2. Sistema de Generación de Vapor
2.4. Fluidos de transferencia de calor Propiedades
En la actualidad, los fluidos de transferencia de calor más utilizados en plantas de energía termosolar de concentración son aceites con base de hidrocarburos, como la mezcla eutéctica bifenilo-difenil éter, el aceite térmico elegido como objeto de estudio. La ventaja principal de este tipo de fluido procede del amplio rango de temperaturas de trabajo en estado líquido, desde temperatura ambiente hasta aproximadamente 400ºC en sistemas presurizados. Por consiguiente, no existe necesidad de aportes adicionales de energía para mantener el aceite en estado líquido, siempre que el sistema se mantenga por encima del punto de congelación, que en el caso de la mezcla bifenilo-difenil éter es de 12ºC. Sin embargo, ha sido comprobado que estos fluidos sufren degradación térmica a partir de los 400ºC, restringiendo la capacidad de estos sistemas para alcanzar mayores eficiencias en el ciclo Rankine. Si bien muchas centrales eléctricas CSP cilindroparabolicas como Andasol continúan usando aceite térmico como fluido de transferencia a día de hoy, nuevos fluidos han sido desarrollados y están en aplicación a fin de evitar las limitaciones del uso de aceite.
En 1995, un proyecto piloto de centrales solares de torre conocido como Solar Two, precursor de Gemasolar, implementó el uso de la sal eutéctica NaNO3–KNO3, la cual operaba a
temperaturas cercanas a los 565ºC, como fluido de transferencia de calor. Más de 1.500 toneladas de mezcla de sales de nitrato con una composición del 60% de nitrato sódico y 40% de nitrato potásico fueron usadas en dicho proyecto. Esta sal binaria es estable hasta temperaturas del orden de 600ºC, pero también tiene un elevado punto de fusión a 222 ºC que supone potenciales riesgos económicos y estructurales. Para evitar la congelación del fluido en el interior de las tuberías fue requerido instalar sistemas de calentamiento adicionales para compensar las pérdidas de calor y mantener una temperatura mínima, resultando en costes de instalación y operación adicionales comparados con los sistemas basados en aceites térmicos.
A pesar de ello, las propiedades termofísicas de las mezclas de sales de nitratos alcalinos son muy superiores a las de los aceites, aportando beneficios que se anteponen a los inconvenientes descritos. Por encima de 500ºC, las propiedades son similares para las diferentes clases de mezclas de sales de nitratos: conductividad térmica cerca de 0,45 W/m·K, viscosidad similar a la del agua a temperatura ambiente, capacidad calorífica cerca de 1,54 J/g·K, y presiones de vapor despreciables cerca del límite superior de temperatura. Estas características permiten reducir la superficie de reflectores de la planta y aumentar la eficiencia del ciclo Rankine por encima del 40%, en contraste con las eficiencias máximas del 37% para los sistemas cilindroparabólicos con aceite térmico.
La ventaja principal del uso de sales fundidas es que éstas también pueden ser utilizadas como medio de almacenamiento térmico permitiendo operación nocturna e ininterrumpida en horas de baja incidencia solar.
Los aceites térmicos no son aptos para las centrales solares de torre, pues en ellas el receptor es un único punto focal en el cual se alcanzan temperaturas demasiado elevadas que no son soportadas por dichos fluidos, estando su aplicación limitada a las centrales cilindroparabolicas y Fresnel, donde el receptor es un tubo muy largo. En la actualidad existen varias configuraciones posibles, entre otras: centrales cilindroparabolicas con aceite como fluido de transferencia de calor con o sin sistema de almacenamiento térmico, centrales cilindroparabolicas con sales fundidas como fluido de transferencia y medio de almacenamiento simultáneamente y, de forma análoga, centrales de torre central que utilizan sales como medio de transferencia y de almacenamiento.
Para el desarrollo de los intercambiadores de calor se considerarán dos casos en los que se utilizan diferentes fluidos de transferencia: central de torre para el estudio con sales fundidas y central cilindroparabolica para el estudio con aceite térmico. Cabe destacar que el tipo de campo solar, reflectores, receptores y sistemas de almacenamiento térmico no afectan al
37 diseño de los intercambiadores más allá de definir el estado y las propiedades del fluido de transferencia a la entrada y a la salida del sistema de generación de vapor.
