Publication: Direct solar air heating in linear concentrating collectors assisted by a turbocharger for industrial processes: theoretical analysis and experimental characterization
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Publication date
2021-11
Defense date
2021-11-29
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Abstract
Energy demand of industry has a relevant share of global energy consumption. The larger portion of industrial demand is heating, mainly provided from fossil fuels. The concerns about pollutant and greenhouse gas emissions, together with the fossil fuels scarcity encourage the research efforts toward environmentally sustainable energy sources and among them, solar energy is widely available. Among solar thermal technologies, linear concentrating collectors represent a suitable solution for providing industrial process heat in the medium temperature range. A heat transfer fluid, as thermal oil, or water, is generally adopted to evacuate heat from the solar receivers and to deliver it to thermal processes, contributing to complexity, cost, and even environmental impact.
In this thesis the direct air heating inside concentrating solar collector is investigated as a promising solution for industrial processes requiring hot air in the medium temperature range, aiming at low installation and maintenance costs. Although uncommon, the theoretical analysis carried out revealed the feasibility of direct air heating at atmospheric pressure either in a parabolic trough and linear Fresnel collectors within a limited range of design and operating conditions. The high pumping power required to blow air through the receivers arises as one of the main constraints, becoming unsustainable at medium and large scale. To overcome this limitation, an innovative layout is proposed using an automotive turbocharger to configure an original open-to-atmosphere solar Brayton cycle with null power efficiency. The compressor increases the air pressure before solar heating inside the receivers, minimizing the pumping power consumption. The turbine placed at the receiver outlet recovers the compressing and the pumping power, releasing hot air at between 300 °C and 400 °C for its usage in the thermal process. The maximum allowable temperature of evacuated standard receivers, indicated as 600 °C by most of the manufacturers, limits the inlet turbine temperature. No substantial mechanical excess of power at the common turbine and compressor shaft is expected. Instead, turbocharger freewheeling enables to blow air through the solar receivers without auxiliary energy consumption, eventually delivering the hot air with an overpressure for pumping to the user.
To support the proposal, a first small-scale experimental prototype of the turbo-assisted solar air heater is designed and installed, using Linear Fresnel collectors and a low-capacity turbocharger. The experimental results allow the thermal and mechanical characterization of the solar collector and the turbocharger, besides tuning and validating the numerical model implemented. They corroborate the practical viability of the concept and indicates relevant features and critical aspects for scaling up to industrial size. A detailed quasi-steady numerical model is developed, including technical features of commercial linear Fresnel collectors and off-the-shelf turbochargers. Daily and yearly assessments of several medium-scale facilities are obtained considering the typical meteorological year of the selected location. The results allow identifying the relevant design and operating parameters and their effect on the performances of the turbo-assisted solar air heater. By combining theoretical and experimental approaches this thesis establishes the framework for the development, design, optimization, and operation of the innovative technology proposed, opening the possibility to its application to several industrial sectors.
La demanda energética de la industria tiene una participación relevante en el consumo energético mundial. La mayor parte de la demanda industrial es calor, principalmente obtenido a partir de combustibles fósiles. Las preocupaciones sobre las emisiones de gases contaminantes y de efecto invernadero, junto con la escasez de combustibles fósiles, fomentan los esfuerzos de investigación hacia fuentes de energía ambientalmente sostenibles, entre las cuales, la energía solar se encuentra ampliamente disponible. Entre las tecnologías solares térmicas, los colectores de concentración lineal representan una solución adecuada para proporcionar calor de proceso industrial en el rango de media temperatura. Generalmente se adopta un fluido caloportador, como aceite térmico o agua, para evacuar el calor de los receptores solares y entregarlo al proceso térmico, contribuyendo a la complejidad, costo, e incluso impacto ambiental. En esta tesis se investiga el calentamiento directo de aire en colectores solares de concentración como una solución prometedora para procesos industriales que requieran aire caliente en el rango de media temperatura, con el objetivo de reducir los costos de instalación y mantenimiento. Aunque poco común, el análisis teórico realizado revela la viabilidad del calentamiento directo del aire a presión atmosférica tanto en colectores cilindro-parabólicos como en colectores Fresnel lineales dentro de un rango limitado de condiciones de diseño y operación. La alta potencia de bombeo necesaria para soplar aire a través de los receptores es una de las principales limitaciones, volviéndose insostenible a mediana y gran escala. Para superar esta limitación, se propone un diseño innovador que utiliza un turbocompresor de automóvil para configurar un ciclo Brayton solar abierto a la atmósfera con una eficiencia energética nula. El compresor aumenta la presión del aire antes del calentamiento solar en los receptores, minimizando el consumo de energía de bombeo. La turbina, colocada en la salida del receptor, recupera la potencia de compresión y bombeo, liberando aire caliente entre 300 °C y 400 °C para su uso en el proceso térmico. La temperatura máxima permitida de los receptores estándar evacuados, indicada como 600 °C por la mayoría de los fabricantes, limita la temperatura de entrada de la turbina, por lo que no se espera un exceso mecánico de potencia sustancial en la turbina común y el eje del compresor. En cambio, el turbocompresor permite soplar aire a través de los receptores solares sin consumo de energía auxiliar de bombeo. Si existiera un exceso, estará disponible para el bombeo hasta el usuario. Para apoyar la propuesta, se diseña e instala un primer prototipo experimental de pequeña escala del calentador de aire solar turbo-asistido, utilizando colectores lineales Fresnel y un turbocompresor de baja capacidad. Los resultados experimentales permiten la caracterización térmica y mecánica del colector solar y el turbocompresor, además de ajustar y validar los modelos numéricos implementados. Los ensayos corroboran la viabilidad práctica del concepto e indican características relevantes y aspectos críticos para escalar al tamaño industrial. Se desarrolla un modelo numérico cuasi-estacionario detallado, que incluye las características técnicas de los colectores Fresnel lineales comerciales y los turbocompresores estándar. Se obtienen evaluaciones diarias y anuales de varias instalaciones de mediana escala considerando el año meteorológico típico de la ubicación seleccionada. Los resultados permiten identificar los parámetros de diseño y funcionamiento relevantes y su efecto sobre el rendimiento del calentador de aire solar turbo-asistido. Combinando enfoques teóricos y experimentales, esta tesis establece el marco para el desarrollo, diseño y operación de la tecnología innovadora propuesta, abriendo la posibilidad de su aplicación a varios sectores industriales, apuntando a la descarbonización y transición industrial sustentable.
