Análisis experimental de flujos de partÌculas con velocimetría de imagen de partÌculas (PIV) en un intercambiador de calor directo aire-arena

Abstract

La hoja de ruta para el Sector Energético Global de la Agencia Internacional de Energía (IEA) llamada “Net Zero by 2050” dice: “El sector energético es la fuente de alrededor de las tres cuartas partes de las emisiones de gases de efecto invernadero en la actualidad y tiene la clave para evitar los peores efectos del cambio climático, quizás el mayor desafío al que se ha enfrentado la humanidad.” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 13). La Unión Europea y 44 países se han comprometido a alcanzar el objetivo de emisiones netas cero, que representan alrededor del 70 % de las emisiones globales de CO2 y del PIB. Asimismo, el informe de la IEA señala “La participaciòn de las energías renovables en la generación total de electricidad a nivel mundial aumenta del 29 % en 2020 a más del 60 % en 2030 y a casi el 90 % en 2050. Para lograr esto, las adiciones de capacidad anual de energía eólica y solar entre 2020 y 2050 deben ser cinco veces mayores que la media de los últimos tres años” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 73). Esto indica, ahora y en los próximos años, la necesidad de aumentar la cuota de los sistemas de energías renovables y aumentar la I+D+i para mejorar la eficiencia, de forma que la producción de energía renovable sea barata en comparación con la energía fósil. Uno de los campos prometedores con respecto a las fuentes renovables es la energía solar concentrada (CSP), que utiliza espejos para concentrar la luz solar en un receptor. La luz concentrada puede transformarse en calor y almacenarse fácilmente para que luego pueda usarse para generar electricidad. Esta energía también podría utilizarse en otras aplicaciones en las que se necesiten altas temperaturas. En este campo, la generación de CSP creció un 34% estimado en 2019, aunque este aumento exponencial es sobresaliente, aún se necesita una tasa de crecimiento promedio anual del 24% hasta el 2030 para estar encaminado con el Escenario de Desarrollo Sostenible (International Energy Agency 2020). Esto significa que en el futuro se utilizarán más centrales termosolares, lo que exigirá el desarrollo de nuevos sistemas, así como la mejora de los existentes. Por todo lo anterior, este trabajo de investigación se centra en la mejora de una de las tecnologías utilizadas en las plantas CSP, que es el Intercambiador de Calor Aire-Arena (ASHE) y en el que ha estado trabajando el Solar-Institut Jülich (SIJ) durante más de una década. El SIJ comenzó a desarrollar adecuadamente la tecnología ASHE en el 2005 con el proyecto “Sandspeicher”, que resultò en la simulación y construcción de un primer prototipo. Debido a los resultados alentadores, se lanzó el proyecto Intercambiador de Calor de Lecho Móvil de Alta Temperatura para Almacenamiento Térmico en Material Granular (HiTexStor), y luego se amplió para desarrollar un intercambiador de calor de 150 kW. Para ello se desarrollaron varios prototipos, culminando en un prototipo final de ASHE cilíndrico de 15 kW. Debido a la configuración confinada de ese prototipo, no es posible realizar mediciones experimentales de los efectos del flujo granular. Por lo tanto, la investigación es sobre el dispositivo de prueba de flujo de material a granel de modelo rectangular 03 (SFVA 03), que ofrece una mirada a la interacción aire-arena.In this research, tests are carried out on an air-sand heat exchanger to evaluate and measure the phenomena of pinning, blistering, and blocking within the exchanger. Here, the PIV method is applied to observe and measure interactions between the air and the sand.