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Desarrollo de un reactor solar rotativo para procesos químicos a alta temperatura

Autora: Lucía Arribas-Investigadora predoctoral de la unidad de procesos a alta temperatura

Los procesos que tienen lugar a altas temperaturas requieren un elevado consumo de energía. Mediante el uso de energía solar concentrada se incrementa la eficiencia de estos procesos, disminuyendo considerablemente el consumo energético.

Se trata de procesos de producción de combustibles o productos químicos. Los combustibles obtenidos utilizando energía solar en el proceso se conocen como combustibles solares. Otros posibles procesos investigados con energía solar térmica de alta temperatura o de concentración serían los encaminados a mejorar su gestionabilidad, como el almacenamiento termoquímico de energía.

Para llevar a cabo estos procesos es necesario el uso de un sistema adecuado de concentración de la energía solar, y un dispositivo que sea capaz de soportar las altas temperaturas, minimizando las pérdidas de calor y favoreciendo la transferencia de masa y calor entre los reactivos.

El objetivo de este trabajo es el diseño y caracterización de un reactor empleado en IMDEA Energía en múltiples aplicaciones como, por ejemplo, reacciones químicas (química solar), procesos termoquímicos o estudios sobre resistencia mecánica a alta temperatura de diferentes materiales.

Las principales características del diseño del reactor se definen de acuerdo a los objetivos que se pretenden alcanzar. Para lograr una temperatura homogénea y alta transferencia de masa y calor en la muestra, se selecciona una cavidad rotativa formada por un tubo de alúmina. Para minimizar las pérdidas de calor se utiliza aislamiento cerámico. Se pretende trabajar con atmósfera controlada en el interior del reactor para lo que es necesario garantizar la estanqueidad mediante una carcasa cerrada de acero inoxidable y una ventana de cuarzo (alta transmitancia) que permite que la muestra sea directamente irradiada asegurando la estanqueidad. Se colocan 4 entradas de gases, una en cada cara del reactor para mantener limpia la ventana. En distintas posiciones radiales y longitudinales se ubican 28 termopares para medir la temperatura a lo largo del volumen del reactor. Además, se ha diseñado una ventana lateral para medir la temperatura mediante un pirómetro.

Figura 1. Vista frontal del reactor solar rotativo

Se realizan simulaciones de trazado se rayos (análisis óptico), mediante el software comercial TracePro, para determinar la posición óptima del reactor en frente del simulador solar a fin de maximizar la temperatura de la muestra (Fig. 2).

Figura 2. Flujo de radiación incidente en la cavidad del reactor (máximo en la zona de reacción)

Mediante simulaciones termo-fluido dinámicas (CFD) con el software COMSOL Multiphysics, se obtiene la distribución de temperaturas en el interior del reactor (Fig. 3). Alcanzándose cerca de 1600 K en la zona de reacción y 300 K en la carcasa exterior, lo que muestra el buen comportamiento del aislamiento.

Figura 3. Distribución de temperaturas en el interior del reactor solar rotativo

Los resultados ópticos y termo-fluido dinámicos se compararán con los ensayos experimentales que se llevarán a cabo en uno de los simuladores solares de altos flujos (7kWe) del Instituto IMDEA Energía.

Referencias:

  1. Abanades, S., P. Charvin, and G. Flamant. "Design and simulation of a solar chemical reactor for the thermal reduction of metal oxides: Case study of zinc oxide dissociation." Chemical Engineering Science 62 (2007): 6323-6333.
  2. Alonso, E., and M. Romero. "Review of experimental investigation on directly irradiated particles solar reactors." Renewable and Sustainable Energy Reviews 41 (2015): 53-67.
  3. Alonso, E., C. Pérez-Rábago, J Licurgo, E. Fuentealba, and C.A Estrada. "First experimental studies of solar redox reactions of copper oxides for thermochemical energy storage." Solar Energy 115 (2015): 297-305.
  4. Meier, A., E. Bonaldi, G. Cella, W. Lipinski, and D. Wuillemin. "Design and experimental investigation of a horizontal rotary reactor for the solar thermal production of lime." Energy 29 (2004): 811-821.
  5. Neises, M., S. Tescari, L. de Oliveira, M. Roeb, C. Sattler, and B. Wong. "Solar-heated rotary kiln for thermochemical energy storage." Solar Energy 86 (2012): 3040-3048.
Event Date: 
Monday, April 20, 2015