ES2307349A1

ES2307349A1 - Colector de pared delgada para uso en paneles de absorcion solar de sal fundida.

Info

Publication number: ES2307349A1
Application number: ES200450013A
Authority: ES
Inventors: Marko Myroslaw
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2008-11-16
Also published as: AU2002335704A1; WO2003021159A2; US6736134B2; WO2003021159A3; US20030041857A1

Abstract

Colector de pared delgada para uso en paneles de absorción solar de sal fundida fabricado de una superaleación a base de níquel UNS N06626, para los paneles de absorción solar en un receptor central solar de sal de nitrato fundida, utilizando múltiples boquillas de distribución del flujo para obtener el colector de menor diámetro que tenga una distribución de flujo uniforme para los tubos del panel, al tiempo que se proporciona espacio suficiente para soldar a tope los tubos a las boquillas con una cabeza de soldar orbital automática. El colector de UNS N06626 de pequeño diámetro de pared delgada, con su bajo coeficiente de dilatación térmica y sus pequeños gradientes y diferenciales de temperatura durante las variaciones transitorias inducidas por el techo de nubes en la temperatura de la sal fundida, produce bajas deformaciones térmicas en la región de boquilla de tubo a colector.

Description

Colector de pared delgada para uso en paneles de absorción solar de sal fundida.

Campo técnico

Este invento se refiere al diseño, la construcción y el material de colectores, y más en particular al diseño, la construcción y el material de un colector usado para acoplar los tubos de absorción solar de un panel de absorción solar en un receptor central solar de sal de nitrato fundida.

Antecedentes del invento

En los paneles receptores solares de sal de nitrato fundida anteriormente empleados se han usado boquillas o tubos que están soldados en esquina o en encastre directamente a una pared del colector. Con este tipo de construcción se somete a la soldadura a deformaciones térmicas muy grandes, inaceptables, que se sitúan próximas al borde de la abertura en el colector. Los intentos hechos para evitar la colocación de la soldadura próxima a la región de deformación térmica más grande, han implicado el uso de una boquilla mecanizada que se suelda por inserción en la pared del colector para situar la soldadura alejada de la región de deformación térmica más grande. Además, las boquillas para los tubos que están situadas en las regiones de bajo flujo del colector requerían manguitos térmicos u otras soluciones para protección transitoria térmica para disminuir las severas deformaciones térmicas en la unión de la boquilla para tubo a la pared del colector. Estas deformaciones térmicas son originadas por los rápidos cambios de temperatura en el fluido de sal fundida que fluye a través del colector, debidos al paso de las nubes sobre un campo de heliostatos de una instalación de energía solar. El proporcionar esa protección térmica se ha traducido en significativos aumentos del coste y de la complejidad de la fabricación y de la inspección de los conjuntos de colector usados con los paneles receptores solares de sal de nitrato fundida. Sin esa protección térmica adicional, los conjuntos de colector usados en los paneles receptores solares de sal de nitrato fundida experimentarán vidas operativas de inaceptablemente corta duración.

También se han aconsejado soluciones anteriores al diseño de los colectores basadas en el uso de ya sea acero inoxidable 316 ó 304, o ya sea Incoloy 800 para el colector del panel de absorción solar. Aunque estos materiales tienen una buena resistencia a la corrosión por la sal de nitrato fundida, gasta aproximadamente 600°C, su alto coeficiente de dilatación térmica, su relativamente baja resistencia mecánica y su moderada resistencia a la fatiga por deformación térmica dan por resultado la necesidad de proporcionar protección térmica en la importante región de boquilla a colector, para hacer frente a los numerosos y severos ciclos transitorios térmicos experimentados por el conjunto de colector durante el movimiento del techo de nubes sobre un campo de heliostatos.

Es por lo tanto un objeto principal del presente invento el de proporcionar un conjunto de colector adecuado para uso en un panel de recepción solar de sal de nitrato fundida que trate incluso más efectivamente las deformaciones térmicas experimentadas en el área de la unión de colector a boquilla sin el uso de complicados y costosos dispositivos de protección térmica.