La demanda energética de la industria tiene una participación relevante en el consumo energético mundial. La mayor parte de la demanda industrial es calor, principalmente obtenido a partir de combustibles fósiles. Las preocupaciones sobre las emisiones de gases contaminantes y de efecto invernadero, junto con la escasez de combustibles fósiles, fomentan los esfuerzos de investigación hacia fuentes de energía ambientalmente sostenibles, entre las cuales, la energía solar se encuentra ampliamente disponible. Entre las tecnologías solares térmicas, los colectores de concentración lineal representan una solución adecuada para proporcionar calor de proceso industrial en el rango de media temperatura. Generalmente se adopta un fluido caloportador, como aceite térmico o agua, para evacuar el calor de los receptores solares y entregarlo al proceso térmico, contribuyendo a la complejidad, costo, e incluso impacto ambiental. En esta tesis se investiga el calentamiento directo de aire en colectores solares de concentración como una solución prometedora para procesos industriales que requieran aire caliente en el rango de media temperatura, con el objetivo de reducir los costos de instalación y mantenimiento. Aunque poco común, el análisis teórico realizado revela la viabilidad del calentamiento directo del aire a presión atmosférica tanto en colectores cilindro-parabólicos como en colectores Fresnel lineales dentro de un rango limitado de condiciones de diseño y operación. La alta potencia de bombeo necesaria para soplar aire a través de los receptores es una de las principales limitaciones, volviéndose insostenible a mediana y gran escala. Para superar esta limitación, se propone un diseño innovador que utiliza un turbocompresor de automóvil para configurar un ciclo Brayton solar abierto a la atmósfera con una eficiencia energética nula. El compresor aumenta la presión del aire antes del calentamiento solar en los receptores, minimizando el consumo de energía de bombeo. La turbina, colocada en la salida del receptor, recupera la potencia de compresión y bombeo, liberando aire caliente entre 300 °C y 400 °C para su uso en el proceso térmico. La temperatura máxima permitida de los receptores estándar evacuados, indicada como 600 °C por la mayoría de los fabricantes, limita la temperatura de entrada de la turbina, por lo que no se espera un exceso mecánico de potencia sustancial en la turbina común y el eje del compresor. En cambio, el turbocompresor permite soplar aire a través de los receptores solares sin consumo de energía auxiliar de bombeo. Si existiera un exceso, estará disponible para el bombeo hasta el usuario. Para apoyar la propuesta, se diseña e instala un primer prototipo experimental de pequeña escala del calentador de aire solar turbo-asistido, utilizando colectores lineales Fresnel y un turbocompresor de baja capacidad. Los resultados experimentales permiten la caracterización térmica y mecánica del colector solar y el turbocompresor, además de ajustar y validar los modelos numéricos implementados. Los ensayos corroboran la viabilidad práctica del concepto e indican características relevantes y aspectos críticos para escalar al tamaño industrial. Se desarrolla un modelo numérico cuasi-estacionario detallado, que incluye las características técnicas de los colectores Fresnel lineales comerciales y los turbocompresores estándar. Se obtienen evaluaciones diarias y anuales de varias instalaciones de mediana escala considerando el año meteorológico típico de la ubicación seleccionada. Los resultados permiten identificar los parámetros de diseño y funcionamiento relevantes y su efecto sobre el rendimiento del calentador de aire solar turbo-asistido. Combinando enfoques teóricos y experimentales, esta tesis establece el marco para el desarrollo, diseño y operación de la tecnología innovadora propuesta, abriendo la posibilidad de su aplicación a varios sectores industriales, apuntando a la descarbonización y transición industrial sustentable.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Solar air heater, Solar heat for industrial processes, Solar thermal energy, Solar Brayton cycle, Linear concentrating solar collectors