On the design of solar external receivers

Rodríguez Sánchez, María de los Reyes

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On the design of solar external receivers

dc.contributor.advisor	Santana Santana, Domingo José
dc.contributor.advisor	Marugán Cruz, Carolina
dc.contributor.author	Rodríguez Sánchez, María de los Reyes
dc.contributor.departamento	UC3M. Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos	es
dc.date.accessioned	2016-02-01T12:38:23Z
dc.date.available	2016-02-01T12:38:23Z
dc.date.issued	2015-09
dc.date.submitted	2015-09-29
dc.description	Mención Internacional en el título de doctor
dc.description.abstract	Solar external receivers with molten salt as heat transfer fluid are the most critical subsystem of a Solar Power Tower (SPT). Receiver tubes work under extreme conditions due to the high incident solar flux and the potentially corrosive environments. These demanding conditions of operation usually produce the failure of the receiver by stress corrosion cracking. The unsteady solar flux and the large size of the heliostat field and the receiver make very complicated accurate measurement of the spatial heat flux on the receiver tubes. Hence, modelling accurately the solar flux onto the receiver and the heat transfer in the tubes is required. This PhD thesis consists in the development and validation of several thermal models of external receivers to improve the estimation of the temperature distribution on the receiver tubes and the thermal efficiency. The application of the models has enabled to establish the guidelines for the accurate and safety design of the external receivers. In this thesis there are presented two simplified and two-dimensional models. The first model assumes homogeneous heat flux in the tubes, while the other assumes homogeneous temperature. The main characteristic of the models is that they consider circumferential and axial distribution of the temperature in the receiver tubes. In addition, they take into account the main heat exchange mechanisms, as well as the temperature dependence of the thermo-mechanical properties of tube materials and heat transfer fluid. Firstly, the SPT operation modes and weakness were analysed. Subsequently, the viability of installing a system to reduce the parasitic energy consumption of the SPT was studied. This system, named Potential Energy Recovery System (PERS), recovers the potential energy from the downcomer of the receiver. The PERS was included in the models of two different actual SPT resulting in important energy savings in both plants. The simplified models were validated with CFD simulations, other simplified models, and experimental data. Regarding the CFD, the accuracy of the results is similar, but the simplified models proposed here have a significant lower computational cost, which is a notable advantage for the pre-design of the receiver where many geometrical parameters must be analysed. Regarding experimental data, given the inlet temperature of the heat transfer fluid, the direct normal irradiance, and an approximation of the aiming strategy of the heliostat field, the results obtained for the outlet temperature of the salt and the mass flow rate in the receiver are very close. Comparing with previous simplified models the thermal efficiency obtained is around 10% lower than in previous studies. The key of this difference is the thermal resistance for the heat transfer process related to the fluid and the tube material. It was also seen that the Biot number is large, and therefore the circumferential temperature must be taken into account for proper receiver efficiency estimation. In addition, different receiver geometries were analysed to find the optimum receiver design. It was determined that the most restrictive variables are the mechanical stresses and the film temperature. Regarding the receiver flow path, the best option is to implement two symmetrical paths that in the north hemisphere go from north - to - south of the receiver assuring the peak flux far from southern panels. Finally, the feasibility of employing SPT that uses supercritical or ultrasupercritical power blocks was analysed using the developed thermal models. However, the increase of the power block efficiency implies higher heat losses in the receiver. Therefore, the new generation of SPT will be only advisable when the cost of materials and systems decrease considerably.	es
