Thermal stress analysis of solar tubular receivers

Resumo

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 un fluido 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 que evitan su flexión, inducen importantes tensiones en la estructura. Bajo estas condiciones de 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 los receptores solares tubulares, explorando sus causas y encontrando las condiciones que más influyen en las mismas. El objetivo de esta tesis doctoral es proporcionar una visión más detallada del problema de las tensiones térmicas en los receptores solares tubulares, dando recomendaciones y herramientas de análisis para el proceso de diseño de dichos receptores. Concretamente, se han estudiado receptores solares centrales de tipo cilíndrico, ubicados en la parte superior de una torre, y rodeados de espejos. Estos espejos, llamados heliostatos, redirigen la radiación solar hacia el receptor. En primer lugar, se han presentado las condiciones de contorno que afectan a las tensiones térmicas, junto con la descripción del problema estudiado, correspondiente a una planta de energía solar real. Se introduce la metodología numérica utilizada en esta tesis doctoral para calcular las tensiones térmicas, y se verifica con las metodologías analíticas existentes. Las condiciones de contorno térmicas en el tubo se calculan previamente con modelos analíticos existentes, y son introducidas en el modelo numérico. Se ha comparado la tensión existente en tubos con condiciones de contorno mecánicas que impiden su flexión, y en tubos sujetos a la estructura del receptor mediante soportes longitudinales, denominados clips. Además, se ha estudiado la influencia de las variaciones de temperatura (radiales, circunferenciales y longitudinales) en la tensión. También se presenta el estudio de la variación de las tensiones térmicas en un receptor central solar durante su ciclo diario de funcionamiento. Los mencionados estudios ponen de manifiesto la influencia de la variación circunferencial de temperatura, causante de la flexión de los tubos, y como las condiciones de contorno mecánicas impiden dicha flexión, aumentando así la tensión. A continuación, se ha desarrollado un modelo analítico que reduce el coste computacional en comparación con los modelos numéricos, empleando el método matricial de la rigidez. Para las diferentes estrategias de apuntamiento de los helióstatos, este modelo se 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 soportes es reducida, las metodologías analíticas que emplean la hipótesis de deformación plana generalizada 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 cuando los heliostatos apuntan a los bordes del receptor. Para separaciones pequeñas entre los apoyos, apuntar los heliostatos hacia el ecuador del receptor reduce el desplazamiento máximo, a costa de aumentar la tensión térmica. El estudio previo de las estrategias de apuntamiento óptimas puede que homogenicen el flujo de calor a lo largo del tubo reduciría la tensión y los desplazamientos en el receptor. También se ha analizado la posibilidad de colocar los apoyos no uniformemente espaciados a lo largo del tubo, para reducir su deformación. La ubicación de los apoyos debe ser estudiada cuidadosamente para cada estrategia de apuntamiento, siendo en los extremos del tubo donde se suele localizar los desplazamientos máximos, especialmente cuando la distancia entre los apoyos es pequeña. Empleando apoyos no uniformemente espaciados, es posible reducir el desplazamiento máximo en el tubo, evitando de esta manera el posible contacto entre tubos adyacentes. Finalmente, se ha considerado la geometría de estos soportes longitudinales en los modelos. Se ha estudiado su influencia mediante modelos numéricos en las tensiones térmicas 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. La investigación llevada a cabo en esta tesis doctoral pone de manifiesto la importancia de analizar las condiciones de contorno tanto térmicas como mecánicas en los receptores solares, con el propósito de reducir las tensiones térmicas, y de esta forma alargar su vida útil. La aplicación de las consideraciones extraídas de esta tesis se considera de utilidad para el diseño de plantas de energía solar térmica.