TRANSFERENCIA DE CALOR A ALTA TEMPERATURA UTILIZANDO SALES FUNDIDAS

Last updated on octubre 31st, 2022 at 07:06 pm

Introducción

Compuestas por sales de fluoruro, cloruro y nitrato, las sales fundidas han cobrado impulso debido a sus ventajas y aplicaciones. Son el medio preferido para la aplicación de la transferencia de calor, específicamente en las altas temperaturas y el recocido (un proceso único de transferencia de calor que reduce la dureza y aumenta la ductilidad de los metales) y el calentamiento de procesos de grado industrial junto con el aprovechamiento del almacenamiento térmico en las plantas de energía solar. 

Los ingenieros deciden entre las sales fundidas, los fluidos de transferencia de calor a base de agua (HTF) o los fluidos de transferencia de calor a base de aceite, basándose en diferenciadores cruciales, para garantizar que cuentan con el equipo de transferencia de calor adecuado. Los indicadores incluyen los parámetros de diseño, la temperatura primaria del proceso, la eficiencia de la transferencia de calor y los gastos de funcionamiento (OpEx). Otros factores que influyen son el punto de inflamación, la presión de vapor, los factores de seguridad de la inflamabilidad, la toxicidad y los gastos de capital (CAPEX) necesarios para la instalación.

HTF de base acuosa frente a HTF de aceite y sal fundida

El HTF de base acuosa se utiliza para la mayoría de las aplicaciones de baja temperatura y los parámetros menos complicados. Debido a su mayor conductividad térmica y su moderada viscosidad. Sin embargo, esto tiene una desventaja. El rango de aplicación de la temperatura requiere una alta presión para mantener la fase líquida, normalmente entre 0 °C y 100 °C. Cuando la temperatura se eleva por encima de los 100 °C y reduce la presión del vapor, se producen costosas tuberías y recipientes a presión de alta presión. 

Por el contrario, los aceites térmicos ofrecen un mejor rendimiento a altas temperaturas que los HTF con base acuosa, debido a su capacidad para mantener la fase líquida durante temperaturas de hasta 300 °C sin necesidad de tuberías de alta presión.

Los fluidos térmicos con base de aceite se utilizan habitualmente como medio de calentamiento para aplicaciones de recocido a baja temperatura. Sin embargo, su aplicabilidad se reduce exponencialmente a temperaturas superiores a 300 °C. Debido a la descomposición a alta temperatura, las tendencias a la producción de humo generan vapores tóxicos, inflamabilidad y un estado reactivo causado por la baja estabilidad. Lo que los hace difíciles de manejar a baja capacidad térmica. 

Para contrarrestar las desventajas de utilizar el HTF de base de aceite a temperaturas más altas, las sales iónicas han surgido como una fuente viable de almacenamiento térmico y de fluido de transferencia de calor. Tienen bajos puntos de fusión, baja volatilidad, una amplia gama de temperaturas de funcionamiento y una baja presión de vapor que no requiere tuberías de alta presión. 

Debido a una menor tendencia de producción de humo, se reduce la toxicidad y la no inflamabilidad. Sin embargo, una desventaja de las sales iónicas fundidas es que tienen un rango de funcionamiento limitado, pero una alta densidad de almacenamiento térmico como medio de almacenamiento de energía térmica. 

• El rango típico de funcionamiento de cada una de las sales fundidas es de 260 °C a 550 °C. 
• Por debajo de 220 °C, existe el riesgo de congelación de la sal iónica en las tuberías del proceso.
• A temperaturas superiores a 600 °C, aumenta el riesgo de descomposición de la sal, lo que provoca la corrosión de las tuberías de proceso y los recipientes a presión. 

Sales iónicas de bajo punto de fusión (LMP)

Para ampliar el rango de funcionamiento de las sales iónicas, las sales de bajo punto de fusión se mezclan con el líquido restante para un amplio rango de temperaturas que va de 250 °C a 100 °C.

