Optimization of a New Design of Molten Salt-to-CO2 Heat Exchanger Using Exergy Destruction Minimization

Abstract

Una de las maneras de hacer competitivo el coste de la electricidad de la energía solar térmica de concentración es incrementar el rendimiento de conversión termoeléctrico. Para lograr este objetivo, el esquema más prometedor es un receptor central con sales fundidas, acoplado a un ciclo de CO2 supercrítico. Un elemento clave para desarrollar este esquema es el intercambiador de calor sales/CO2. Este artículo presenta el diseño de un intercambiador que evita el taponamiento de la sal y las tensiones mecánicas debidas a la alta presión del CO2, mientras que mejora la transferencia de calor en fase supercrítica, debido a su compacidad con una gran superficie de intercambio. Este diseño se basa en una configuración tipo panal de abeja, en la cual una unidad térmica consiste en un canal circular para la sal fundida rodeado por seis conductos trapezoidales para el CO2. Además, se ha desarrollado una optimización basada en la minimización de la exergía destruida, obteniendo las mejores condiciones para el intercambiador: un acercamiento de temperatura de 50 C entre ambas corrientes y una pérdida de presión de 2,7 bar.

One of the ways to make cost-competitive electricity, from concentrated solar thermal energy, is increasing the thermoelectric conversion e ciency. To achieve this objective, the most promising scheme is a molten salt central receiver, coupled to a supercritical carbon dioxide cycle. A key element to be developed in this scheme is the molten salt-to-CO2 heat exchanger. This paper presents a heat exchanger design that avoids the molten salt plugging and the mechanical stress due to the high pressure of the CO2, while improving the heat transfer of the supercritical phase, due to its compactness with a high heat transfer area. This design is based on a honeycomb-like configuration, in which a thermal unit consists of a circular channel for the molten salt surrounded by six smaller trapezoidal ducts for the CO2. Further, an optimization based on the exergy destruction minimization has been accomplished, obtained the best working conditions of this heat exchanger: a temperature approach of 50 C between both streams and a CO2 pressure drop of 2.7 bar.