Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Análisis termo-fluido-dinámico de receptores volumétricos de malla metálica: parámetros geométricos y condiciones de operación
Autor
SÁNCHEZ SEÑORÁN, DANIEL
Director
AVILA MARÍN, ANTONIO LUIS
Codirector
REYES BELMONTE, MIGUEL ÁNGEL
Fecha de defensa
03-06-2025
Calificación
Sin especificar
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
Solicitada
Resumen
La energía termosolar de concentración demuestra ser una energía renovable madura y con potencial para reducir la huella de carbono en dos ámbitos destacados como la producción de energía eléctrica y, sobre todo, la generación de calor de proceso para la industria. Dentro de la energía termosolar de concentración hay diferentes tecnologías, entre las que destaca la tecnología de receptor central en la que se enmarca esta tesis. La tecnología de receptor central se distingue como una tecnología capaz de alcanzar factores de concentración cercanos a 1.000, lo que implica temperaturas de fluido superiores a 500 ºC.
En esta tecnología, el estado del arte queda marcado por el uso de sales fundidas como fluido de trabajo, permitiendo temperaturas máximas a la salida del receptor de 565 ºC. Debido a la degradación del fluido de trabajo, esas temperaturas desaprovechan el potencial de los sistemas de receptor central, y es por eso por lo que emergen otros fluidos de trabajo como las partículas sólidas cerámicas, los fluidos gaseosos o los líquidos de alta temperatura. Concretamente, en este trabajo se subraya el uso del aire atmosférico como fluido de trabajo, a pesar de no ser un fluido con buenas propiedades térmicas, se ha demostrado que el uso de este fluido permite alcanzar temperaturas superiores a los 700 ºC, además, es un fluido abundante y sin coste, y su uso es simple.
La tecnología de receptores volumétricos hace uso del aire atmosférico, y para su calentamiento emplean materiales porosos intrincados denominados absorbedores volumétricos. Estos absorbedores pueden estar fabricados de materiales metálicos o cerámicos, los materiales metálicos son capaces de soportar temperaturas entre 700 y 1.000 ºC, mientras que los materiales cerámicos alcanzan temperaturas de hasta 1.500 ºC. Además del material, el diseño del absorbedor volumétrico marca la diferencia como se demuestra a lo largo de esta tesis con el análisis realizado sobre los atributos termo-fluido-dinámicos. Estos atributos se desglosan en la transferencia de calor convectiva, en la transferencia de calor radiativa y en la pérdida de carga. La transferencia de calor convectiva y la pérdida de carga son completamente dependientes de la geometría, mientras que la transferencia de calor radiativa es dependiente tanto de la geometría como del material.
Esta tesis se ha focalizado en los absorbedores volumétricos de malla metálica por su fabricación sencilla y modularidad, como por su potencial para ser un paso intermedio entre el estado del arte y los absorbedores volumétricos cerámicos gracias a la estabilidad térmica y estructural de los materiales metalicos. El objeto de este estudio se restringe a mallas metálicas con una porosidad de malla del 80% y diámetros de hilo entre 0,1 y 0,7 mm, para las que también se han considerado las disposiciones más antagónicas, en línea y escalonada.
La primera hipótesis de esta tesis se centra en la influencia de los parámetros geométricos, diámetro de hilo y espaciado entre hilos, sobre los atributos termo-fluido-dinámicos. Estos parámetros geométricos conciernen al diseño del absorbedor volumétrico, y, por tanto, los atributos termo-fluido-dinámicos que se analizan en detalle son la transferencia de calor convectiva y la caída de presión. A nivel experimental, obtener la influencia de estos atributos sobre el absorbedor volumétrico es muy complejo, y eso se debe a las condiciones de alta radiación sobrellevadas en los ensayos.
Para las mallas metálicas descritas y sus dos disposiciones, ambos atributos termo-fluido-dinámicos se han estudiado mediante simulaciones detalladas o a microescala en 3D. Estas simulaciones 3D se han basado en una sección representativa del absorbedor volumétrico dando lugar a correlaciones generalizadas de la transferencia de calor convectiva y de la caída de presión tan válidas como las correlaciones individuales obtenidas y comparadas con la literatura. Además, se ha demostrado y validado experimentalmente una nueva metodología numérica para predecir la pérdida de carga en mallas metálicas.
La segunda hipótesis de esta tesis se centra en la influencia de los parámetros geométricos sobre un absorbedor volumétrico de mallas metálicas teniendo en cuenta la radiación, haciendo uso de las simulaciones a macroescala o simulaciones del medio poroso que permiten predecir de forma precisa el comportamiento de un absorbedor volumétrico en condiciones reales. Estas simulaciones del medio poroso se han realizado gracias al desarrollo de un modelo poroso en una geometría 2D, utilizando las correlaciones generalizadas de la transferencia de calor radiativa y de la pérdida de carga obtenidas para las mallas metálicas estudiadas y sus dos disposiciones, junto con la transferencia de calor radiativa definida mediante la aproximación de Rosseland. Este modelo poroso 2D se diseñó para futuras optimizaciones, representando una herramienta clave para mejorar el diseño y la eficiencia de los absorbedores de malla metálica. Los resultados de esta segunda hipótesis demuestran la gran influencia que tienen los parámetros geométricos y disposiciones en los absorbedores de mallas metálicas. También, se demuestra el potencial de las correlaciones generalizadas, ya que permitirían la búsqueda de un absorbedor optimizado.
Por último, la tercera hipótesis de la tesis se focaliza en la influencia de las condiciones de trabajo junto con los parámetros geométricos en los absorbedores volumétricos de malla metálica. Esta hipótesis se ha evaluado con el modelo poroso validado anteriormente, dando lugar a resultados donde se remarca la importancia de buscar un diseño de absorbedor volumétrico de malla metálica que equilibre la eficiencia térmica y el desempeño fluido-dinámico bajo sus condiciones de operación óptimas.
La aportación de esta tesis queda marcada por la obtención de correlaciones generalizadas que demuestran la influencia de los parámetros geométricos en la transferencia de calor convectiva y en la caída de presión; el desarrollo de una nueva metodología numérica para predecir la caída de presión validada experimentalmente; y, el desarrollo de un modelo poroso que representa una herramienta capaz de predecir el comportamiento de un absorbedor volumétrico de mallas metálicas en condiciones reales y preparada para optimizaciones. Con este modelo poroso se demostró la influencia de las condiciones de operación y de los parámetros geométricos en la eficiencia térmica y desempeño fluido-dinámico. Y, por último, por el establecimiento de una estructura a seguir para evaluar numéricamente absorbedores volumétricos bajo cualquier condición de trabajo.