2.4.1. Mezcla de sales fundidas
Las mezclas de sales fundidas se utilizan para mejorar la eficacia energética y reducir los costes de producción de electricidad. Su tratamiento y uso como fluido de transferencia de calor es conocido desde hace décadas en la industria química por su aplicación en una variedad de procesos químicos. El aumento de la temperatura de operación de las plantas termosolares de concentración es el factor clave para lograr la competitividad frente a otras tecnologías de energía gestionable. Las mezclas de sales de nitratos y nitritos de metales alcalinos suponen claras ventajas que las hacen ser el medio preferido para las plantas CSP en la actualidad: un coste relativamente bajo, alta disponibilidad, baja capacidad corrosiva, alta estabilidad térmica en el rango de temperaturas elevadas requerido por el ciclo de vapor Rankine, y buena eficiencia como medio de almacenamiento, además de las propiedades termofísicas comentadas: alta capacidad calorífica, baja viscosidad y baja presión de vapor, siendo muy apto como fluido de transferencia de calor. También, y a diferencia del aceite, las sales fundidas son respetuosas con el medio ambiente, no toxicas, no inflamables, estables, y no causan degradación del receptor.
El principal reto del uso de sal fundida es su elevado punto de congelación, el cual provoca complicaciones relacionadas con la protección contra la congelación en el campo solar. El aceite sintético utilizado actualmente se congela a aproximadamente 15 ºC, mientras que las sales fundidas binarias 222 ºC, empezando a cristalizar a 238°C. Esto exige métodos innovadores de protección contra congelación y mayores requisitos de operación y mantenimiento. Este problema afecta más a los campos solares cilindroparabolicos que a los de heliostatos y torre cuando las sales son el fluido de transferencia, al encontrarse confinadas en largos conductos, con mayor necesidad de protección anticongelación.
El fluido elegido es la mezcla binaria de sales constituida por un 60% de NaNO3 y un 40% de
KNO3. Esta composición se encuentra cerca del punto eutéctico y es térmicamente estable
hasta 600 ºC. El rango de temperaturas de operación es desde aproximadamente 290 ºC hasta 565 ºC, a la entrada y salida del receptor respectivamente, encontrándose en estado líquido en todo momento. Esta sal es comercializada bajo el nombre “Hitec Solar Salt” por Coastal Chemical Co., entre otras. La composición exacta y sus propiedades se muestran a continuación:
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Tabla 5: Composición de la "Sal Solar"
Componente Mínimo, % Máximo, %
NaNO3 59 61 KNO3 39 41 NaCI 0.30 Na2SO4 0.30 CaO 0.03 MgO 0.03 SiO2 0.02 AI2O 0.025 Fe2O3 0.025 Insolubles 0.06 Na2CO3 0.15
Correlaciones y propiedades en estado líquido en función de la temperatura:
Tabla 6: Correlaciones para el cálculo de propiedades de la mezcla de sales fundidas
Correlaciones
Densidad, ρ (kg/m³) 2090 - 0.636 × T (°C)
Calor específico, Cp (J/kg·ºC) 1443 + 0.172 × T (°C)
Viscosidad absoluta, µ (mPa·s) 22.714 − 0.120 × T(°C) + 2.281 × 101.474 × 10−7 × T³(°C) −4 × T²(°C) −
Conductividad térmica, k (W/m·ºC) 0.443 + 1.9 × 10−4 × T (°C)
Tabla 7: Propiedades de la mezcla de sales fundidas en función de la temperatura
Propiedades T (ºC) Densidad (kg/m³) Calor específico (kJ/kg·ºC) Viscosidad absoluta (mPa·s) Conductividad térmica (W/m·ºC) 260 1924.64 1.488 4.343 0.492 288 1906.97 1.492 3.558 0.498 316 1889.31 1.497 2.929 0.503 343 1871.64 1.502 2.436 0.508 371 1853.97 1.507 2.062 0.514 399 1836.31 1.512 1.786 0.519 427 1818.64 1.516 1.589 0.524 454 1800.97 1.521 1.454 0.529 482 1783.31 1.526 1.361 0.535 510 1765.64 1.531 1.290 0.540 538 1747.97 1.535 1.223 0.545 566 1730.31 1.540 1.142 0.550 593 1712.64 1545 1.026 0.556
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2.4.2. Aceite térmico
La generación actual de centrales comerciales cilindroparabolicas utiliza una mezcla de compuestos orgánicos, bifenilo y difenil éter, como fluido de transferencia de calor. Este aceite sintético ofrece actualmente la mejor combinación de punto de congelación bajo (12 ºC) y límite superior de temperatura (400 ºC) entre los fluidos de transferencia de calor disponibles. Sin embargo, las características de este fluido suponen algunos perjuicios económicos. En primer lugar, la temperatura máxima permisible del fluido limita las temperaturas de vapor a aproximadamente 370 ºC, limitando por tanto la eficiencia del ciclo Rankine. En segundo lugar y como ya se ha explicado anteriormente, las plantas termosolares de concentración a menudo pueden mejorar la producción de energía mediante la adición de un sistema de almacenamiento térmico, pero generalmente se considera que un sistema de almacenamiento térmico directo que utiliza aceite orgánico como medio de almacenamiento es demasiado costoso, por lo que en la gran mayoría de las plantas cilindroparabólicas se usan sales fundidas en tanques como medio de almacenamiento térmico o como fluido de transferencia y medio de almacenamiento simultáneamente.
