Investigadores en Australia investigan receptor solar de vórtice abierto para termoquímica a 1000 °C

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Fuente: Helio Noticias by Susan Kraemer, solarpaces.org

A medida que se hace evidente la necesidad de terminar con el uso de combustibles fósiles para las industrias de alta temperatura, los investigadores solares están desarrollando tecnologías de alta temperatura para energía termosolar concentrada (CST) de torre para reemplazar el calor.

Se ha demostrado que las partículas como la arena o las partículas cerámicas fabricadas especialmente mantienen el calor a 1000 °C o más, por lo que las tecnologías CST de torre solar basadas en partículas ahora se investigan mucho como esenciales para descarbonizar la economía global.

A nivel mundial, estos investigadores solares están desarrollando actualmente una «explosión cámbrica» ​​de diseños competitivos para receptores solares capaces de generar calor a estas temperaturas cuando el flujo solar se dirige hacia ellos desde los campos solares de los espejos.

Mientras que una rama de la investigación de partículas propone que las partículas utilicen la gravedad al caer a través del receptor en la parte superior de la torre, investigado en laboratorios nacionales en los EE . UU ., Australia y Arabia Saudita , otra rama está investigando el giro de las partículas dentro del receptor solar.

Dos ejemplos del enfoque de circulación son el receptor Centrec de DLR en Alemania, que funciona como una hormigonera y ha avanzado recientemente a sus primeros pilotos comerciales a través de la escisión HelioHeat , proporcionando calor a una empresa de pasta. El laboratorio suizo ETH desarrolló otro diseño, ahora más desarrollado por Synhelion, spin-off de DLR, para fabricar procesos de alta temperatura como combustible de aviación solar ; un receptor solar de gas absorbente.

La investigación solar de muy alta temperatura es aún más relevante en la soleada Australia, donde las grandes industrias mineras tienen un potencial de clase mundial para descarbonizar utilizando esta tecnología solar para generar calor directamente para sus procesos industriales, como el procesamiento de alúmina . Uno de estos receptores está en desarrollo, un proyecto financiado por la Agencia Australiana de Energía Renovable ( ARENA ), por un innovador equipo de investigadores de la Universidad de Adelaida.

El estudio computacional descrito en su artículo Thermal Performance Analysis of a Scaled-up Suspension Flow Receiver for Generation of Industrial Process Heat : A Computational Study demuestra el rendimiento térmico para una versión a escala de 50 MW del receptor de vórtice de expansión solar (SEVR), otro vórtice receptor de flujo

“Los procesos industriales como la calcinación de alúmina requieren temperaturas superiores a los 1000 °C grados, y para alcanzar eso, existen un par de conceptos de receptores de partículas, de los cuales, el receptor de flujo vortex utiliza una combinación de gas y partículas para generar un calor intenso, que potencialmente podría configurarse como un dispositivo de calentamiento de aire ”, comentó el estudiante y autor de U of Adelaide Masters, Daniel Ang.

Ang dijo que su receptor es en realidad una variación del receptor de flujo de vórtice original propuesto por ETH/PSI, que incorpora una ventana de vidrio para mantener las partículas adentro. Los receptores de flujo de suspensión o de flujo de vórtice están despertando interés porque pueden calentar ambas fases, las partículas y El aire. Su versión ahora prueba una variación sin ventanas que está abierta al aire exterior.

“Entonces, para que funcione como una configuración sin ventanas, empleamos condiciones de ventilación excesiva en la salida, aspirando una cantidad mínima de aire a través de la apertura, lo que obliga a las partículas a moverse hacia adentro desde la apertura, hacia el interior del receptor”. él explicó.

Han descrito su diseño de receptor de flujo de vórtice en documentos anteriores (enumerados a continuación). Ahora quieren determinar el método óptimo entre tres alternativas para resolver un desafío: la ventaja de mantener las partículas suspendidas en el aire significa exposición directa al flujo solar y, por lo tanto, una ganancia de calor más óptima, y ​​esto transfiere simultáneamente el calor de las partículas a el aire que los rodea por medio de la convección.