Otro objeto del presente invento es proporcionar un conjunto de colector para uso en un panel de recepción solar de sal de nitrato fundida que incluya un colector de pequeño diámetro de pared delgada cuyas boquillas se adapten mejor térmicamente a los delgados tubos receptores unidos al colector en esas boquillas, y donde el colector tenga un bajo coeficiente de dilatación térmica que produzca menores deformaciones térmicas en la región de boquilla para tubo a colector que las que se producen en los conjuntos de colector anteriormente desarrollados.

Es todavía otro objeto del presente invento proporcionar un conjunto de colector que sea de un material de construcción fácil de soldar, conformable, y aprobado según el "Boiler and Pressure Vessel Code" (ASME Code) "Código de Calderas y Vasos de Presión" (Código ASME) (ASME = American Society of Mechanical Engineers).

Sumario del invento

Los anteriores y otros objetos se consiguen mediante un conjunto de colector de pared delgada, de pequeño diámetro. El conjunto de colector incorpora boquillas extruidas o mecanizadas soldadas por inserción, construidas de una super aleación a base de níquel para la distribución y la recogida de flujo de fluido a y desde los tubos de absorción solar de un panel de absorción solar de sal de nitrato fundida en un receptor central solar. En una forma preferida, el conjunto de colector comprende un cuerpo de colector y una pluralidad de boquillas fabricadas de UNS NO6626. Una pluralidad de tubos de flujo están acoplados a las boquillas y en comunicación de flujo con el cuerpo de colector.

El uso del UNS NO6626 como material para el cuerpo de colector y para las boquillas, permite construir un colector de pared muy delgada que se adapta térmicamente a los delgados tubos receptores y que tiene un bajo coeficiente de dilatación térmica. Esta construcción proporciona por consiguiente deformaciones térmicas muy pequeñas en la región de boquilla a colector del conjunto de colector. La combinación de diseño y de material usada en la construcción del conjunto de colector del presente invento da por resultado un conjunto de colector fiable, de bajo coste, que tiene una excelente resistencia tanto al agrietamiento inducido por fatiga térmica como al agrietamiento por corrosión por tensión por los cloruros, sin necesidad de utilizar costosos y complicados dispositivos de protección térmica para las boquillas de flujo.

Breve descripción de los dibujos

Las diversas ventajas del presente invento se pondrán de manifiesto, para quien sea experto en la técnica, tras la lectura de la Memoria descriptiva que sigue y de las reivindicaciones que se acompañan, y con referencia a los siguientes dibujos, en los cuales:

La Figura 1 es una vista lateral simplificada en sección transversal de un panel de absorción solar aislado que incorpora un conjunto de colector de acuerdo con una realización preferida del presente invento;

La Figura 2 es una vista en planta del conjunto de colector ilustrado en la Figura 1;

La Figura 3 es una vista lateral del conjunto de colector de la Figura 2 en la que se han ilustrado las boquillas para los tubos del cuerpo de colector;

La Figura 4 es una vista lateral del conjunto de colector de la Figura 3 de acuerdo con la flecha de dirección 4 de la Figura 3;

La Figura 5 es una vista por un extremo del cuerpo de colector en sección transversal dada por la línea de corte 5-5 de la Figura 3;

La Figura 6 es una vista lateral, fragmentaria del cuerpo de colector de la Figura 1 en sección transversal, con una boquilla para tubo extruida directamente de la pared del cuerpo de colector, de acuerdo con una primera construcción preferida de las boquillas; y

La Figura 7 es una vista lateral, fragmentaria, en sección transversal, de una boquilla para tubo mecanizada soldada por inserción a la pared del cuerpo de colector de la Figura 2, de acuerdo con una segunda construcción preferida de la boquilla.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