El aceite sintético elegido es la mezcla eutéctica de dos compuestos orgánicos muy estables, el bifenilo (C12H10) y el difenil éter (C12H10O), los cuales tienen prácticamente la misma presión
de vapor, por lo que la mezcla puede ser tratada como un único compuesto. Con un rango de aplicación normal de 15 ºC hasta 400 ºC, este fluido es el preferido para una gran variedad de aplicaciones de transferencia indirecta de calor pues posee una estabilidad térmica excepcional, no se descompone fácilmente a altas temperaturas, y puede ser usado eficazmente en sistemas que requieran fase líquida (15 ºC a 400 ºC) o fase vapor (260 ºC a 400 ºC), siendo un fluido muy versátil. La baja viscosidad en todo su rango de operación tiene como resultado una transferencia de calor muy eficiente, minimizando los problemas en el arranque y en el bombeo. El fluido no es corrosivo en los metales y aleaciones de uso común. Además es biodegradable y no persistente en el medio ambiente, y no hay evidencia de que se formen productos nocivos como resultado de la biodegradación.
Este aceite es comercializado por diferentes compañías y con distintos nombres, principalmente “Dowtherm A” por Dow Chemical Company, “Therminol VP1” por Eastman Chemical Company (Solutia/Monsanto) y “Diphyl” por Lanxess (Bayer), siendo en esencia el mismo fluido.
En este caso, el rango de temperaturas de operación del fluido va desde aproximadamente 293 ºC hasta 393 ºC, y se encuentra en estado líquido en todo momento. A continuación se muestra su composición y propiedades:
Tabla 8: Composición del aceite térmico
Componente Concentración promedio, %
Difenil éter, C12H10O 73.5
40 Correlaciones y propiedades en estado líquido en función de la temperatura:
Tabla 9: Correlaciones para el cálculo de propiedades del aceite térmico
Correlaciones Densidad, ρ (kg/m³) -0.90797 × T(°C) + 0.00078116 × T²(°C) - 2.367 × 10-6 × T³(°C) + 1083.25 Calor específico, Cp (kJ/kg·ºC) 0.002414 × 10-8× T³(°C) + 4.4172 × T(°C) + 5.9591 × 10× 10-11-6 ×× T T²(°C) - 2.9879 4(°C) + 1.498 Viscosidad cinemática, (mm²/s) Con 𝜈 = µ 𝜌⁄ 𝑒( 544.149 𝑇(º𝐶)+114.43−2.59578) Conductividad térmica, k (W/m·ºC) -8.19477 × 10 -5 × T(ºC) – 1.92257 × 10-7 × T²(ºC) + 2.5034 × 10-11 × T³(ºC) – 7.2974 × 10-15 × T4(ºC) + 0.137743
Tabla 10: Propiedades del aceite térmico en función de la temperatura
Propiedades T (ºC) Densidad (kg/m³) Calor específico (kJ/kg·ºC) Viscosidad absoluta (mPa·s) Conductividad térmica (W/m·ºC) 290 828 2.287 0.232 0.0983 293 824 2.291 0.229 0.0978 300 817 2.314 0.221 0.0964 310 806 2.341 0.211 0.0945 320 796 2.369 0.202 0.0925 330 784 2.397 0.193 0.0905 340 773 2.425 0.185 0.0885 350 761 2.454 0.177 0.0864 360 749 2.485 0.170 0.0843 370 736 2.517 0.164 0.0822 380 723 2.551 0.158 0.0800 390 709 2.588 0.152 0.0778 393 704 2.607 0.150 0.0772 400 694 2.628 0.146 0.0756
Se observa que las sales fundidas son un fluido mucho más denso y viscoso que el aceite térmico en el rango de temperaturas de trabajo, y posee una conductividad térmica notablemente superior. Por otro lado, la capacidad calorífica específica del aceite es mayor que la de las sales, siendo necesario un aporte mayor de energía calorífica para aumentar su temperatura que en el caso de las sales.
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