Un ejemplo típico de esta aplicación es una mezcla de 60 % de NaNO3 (nitrato de sodio) y 40 % de KNO3 (nitrato de potasio). Estos sistemas de mezcla, conocidos como sistema eutéctico, son mezclas homogéneas. Así se produce una superred que se funde o solidifica a una temperatura mucho más baja que el punto de fusión de la sal individual. 

En el caso de la mezcla de nitrato de sodio y nitrato de potasio, el nitrato de sodio tiene un punto de fusión de 307 °C, y este último tiene un punto de fusión de 333 °C, pero después de formarse en una mezcla eutéctica.  El punto de fusión de la mezcla pasa a ser de 222 °C, lo que aumenta la aplicabilidad de las sales para aplicaciones de alta temperatura. 

Otra mezcla estándar de sal fundida LMP es la mezcla ternaria de nitrato de litio, nitrato de sodio y nitrato de potasio, que reduce aún más el punto de fusión de la mezcla eutéctica a 130 °C. Sin embargo, el sistema eutéctico ternario tiene una temperatura máxima de funcionamiento de 500 °C, lo que puede limitar la utilización para aplicaciones de alta temperatura porque por encima de esta temperatura la sal de litio empieza a descomponerse. Se trata también de un sistema eutéctico caro debido al elevado precio del litio, un elemento muy codiciado por los fabricantes de baterías. 

Sales fundidas en una aplicación de microrredes

Las microrredes son sistemas energéticos inteligentes, independientes y autosuficientes que suministran energía a una instalación localizada como un hospital, una urbanización, un centro de negocios o un campus universitario. 

Normalmente, una microrred se compone de una o más fuentes de energía diversas, como la eólica o la solar, unidas a gasóleo o gas natural de reserva. Suele haber un mecanismo de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio o las baterías de flujo de hierro, que puede almacenar el exceso de energía de la fuente de energía primaria durante el periodo de máxima producción. 

Para las microrredes alimentadas por energía solar a través de plantas, las sales fundidas han surgido como HTF preferido debido a su capacidad para manejar altas temperaturas. Un hecho común de concentración por medio de las plantas de energía solar. Esto elimina la necesidad de tuberías de proceso de alta presión y costosos intercambiadores de calor, que serían necesarios si el HTF fuera acuoso o un fluido de base de aceite.

El único riesgo que conlleva esta aplicación es que las temperaturas pueden bajar por la noche, lo que aumenta el riesgo de que el sistema eutéctico o la mezcla binaria de sales iónicas se congele en las tuberías del proceso. En estos casos, los sistemas de calefacción de gas natural de reserva pueden mantener la mezcla por encima del punto de fusión. El proyecto Torresol Gemasolar es uno de los ejemplos pioneros de planta solar de concentración que utiliza el HTF de sales fundidas.

Consideraciones de diseño al utilizar sales fundidas como HTF

Debido a los sellos mecánicos y las empaquetaduras, muchos sistemas de bombeo no son compatibles con el bombeo de sales fundidas. El aumento del riesgo de corrosión en el sistema debido a las crecientes temperaturas de funcionamiento se da en el caso de las plantas de energía solar por concentración.

Las sales a base de nitrato suelen ser estables, pero son oxidantes. Así, en presencia del fuego o de una llama abierta, liberan oxígeno. Debido a que provocan y alimentan el fuego, se aconseja mantenerlos alejados de las fuentes de ignición. En las centrales de concentración solar, la sal iónica puede calentarse directamente en el tubo receptor de concentración, al recibir la energía a través de espejos parabólicos.

Esta es una disposición preferida, donde la temperatura de funcionamiento aumenta a más de 600 °C. Una combinación de fluido sintético de alta temperatura con la sal fundida debe ser utilizado cuando el fluido sintético HT se caliente principalmente en el tubo receptor parabólico y luego transfiera el calor a los tanques de almacenamiento de sal fundida.