En la Figura 1 se ha ilustrado una vista lateral de un conjunto de colector 100 de acuerdo con una realización preferida del presente invento, dispuesto dentro de un panel de absorción solar 102. El panel de absorción solar 102 está constituido por una disposición ordenada de tubos de flujo de absorción solar paralelos 104, asegurados a boquillas para tubos 106 de un cuerpo de colector 108. El conjunto de colector 100 está constituido por un cuerpo de colector 108 y tapas extremas 109 que se han representado en las Figuras 2, 3 y 4. Preferiblemente, los tubos de flujo 104 están soldados a tope a las boquillas para tubos 106. El fluido de transferencia de calor de sal fundida entra o sale del panel de absorción solar 102 a través de boquillas de entrada/salida 110 en el cuerpo de colector 108. La sal fundida absorbe la energía calorífica de la radiación solar 112 reflejada sobre los tubos por un campo de heliostatos que los rodea (no representado), Los conjuntos de colector 100 se usan para distribuir o recoger la sal calentada a o desde los tubos de flujo 104. Un uso potencial para este invento, junto con una descripción detallada de la super aleación a base de níquel UNS NO6626 (INCONEL Aleación 625 LCF) están contenidos en la Patente de EE.UU. N° 5.862.800, cuya exposición queda aquí incorporada por su referencia. El panel de absorción solar está completamente aislado térmicamente 103 excepto en las regiones en donde la radiación solar 112 incide sobre los tubos 104.

Con referencia a las Figuras 2-5, se han ilustrado en ellas partes del conjunto de colector 100. En las Figuras 2-4 se han ilustrado las tapas extremas planas 109 que van soldadas al cuerpo de colector 108. El cuerpo de colector 108 está preferiblemente constituido por una super aleación a base de níquel, tal como la UNS NO6626. Este material es sumamente resistente al agrietamiento por fatiga termomecánica y al agrietamiento por corrosión por tensión por cloruro. También tiene una alta resistencia a la tracción admisible, un bajo coeficiente de dilatación térmica, una aceptable conductividad térmica, una alta resistencia a la deformación plástica, y bajas tasas de corrosión cuando se expone a sal de nitrato sódico-potásico fundida a temperaturas superiores a los 600°C. Las boquillas 110 de entrada/salida son preferiblemente extruidas directamente del material del cuerpo de colector 108. Las boquillas 110 para tubos pueden ser también extruidas directamente del material de la pared del cuerpo de colector 108, ó bien pueden ser formadas independientemente como boquillas mecanizadas que a continuación se sueldan por inserción al cuerpo de colector 108 en aberturas formadas en el cuerpo de colector. El grosor de la pared del material usado para formar el cuerpo de colector 108, indicado por las flechas 114 en la Figura 4, se selecciona proporcionando una deformación térmica dentro de la fatiga admisible del material de la paree del colector, en este caso el UNS NO6626, para la magnitud impuesta y el número de ciclos transitorios originados por el paso del techo de nubes sobre el campo de heliostatos de la instalación donde se emplee el cuerpo de colector 100. El relativamente pequeño diámetro del cuerpo de colector 108, como se ha indicado mediante la flecha 116 en la Figura 4, se fija para proporcionar el delgado grosor de la pared (es decir, el grosor definido por las flechas 114), lo cual incluye el refuerzo inherente de la abertura para la boquilla para la presión de fluido impuesta a la tensión admisible para el UNS NO6626. Los excelentes atributos de propiedades físicas y mecánicas del UNS NO6626, combinados con la aceptación del Código ASME, es un factor principal que proporciona al cuerpo de colector 100 del presente invento la capacidad para hacer frente a las severas deformaciones térmicas experimentadas en las regiones 140 de bajo flujo del colector durante el paso del techo de nubes sobre el campo de heliostatos, donde se emplee el cuerpo de colector 100.