dc.description.abstract	Los receptores solares de sales fundidas son el subsistema más crítico de las centrales termosolares tipo torre. Estos receptores están sometidos a unas condiciones de trabajo extremas, destacando la gran concentración de flujo solar incidente y un ambiente de trabajo potencialmente corrosivo. Estas condiciones tan exigentes suelen producir roturas en el receptor por corrosión bajo tensión. Además debido a la gran inestabilidad del flujo solar y a las grandes dimensiones tanto del receptor como de los heliostatos es muy complicado determinar de forma precisa la distribución espacial del flujo de calor sobre los tubos del receptor, resultando imprescindible el modelado del flujo de calor sobre el receptor y la transferencia de calor en sus tubos. Esta tesis doctoral se basa en el desarrollo y validación de varios modelos térmicos de receptores centrales que intentan mejorar la estimación de la distribución de temperatura en los tubos del receptor y su eficiencia térmica global. Mediante la aplicación de estos modelos se han establecido las pautas para el diseño de receptores que aseguran un funcionamiento fiable del mismo. Los modelos térmicos desarrollados son simplificados y bidimensionales, uno de ellos asume flujo de calor constante en los tubos y el otro temperatura constante. La característica principal de estos modelos bidimensionales es que tienen en cuenta las variaciones circunferenciales y axiales de temperatura en los tubos del receptor. Además, estos modelos aunque sencillos y rápidos tienen en cuenta los principales mecanismos de intercambio de calor, y que las propiedades termomecánicas de materiales y del fluido caloportador dependen de la temperatura. En primer lugar se estudió el funcionamiento de las centrales solares de torre, analizando sus fortalezas y debilidades. Surge así la idea de evaluar la viabilidad de implantar un sistema que reduzca su auto-consumo energético. Este sistema, denominado PERS, consiste en recuperar la energía potencial del fluido caliente que baja del receptor a los tanques de almacenamiento. El PERS se ha incluido en el modelo de dos centrales solares de torre diferentes, y en ambos casos se han encontrado unos importantes ahorros energéticos. Los modelos simplificados desarrollados han sido validados con CFD, otros modelos simplificados y datos experimentales. Con respecto a las simulaciones CFD los resultados obtenidos son del mismo orden pero con una notable reducción del coste computacional, lo que significa una ventaja notable para el pre-diseño de los receptores centrales, donde son analizados numerosos parámetros geométricos. Comparando con los escasos datos experimentales publicados, conocidas la temperatura de entrada del fluido de trabajo, la irradiación solar directa y una aproximación de la estrategia de apuntamiento del campo de heliostatos, se han obtenido unos flujos másicos y unas temperaturas de salida del fluido muy similares a los experimentales. Para completar el estudio, se han comparado nuestros modelos con otros modelos simplificados de la bibliografía. En este caso la eficiencia térmica del receptor obtenida es alrededor de un 10% menor a los obtenidos previamente. La clave de esta diferencia es la resistencia térmica en el proceso de transferencia de calor, relacionada tanto con el fluido como con el material de los tubos. Además se ha visto que el número de Biot es elevado, y por lo tanto las variaciones circunferenciales de temperatura deben tenerse en cuenta para estimar la eficiencia térmica del receptor correctamente. En esta tesis se han analizado diferentes geometrías del receptor bajo diversos modos de funcionamiento en orden de encontrar un diseño óptimo. Se ha determinado que las variables más restrictivas para el diseño del receptor son el estrés mecánico y la temperatura de película. En cuanto a los canales de flujo, en el hemisferio norte la mejor opción es implementar dos canales simétricos que circulen de norte a sur, asegurando que el pico de densidad solar se encuentre lejos de la zona de salida del receptor, lado sur. Finalmente, la posibilidad de utilizar una nueva generación de centrales solares tipo torre que emplee bloques de potencia supercríticos y ultra-supercríticos ha sido analizada con el empleo de los modelos simplificados previamente desarrollados. Sin embargo, el aumento de eficiencia en el bloque de potencia implica mayores temperaturas y pérdidas de calor en el receptor. Por lo tanto, esta nueva generación de centrales de torre sólo será recomendada cuando los precios de los materiales y de los sistemas supercríticos desciendan considerablemente.	es
dc.description.degree	Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial	es
dc.description.responsability	Presidente: José María Martínez-Val Peñalosa.- Secretario: Eduardo Zarza Moya.- Vocal: Manuel J. Blanco Muriel	es
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10016/22228
dc.language.iso	eng	es
dc.rights	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España	*
dc.rights.accessRights	open access	es
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/	*
dc.subject.eciencia	Ingeniería Industrial	es
dc.subject.other	Solar power towers	es
dc.subject.other	Solar external receivers	es
dc.title	On the design of solar external receivers	es
dc.type	doctoral thesis	*
dspace.entity.type	Publication