Análisis del flujo bifásico en el tubo absorbedor de un colector solar de concentración Fresnel trabajando en generación directa de vapor y aplicación en un sistema de 37 kW

Abstract

[ES] Recientemente se ha extendido el uso de colectores solares de concentración lineales para producir calor para procesos industriales con el fin de descarbonizar el sector industrial, dado que actualmente para cubrir la alta demanda de calor por parte de este sector se emplean fundamentalmente sistemas basados en el uso de combustibles fósiles. En este contexto, generar vapor directamente dentro del tubo absorbedor, en lugar de calentar aceite o agua y utilizar un intercambiador intermedio, simplifica la configuración del sistema y mejora su eficiencia, evitando la pérdida de eficiencia ligada al uso de intercambiadores de calor intermedios para producir vapor. Sin embargo, la generación directa de vapor implica trabajar en condiciones de flujo bifásico dentro del tubo absorbedor y las inestabilidades correspondientes. En este trabajo fin de máster se ha realizado un análisis del flujo bifásico en el interior del tubo absorbedor para diferentes condiciones utilizando un modelo numérico, estudiando el efecto de diferentes caudales másicos y tasas de transferencia de calor, así como la inestabilidad de Ledinneg en la caída de presión y patrón de flujo, analizando cómo influyen estos efectos en la operación del sistema. Se realiza la aplicación del análisis en una instalación experimental ubicada en la Universitat Politècnica de València de 37 kW de potencia térmica pico, así como una propuesta de sistema para una industria de 100 kW.

[CA] Recentment s'ha estés l'ús de col·lectors solars de concentració lineals per a produir calor per a processos industrials amb la finalitat de descarbonitzar el sector industrial, atés que actualment per a cobrir l'alta demanda de calor per part d'aquest sector s'empren fonamentalment sistemes basats en l'ús de combustibles fòssils. En aquest context, generar vapor directament dins del tub absorbidor, en lloc de calfar oli o aigua i utilitzar un intercanviador intermedi, simplifica la configuració del sistema i millora la seua eficiència, evitant la pèrdua d'eficiència lligada a l'ús de intercanviadors de calor intermedis per a produir vapor. No obstant això, la generació directa de vapor implica treballar en condicions de flux bifàsic dins del tub absorbidor i les inestabilitats corresponents. En aquest treball fi de màster s'ha realitzat una anàlisi del flux bifàsic a l'interior del tub absorbidor per a diferents condicions utilitzant un model numèric, estudiant l'efecte de diferents cabals màssics i taxes de transferència de calor, així com la inestabilitat de Ledinneg en la caiguda de pressió i patró de flux, analitzant com influeixen aquests efectes en l'operació del sistema. Es realitza l'aplicació de l'anàlisi en una instal·lació experimental situada a la Universitat Politècnica de València de 37 kW de potència tèrmica pic, així com una proposta de sistema per a una indústria de 100 kW.

[EN] Recently, the use of linear solar concentrators has been extended to generate heat for industrial processes in order to decarbonize the industrial sector. Currently, the high heat demand in this sector is primarily met through systems that rely on fossil fuels. In this context, generating steam directly within the absorber tube simplifies the system configuration and improves its efficiency, avoiding the efficiency losses associated with the use of intermediate heat exchangers to produce steam by heating oil or water. However, the direct generation of steam involves working under two-phase flow conditions within the absorber tube and the corresponding instabilities. In this master's thesis, an analysis of the two-phase flow inside the absorber tube has been conducted for different conditions using a numerical model. The study investigates the effect of different mass flow rates and heat transfer rates, as well as the Ledinneg instability in pressure drop and flow pattern. The analysis examines how these effects influence the system's operation. The analysis is applied to an experimental installation located at the Universitat Politècnica de València with a peak thermal power of 37 kW, along with a proposed system for a 100 kW industrial application.