Publication: Thermal stress analysis of solar tubular receivers
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Publication date
2020-12
Defense date
2020-12-10
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Abstract
Los receptores centrales solares son sistemas complejos bajo condiciones de trabajo severas:
el flujo de calor cíclico durante el día que causa estrés térmico, y el contacto con un
fluido corrosivo, que circula a través de los tubos que componen los paneles del receptor.
Las condiciones de contorno mecánicas de estos tubos, fuertemente hiperestáticas y que
evitan su flexión, inducen importantes tensiones en la estructura. Bajo estas condiciones
de trabajo, los tubos pueden sufrir de fatiga, fluencia y altas tensiones de origen térmico.
Esta tesis doctoral profundiza en la caracterización de las tensiones térmicas en los
receptores solares tubulares, explorando sus causas y encontrando las condiciones que
más influyen en las mismas. El objetivo de esta tesis doctoral es proporcionar una
visión más detallada del problema de las tensiones térmicas en los receptores solares
tubulares, dando recomendaciones y herramientas de análisis para el proceso de diseño
de dichos receptores. Concretamente, se han estudiado receptores solares centrales de
tipo cilíndrico, ubicados en la parte superior de una torre, y rodeados de espejos. Estos
espejos, llamados heliostatos, redirigen la radiación solar hacia el receptor.
En primer lugar, se han presentado las condiciones de contorno que afectan a las
tensiones térmicas, junto con la descripción del problema estudiado, correspondiente a una
planta de energía solar real. Se introduce la metodología numérica utilizada en esta tesis
doctoral para calcular las tensiones térmicas, y se verifica con las metodologías analíticas
existentes. Las condiciones de contorno térmicas en el tubo se calculan previamente con
modelos analíticos existentes, y son introducidas en el modelo numérico.
Se ha comparado la tensión existente en tubos con condiciones de contorno mecánicas
que impiden su flexión, y en tubos sujetos a la estructura del receptor mediante soportes
longitudinales, denominados clips. Además, se ha estudiado la influencia de las variaciones
de temperatura (radiales, circunferenciales y longitudinales) en la tensión. También se
presenta el estudio de la variación de las tensiones térmicas en un receptor central solar
durante su ciclo diario de funcionamiento. Los mencionados estudios ponen de manifiesto
la influencia de la variación circunferencial de temperatura, causante de la flexión de los
tubos, y como las condiciones de contorno mecánicas impiden dicha flexión, aumentando
así la tensión.
A continuación, se ha desarrollado un modelo analítico que reduce el coste computacional
en comparación con los modelos numéricos, empleando el método matricial de la rigidez. Para las diferentes estrategias de apuntamiento de los helióstatos, este modelo
se utiliza para calcular la tensión térmica y el desplazamiento en los tubos del receptor,
en función del número de apoyos longitudinales. Cuando la distancia entre soportes
es reducida, las metodologías analíticas que emplean la hipótesis de deformación plana
generalizada son capaces de calcular correctamente la tensión térmica a lo largo del tubo.
Los mayores desplazamientos en el tubo aparecen en los extremos, sobre todo cuando
los heliostatos apuntan a los bordes del receptor. Para separaciones pequeñas entre los
apoyos, apuntar los heliostatos hacia el ecuador del receptor reduce el desplazamiento
máximo, a costa de aumentar la tensión térmica. El estudio previo de las estrategias
de apuntamiento óptimas puede que homogenicen el flujo de calor a lo largo del tubo
reduciría la tensión y los desplazamientos en el receptor.
También se ha analizado la posibilidad de colocar los apoyos no uniformemente
espaciados a lo largo del tubo, para reducir su deformación. La ubicación de los apoyos
debe ser estudiada cuidadosamente para cada estrategia de apuntamiento, siendo en los
extremos del tubo donde se suele localizar los desplazamientos máximos, especialmente
cuando la distancia entre los apoyos es pequeña. Empleando apoyos no uniformemente
espaciados, es posible reducir el desplazamiento máximo en el tubo.
Finalmente, se ha considerado la geometría de estos soportes longitudinales en los
modelos. Se ha estudiado su influencia mediante modelos numéricos en las tensiones
térmicas y el desplazamiento de los tubos, considerando distintos tamaños de los soportes.
Los resultados han sido comparados con el modelo analítico, en el que se ha intentado reflejar el tamaño de los soportes de forma simplificada. También se ha considerado la posibilidad de que existan pérdidas de calor a través de los apoyos longitudinales. Dicho estudio se ha realizado empleando varios modelos numéricos, obteniendo la distribución de la temperatura y las tensiones térmicas consiguientes. Aunque hay cierta reducción de la temperatura en la parte posterior de los tubos, no se observan cambios notables en las tensiones térmicas cuando la forma de los soportes longitudinales es considerada.
