RT Dissertation/Thesis
T1 Thermal stress analysis of solar tubular receivers
A1 Montoya Sancha, Andrés
AB 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 unfluido 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 queevitan su flexión, inducen importantes tensiones en la estructura. Bajo estas condicionesde 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 losreceptores solares tubulares, explorando sus causas y encontrando las condiciones quemás influyen en las mismas. El objetivo de esta tesis doctoral es proporcionar unavisión más detallada del problema de las tensiones térmicas en los receptores solarestubulares, dando recomendaciones y herramientas de análisis para el proceso de diseñode dichos receptores. Concretamente, se han estudiado receptores solares centrales detipo cilíndrico, ubicados en la parte superior de una torre, y rodeados de espejos. Estosespejos, llamados heliostatos, redirigen la radiación solar hacia el receptor.En primer lugar, se han presentado las condiciones de contorno que afectan a lastensiones térmicas, junto con la descripción del problema estudiado, correspondiente a unaplanta de energía solar real. Se introduce la metodología numérica utilizada en esta tesisdoctoral para calcular las tensiones térmicas, y se verifica con las metodologías analíticasexistentes. Las condiciones de contorno térmicas en el tubo se calculan previamente conmodelos analíticos existentes, y son introducidas en el modelo numérico.Se ha comparado la tensión existente en tubos con condiciones de contorno mecánicasque impiden su flexión, y en tubos sujetos a la estructura del receptor mediante soporteslongitudinales, denominados clips. Además, se ha estudiado la influencia de las variacionesde temperatura (radiales, circunferenciales y longitudinales) en la tensión. También sepresenta el estudio de la variación de las tensiones térmicas en un receptor central solardurante su ciclo diario de funcionamiento. Los mencionados estudios ponen de manifiestola influencia de la variación circunferencial de temperatura, causante de la flexión de lostubos, y como las condiciones de contorno mecánicas impiden dicha flexión, aumentandoasí la tensión.A continuación, se ha desarrollado un modelo analítico que reduce el coste computacionalen comparación con los modelos numéricos, empleando el método matricial de la rigidez. Para las diferentes estrategias de apuntamiento de los helióstatos, este modelose 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 soporteses reducida, las metodologías analíticas que emplean la hipótesis de deformación planageneralizada 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 cuandolos heliostatos apuntan a los bordes del receptor. Para separaciones pequeñas entre losapoyos, apuntar los heliostatos hacia el ecuador del receptor reduce el desplazamientomáximo, a costa de aumentar la tensión térmica. El estudio previo de las estrategiasde apuntamiento óptimas puede que homogenicen el flujo de calor a lo largo del tuboreduciría la tensión y los desplazamientos en el receptor.También se ha analizado la posibilidad de colocar los apoyos no uniformementeespaciados a lo largo del tubo, para reducir su deformación. La ubicación de los apoyosdebe ser estudiada cuidadosamente para cada estrategia de apuntamiento, siendo en losextremos del tubo donde se suele localizar los desplazamientos máximos, especialmentecuando la distancia entre los apoyos es pequeña. Empleando apoyos no uniformementeespaciados, es posible reducir el desplazamiento máximo en el tubo.Finalmente, se ha considerado la geometría de estos soportes longitudinales en losmodelos. Se ha estudiado su influencia mediante modelos numéricos en las tensionestérmicas 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.
AB Solar central receivers are complex systems under severe working conditions: cyclicheat flux during the day that causes thermal stress, and the contact with a corrosivefluid, which flows through the tubes which compose the receiver panels. The boundarymechanical boundary conditions of the receiver tubes are highly hyperstatic, preventingthe tube bending and the panel warpage. Under these working conditions, tubes cansuffer from fatigue, creep, and thermal stress problems.This doctoral dissertation deepens in the thermal stresses characterization in tubularsolar receivers, exploring its causes and finding the conditions that influence the most inthe thermal stresses. The aim of this doctoral thesis is to provide a more detailed insightinto the thermal stress problem in solar tubular receivers, giving recommendations andanalysis tools for the design process of those receivers.Firstly, the boundary conditions that affect thermal stresses, along with the studiedproblems from a real solar power plant are presented. The numerical methodology usedin this doctoral thesis to calculate the thermal stresses is introduced, and it is verifiedwith existing analytical methodologies. The influence of temperature variations (radial,circumferential, and longitudinal) in thermal stress has been studied. The study ofthermal stresses variation in a solar central receiver during its daily operation is alsopresented. This study highlights the influence of the mechanical boundary conditionsand the circumferential temperature variation in the thermal stress of the tubes.An analytical model that reduces the computation cost compared with numericalmodels has been developed. For different heliostat aiming strategies, this model is usedto calculate the thermal stress and deflection of the receiver tubes, as a function of thenumber of longitudinal supports. The use of non-uniformly spaced supports to reducethe tube deflection is also analyzed. The location of the supports has to be carefullystudied for each aiming strategy, being the tube ends where maximum deflection isusually located when the distance between supports is small. When the distance betweensupports is small, generalized plane strain methodologies calculate the thermal stressalong the tube accurately.Finally, the shape of those longitudinal supports has been taken into account. Theirgeometry has been added to the numerical model to study the influence in the thermalstresses and tube deflection, for different sizes. Analytical results trying to mirror those boundary conditions have been compared. The possibility of heat losses through thesupports has been also considered. It was been studied with several numerical models,obtaining the temperature distribution and the consequent thermal stresses. Althoughthere is some temperature reduction in the rear are of the tubes, no remarkable changesin the thermal stresses can be observed when supports shape is considered.
YR 2020
FD 2020-12
LK https://hdl.handle.net/10016/32118
UL https://hdl.handle.net/10016/32118
LA eng
DS e-Archivo
RD 1 sept. 2024