\newpage

Una función clave del cuerpo de colector 100 es la de proporcionar una distribución uniforme del flujo a los tubos de flujo 104 (Figura 1) con una mínima pérdida de presión. Se han de considerar varios factores para proporcionar una distribución uniforme del flujo con una mínima pérdida de presión. Inicialmente, el área de flujo de la boquilla 110 de entrada/salida deberá ser al menos igual al área de flujo del número de tubos 104 que alimentan a la boquilla 110. En la realización ilustrada en las Figuras 2-5, únicamente a modo de ejemplo, ello requeriría que el área de flujo de cada boquilla 110 de entrada/salida fuese igual al área de flujo de la sección transversal total de nueve de los tubos de flujo 104. Además, el área de flujo de la sección transversal establecida por el diámetro interior 146 del cuerpo de colector 108 en la Figura 4 deberá ser establecida en al menos tres veces el área de flujo de la mitad del número de boquillas 106 para tubos que estén alimentando al cuerpo de colector en cada boquilla 110 de entrada/salida. En la realización que sirve de ejemplo de las Figuras 2-5, ello requeriría que el área de flujo de la sección transversal del cuerpo de colector 108 fuese al menos tres veces el área de flujo total de 4,5 tubos de flujo 104. El diámetro exterior de la boquilla 110 de entrada/salida deberá ser menor que el diámetro exterior del cuerpo de colector 108, para evitar solapamiento del área de refuerzo de la abertura para la boquilla entre la boquilla 110 de entrada/salida y las boquillas 106 para tubos y para hacer que resulte más práctica la fabricación por extrusión de las boquillas 110 y 106. En la realización que sirve de ejemplo de las Figuras 2-5, se vio que era aceptable un tamaño de tubería nominal (NPS) más pequeño, es decir, un diámetro 111 de NPS de 20,32 cm para la boquilla 110 de entrada/salida, para un diámetro 116 de un NPS de 25,40 cm para el cuerpo de colector 108. El número de boquillas 110 de entrada/salida necesarias para conseguir el diámetro del cuerpo de colector requerido para una distribución uniforme del flujo, una buena capacidad de construcción y un mínimo grosor de la pared 114, se obtiene usando los antes descritos parámetros dimensionales.

La fiabilidad del panel de absorción solar 102 se mejora por soldadura a tope de los tubos de flujo 104 a sus respectivas boquillas 106 con una cabeza de soldar a tope orbital automática. Para proporcionar espacio suficiente para acceso a todos los tubos de flujo 104, la dimensión representada por la flecha 118 en la Figura 4 deberá ser al menos de aproximadamente 7,62 cm. Con esto se establece el número de tubos de flujo 104 en un patrón que depende de su diámetro exterior 105. En los dibujos de las Figuras 3-5, éste comprende un patrón de tres boquillas 106 para tubos de flujo, teniendo cada boquilla 106 para tubo de flujo un diámetro 130 de aproximadamente 3,81 cm. Las boquillas 106 de los tubos de flujo están espaciadas a una distancia entre sí 142, como se ha ilustrado en la Figura 4, para proporcionar holgura lateral para la dilatación térmica, al tiempo que se reduce al mínimo la pérdida o desperdicio de la radiación solar 112 entre los tubos 104. Esta distancia 142 se establece añadiendo un margen para la dilatación del tubo a la máxima temperatura de funcionamiento, más un margen de inseguridad de 150°C, al diámetro 105 del tubo. Si el diámetro 105 del tubo requerido por el panel es lo suficientemente grande como para conseguir acceso para la soldadura con solamente dos tubos 104 en un patrón, entonces se establece el espacio 118 solamente según el espacio requerido para la cabeza de soldar, y puede ser tan pequeño como la distancia 142. La región de refuerzo requerida según el código ASME no debe solaparse para asegurar que se obtenga un grosor mínimo de la pared del colector. El espaciamiento circunferencial del tubo de flujo de la boquilla 106, indicado por las flechas 120 en la Figura 5, se establece proporcionando para ello holgura suficiente para una cabeza de soldar orbital, y suponiendo que el refuerzo requerido según el Código ASME, no solapa.

La boquilla 110 de entrada/salida se forma por un proceso de extrusión, y su refuerzo de área requerido no solapa al tubo de flujo de la boquilla 106.