“Así que nos gustaría calentar de manera efectiva ambas fases, tanto la sólida como la gaseosa”, explicó.

Ang realizó un análisis sistemático preliminar utilizando software de dinámica de fluidos computacional (CFD), para tres posibles estrategias operativas para un sistema de 50 MW que utiliza partículas cerámicas CARBO-HSP de un proveedor comercial, para evaluar los beneficios de la adición de partículas y la influencia del flujo másico de aire de entrada tasa de rendimiento térmico.

El análisis comparó la velocidad constante con el tiempo de residencia constante, o un híbrido de ambas estrategias para identificar las fortalezas y limitaciones de cada una. Los resultados preliminares descartaron mantener constante la velocidad de las partículas, ya que es demasiado grande y costoso, y el híbrido no funcionó.

Por lo tanto, operar durante un tiempo de residencia constante demostró permitir el diseño más compacto (y, por lo tanto, más rentable) para el receptor en el caso actual. Esta estrategia operativa podría lograr una eficiencia térmica de hasta el 60 % para el caso de referencia, con caudales másicos de aire elevados y cargas de partículas a una escala de 50 MW.

Es importante destacar que los criterios de tiempo de residencia cumplen con las necesidades de los reactores para calentamiento sensible que pueden posteriormente realizar la calcinación de alúmina o cal (ejemplo).

“Tuvimos muy buenas noticias porque necesitábamos alcanzar una temperatura de alrededor de 1100 °C, y no es tan fácil lograr esa temperatura sin esperar muchas pérdidas de calor en general”, dijo.

“Lo que estamos tratando de lograr con estos estudios es determinar el camino correcto para el proceso de ampliación, pero aún necesitamos hacer algunas modificaciones adicionales en los criterios de escala y la geometría para que podamos obtener el diseño óptimo para el receptor. bajo un sistema a gran escala”, dijo Ang. “Una de las cosas críticas a considerar es el tamaño del receptor, así como el tamaño de la apertura para que la mayor parte del flujo solar ingrese al receptor, para capturar la mayor parte del flujo solar del campo de helióstatos con una mínima pérdida de calor a través de la apertura. .”

Ahora, al equipo le gustaría probar una versión ampliada para proporcionar un calor de proceso de 1000 °C. “El dispositivo es bueno ya que las partículas agregadas aumentan el coeficiente de transferencia de calor, lo que lo hace capaz de alcanzar altas temperaturas. Esto podría ser potencialmente una forma de producir calor de proceso consistentemente a 1000°C o más. Entonces, si desea considerar el aire caliente para procesos industriales, este podría ser el dispositivo a considerar”, señaló Ang.

Otras lecturas:

Chinnici, A., Arjomandi, M., Tian, ​​ZF, Lu, Z. y Nathan, GJ, 2015. Un nuevo reactor de partículas de vórtice en expansión solar: influencia de la estructura del vórtice en los tiempos de residencia y las trayectorias de las partículas. Energía Solar, 122, pp.58-75. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.08.017

Long, S., Lau, TC, Chinnici, A. y Nathan, GJ, 2021. El campo de flujo dentro de un receptor de cavidad solar basado en vórtices con una apertura abierta. Experimental Thermal and Fluid Science, 123, p.110314. DOI: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2020.110314

Davis, D., Jafarian, M., Chinnici, A., Saw, WL y Nathan, GJ, 2019. Rendimiento térmico de receptores de partículas solares basados ​​en vórtices para calefacción sensible. Energía Solar, 177, pp.163-177. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.10.086

Chinnici, A., Davis, D., Lau, TCW, Ang, D., Troiano, M., Saw, WL, Tian, ​​ZF, Solimene, R., Salatino, P. y Nathan, GJ, 2022. Global medido rendimiento térmico de un receptor de partículas solares de flujo en suspensión irradiado directamente con una apertura abierta. Energía Solar, 231, pp.185-193. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.11.012

 

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