamente participativas. En el análisis se toman en cuenta las características radiativas de las partículas (secciones de absorción y esparsión). Éstas se calculan con la teoría de esparcimiento de Mie, usando las propiedades ópticas del CeO2, determinadas por diversos autores en la parte ultravioleta, visible e infrarroja del espectro.

En las simulaciones se analiza, para diversos radios de apertura de la cavidad, el efecto que tienen diversos tamaños de la partículas y varias concentraciones, en la distribución de temperaturas.

Los resultados obtenidos muestran que el radio de apertura óptimo que maximiza temperatura promedio, es alrededor de un 30-40 % más pequeño que el radio que da la mayor absorción solar. A pesar de que este radio óptimo no da la mayor absorción de radiación solar que entra a la cavidad, sí reduce las pérdidas radiativas por emisión. Asimismo se encuentra que sólo una fracción de partículas muy pequeña necesita estar en estado fluidizado con el fin de alcanzar temperaturas de operación.