Con referencia a la Figura 6, como se ha mencionado anteriormente, cada boquilla 106a puede ser extruida directamente de una pared 108a del cuerpo de colector 108. Una de tales boquillas extruidas 106a se ha ilustrado en la Figura 6. Una boquilla extruida elimina la necesidad de soldaduras en las regiones 122, donde se experimenta el máximo grado de deformación térmica durante los períodos de rápido movimiento del techo de nubes sobre el campo de heliostatos de una instalación donde se emplee el invento.

Para la boquilla extruida 106a de la Figura 6, el proceso de extrusión incorpora, preferiblemente, un recocido intermedio para eliminar el desgarramiento durante la extrusión. La altura, representada por la flecha 127, de la boquilla 106a, deberá ser la máxima susceptible de extrusión para el grosor 114 de la pared del cuerpo de colector 108a y el diámetro 130 de la boquilla para permitir la colocación de la cabeza de soldar para asegurar una soldadura sólida a tope del tubo a la boquilla. El grosor de la boquilla (representado por las flechas 123) deberá ser igual al grosor de la pared del tubo de flujo 104.

Con referencia a la Figura 7, se ha ilustrado en ella una boquilla alternativa preferida 106b. La boquilla 106b es una parte componente independiente, mecanizada, que tiene una pestaña 106c. La pestaña 106c está diseñada para ser soldada a tope por inserción dentro de una abertura 108b formada en el cuerpo de colector 108. La pestaña 106c sitúa a la unión soldada 124 alejada de la región de alta deformación térmica 122 en el área de la interfaz de boquilla a colector.

Con base en los resultados del análisis y de la fabricación, el radio 131 de la boquilla para tubo, para cada boquilla 106a ó 106b, deberá quedar establecido entre 1,0 y 2,0 (preferiblemente 1,5) veces el grosor de la pared del colector (representado por la flecha 114) en las Figuras 4, 6 y 7. El grosor de la boquilla, representado por las flechas 123, deberá ser igual al grosor de la pared del tubo de flujo 104.

La altura 160 de la boquilla 106 para el tubo, ilustrada en la Figura 7, deberá ser aproximadamente el doble de la que pueda obtenerse para la altura 127 de la boquilla extruida 106a para facilitar la soldadura a tope del tubo a la boquilla. Esto se consigue fácilmente para la pieza mecanizada 106b.

El conjunto de colector 100 del presente invento proporciona por consiguiente un cuerpo de colector 108 con una pared delgada, que se adapta mejor térmicamente a los tubos de flujo 104 de pared delgada, para producir pequeños gradientes y diferenciales de temperatura del metal durante las variaciones transitorias inducidas por el techo de nubes en la temperatura de la sal fundida. El conjunto de colector 100, debido en gran parte al uso del UNS NO6626 en su construcción, experimenta deformaciones térmicas significativamente más bajas en la región 122 de boquilla de tubo a colector, en las posiciones 140 de bajo flujo del colector, que en los conjuntos de colector anteriormente desarrollados, debido a ser la pared más delgada y al menor coeficiente de dilatación térmica. Con esto se prolonga significativamente la vida del conjunto de colector 100 del presente invento sobre los conjuntos de colector anteriormente desarrollados que no tenían dispositivos de protección térmica. Además se elimina la necesidad de proporcionar esos costosos y complicados dispositivos de protección térmica para uso con las boquillas 106 para tubos de flujo en las posiciones 140 de bajo flujo del colector.

Quienes sean expertos en la técnica pueden ahora apreciar, de la anterior descripción, que los amplios principios del presente invento pueden ser puestos en práctica de una diversidad de formas. Por lo tanto, aunque se ha descrito el invento en relación con ejemplos particulares del mismo, el verdadero alcance del invento no deberá considerarse limitado a ellos, dado que para el práctico experto se harán evidentes otras modificaciones, tras el estudio de los dibujos, de la Memoria descriptiva, y de las reivindicaciones que siguen.