Solar central receivers are complex systems under severe working conditions: cyclic heat flux during the day that causes thermal stress, and the contact with a corrosive fluid, which flows through the tubes which compose the receiver panels. The boundary mechanical boundary conditions of the receiver tubes are highly hyperstatic, preventing the tube bending and the panel warpage. Under these working conditions, tubes can suffer from fatigue, creep, and thermal stress problems. This doctoral dissertation deepens in the thermal stresses characterization in tubular solar receivers, exploring its causes and finding the conditions that influence the most in the thermal stresses. The aim of this doctoral thesis is to provide a more detailed insight into the thermal stress problem in solar tubular receivers, giving recommendations and analysis tools for the design process of those receivers. Firstly, the boundary conditions that affect thermal stresses, along with the studied problems from a real solar power plant are presented. The numerical methodology used in this doctoral thesis to calculate the thermal stresses is introduced, and it is verified with existing analytical methodologies. The influence of temperature variations (radial, circumferential, and longitudinal) in thermal stress has been studied. The study of thermal stresses variation in a solar central receiver during its daily operation is also presented. This study highlights the influence of the mechanical boundary conditions and the circumferential temperature variation in the thermal stress of the tubes. An analytical model that reduces the computation cost compared with numerical models has been developed. For different heliostat aiming strategies, this model is used to calculate the thermal stress and deflection of the receiver tubes, as a function of the number of longitudinal supports. The use of non-uniformly spaced supports to reduce the tube deflection is also analyzed. The location of the supports has to be carefully studied for each aiming strategy, being the tube ends where maximum deflection is usually located when the distance between supports is small. When the distance between supports is small, generalized plane strain methodologies calculate the thermal stress along the tube accurately. Finally, the shape of those longitudinal supports has been taken into account. Their geometry has been added to the numerical model to study the influence in the thermal stresses and tube deflection, for different sizes. Analytical results trying to mirror those boundary conditions have been compared. The possibility of heat losses through the supports has been also considered. It was been studied with several numerical models, obtaining the temperature distribution and the consequent thermal stresses. Although there is some temperature reduction in the rear are of the tubes, no remarkable changes in the thermal stresses can be observed when supports shape is considered.
Solar central receivers are complex systems under severe working conditions: cyclic heat flux during the day that causes thermal stress, and the contact with a corrosive fluid, which flows through the tubes which compose the receiver panels. The boundary mechanical boundary conditions of the receiver tubes are highly hyperstatic, preventing the tube bending and the panel warpage. Under these working conditions, tubes can suffer from fatigue, creep, and thermal stress problems. This doctoral dissertation deepens in the thermal stresses characterization in tubular solar receivers, exploring its causes and finding the conditions that influence the most in the thermal stresses. The aim of this doctoral thesis is to provide a more detailed insight into the thermal stress problem in solar tubular receivers, giving recommendations and analysis tools for the design process of those receivers. Firstly, the boundary conditions that affect thermal stresses, along with the studied problems from a real solar power plant are presented. The numerical methodology used in this doctoral thesis to calculate the thermal stresses is introduced, and it is verified with existing analytical methodologies. The influence of temperature variations (radial, circumferential, and longitudinal) in thermal stress has been studied. The study of thermal stresses variation in a solar central receiver during its daily operation is also presented. This study highlights the influence of the mechanical boundary conditions and the circumferential temperature variation in the thermal stress of the tubes. An analytical model that reduces the computation cost compared with numerical models has been developed. For different heliostat aiming strategies, this model is used to calculate the thermal stress and deflection of the receiver tubes, as a function of the number of longitudinal supports. The use of non-uniformly spaced supports to reduce the tube deflection is also analyzed. The location of the supports has to be carefully studied for each aiming strategy, being the tube ends where maximum deflection is usually located when the distance between supports is small. When the distance between supports is small, generalized plane strain methodologies calculate the thermal stress along the tube accurately. Finally, the shape of those longitudinal supports has been taken into account. Their geometry has been added to the numerical model to study the influence in the thermal stresses and tube deflection, for different sizes. Analytical results trying to mirror those boundary conditions have been compared. The possibility of heat losses through the supports has been also considered. It was been studied with several numerical models, obtaining the temperature distribution and the consequent thermal stresses. Although there is some temperature reduction in the rear are of the tubes, no remarkable changes in the thermal stresses can be observed when supports shape is considered.
Description
Keywords
Solar receivers, Thermal stress