Claims

```
\global\parskip0.930000\baselineskip
```
1. Un colector de pared delgada, de pequeño diámetro, para la distribución y la recogida de flujo de fluido a y desde tubos calentados por la radiación solar, comprendiendo dicho colector:

un cuerpo de colector que comprende una super aleación a base de níquel; y

una pluralidad de boquillas para tubos que se extienden desde dicho cuerpo de colector y en comunicación de flujo con dicho cuerpo de colector.
2. El colector según la reivindicación 1, en el que dichas boquillas para tubos comprenden boquillas mecanizadas 5 soldadas por inserción dentro de aberturas formadas en dicho cuerpo de colector.
3. El colector según la reivindicación 1, en el que dichas boquillas para tubos comprenden boquillas extruidas de una pared de dicho cuerpo de colector.
4. El colector según la reivindicación 1, en el que dicha super aleación a base de níquel comprende la aleación UNS NO6626.
5. El colector según la reivindicación 1, comprendiendo dicho colector:

tubos de flujo de un panel de absorción solar de sal de nitrato fundida en un receptor central solar,

una pluralidad de boquillas para tubos que se extienden desde, y están aseguradas a, aberturas en dicho cuerpo de colector; y

en el que un radio (131) de cada una de dichas boquillas para tubos es entre aproximadamente 1,0 - 2,0 veces mayor que el grosor de la pared de dicho cuerpo de colector.
6. El colector según la reivindicación 5, en el que dicho radio (131) de dicha boquilla para tubo es aproximadamente 1,5 veces mayor que dicho grosor de la pared de dicho cuerpo de colector.
7. El colector según la reivindicación 5, en el que dicho cuerpo de colector está constituido por aleación UNS NO6626.
8. El colector según la reivindicación 5, en el que dichas boquillas comprenden boquillas para tubos mecanizados, soldados por inserción dentro de dichas aberturas en dicho cuerpo de colector.
9. El colector de acuerdo a la reivindicación 5, comprendiendo dicho colector:

tubos de flujo paralelos dentro de un panel de absorción solar de sal de nitrato fundida del receptor central solar,

una pluralidad de boquillas para tubos que se extienden desde, y en comunicación de flujo con, aberturas en dicho cuerpo de colector; y

en que un radio de cada uno de dichas boquillas para tubos es entre aproximadamente 1,0 - 2,0 veces mayor que el grosor de la pared de dicho cuerpo de colector.
10. El colector según la reivindicación 9, en el que dichas boquillas para tubos son extruidas de una parte de pared de dicho cuerpo de colector.
11. El colector según la reivindicación 19, en el que dicho cuerpo de colector está constituido por aleación de UNS NO6626.
12. El colector según la reivindicación 9, en el que dicho radio de dicha boquilla para tubo es aproximadamente 1,5 veces mayor que dicho grosor de la pared de dicho cuerpo de colector.
13. El colector según la reivindicación 1 o 5, que comprende:

una pluralidad de boquillas de entrada/salida y para tubos del panel,

un cuerpo de colector de pared delgada que tiene un grosor establecido proporcionando para ello una deformación térmica dentro de la fatiga admisible en el UNS NO6626 para una magnitud y un número de ciclos transitorios impuestos;

estando establecido dicho diámetro del cuerpo de colector de pequeño diámetro para proporcionar dicha pared delgada, incluyendo un refuerzo inherente para la abertura para la boquilla, para una presión de fluido impuesta para una tensión admisible del material UNS NO6626;
```
\global\parskip1.000000\baselineskip
```
en que dicha boquilla de entrada/salida es de un número suficiente para que dicho cuerpo de colector de pequeño diámetro abarque al menos tres veces un área de flujo interno de la mitad de las boquillas para tubos del panel que alimentan a dicha boquilla de entrada/salida;

en que un área de flujo de boquilla de entrada/salida es al menos igual a un área de flujo interna de las boquillas para tubos del panel que alimentan a dicha boquilla:

en que dichas boquillas de entrada/salida están formadas por extrusión; y

en que dicho diámetro de la boquilla de entrada/salida es al menos un diámetro del tamaño de tubería nominal menor que dicho diámetro de dicho colector.
14. El colector según la reivindicación 13, en el que dichas boquillas para tubos del panel son mecanizadas y soldadas por inserción dentro de dicho colector.