Control de caudal en la generación de energía solar: parte 1
Esta es la primera de una serie de dos partes que explora la selección de válvulas en aplicaciones de energía solar. La primera parte girará en torno a cómo las válvulas de control especialmente diseñadas pueden superar los desafíos inherentes a la producción de energía solar.
La energía solar es una alternativa viable a los combustibles fósiles y la energía nuclear. Es segura, respetuosa con el clima y abundante, especialmente en el cinturón solar de la Tierra. Los avances tecnológicos están reduciendo el costo de producción de energía solar y haciendo que la producción masiva sea más factible que nunca.
Para generar energía eléctrica, los sistemas de energía solar concentrada usan espejos que reflejan la radiación del sol en un receiver, que la convierte en calor para generar vapor que pueda impulsar una turbina. En muchos sistemas de energía solar, la luz del sol concentrada calienta un "fluido de transferencia", que puede alcanzar temperaturas de hasta 300 °C (573 °F) para los aceites sintéticos y 600 °C (1112 °F) para las sales fundidas. Este fluido puede producir vapor inmediatamente o almacenar el calor para su uso posterior, lo que permite que las plantas generen energía durante los períodos de máxima necesidad o en los días nublados, cuando los rayos solares no son tan abundantes.
Las plantas de energía solar concentrada son entornos agresivos que crean desafíos para los equipos de gestión de caudal. Estos desafíos incluyen los siguientes:
- Altas temperaturas y cambios drásticos de temperatura
- Vibraciones excesivas debido a las condiciones de operación
- Características extremas del fluido de transferencia térmica
- Condiciones ambientales agresivas
Por ejemplo, los fluidos de aceite sintético son propensos a presentar fugas. Debido a su muy baja viscosidad y lubricidad, el fluido puede dañar los sellos y las superficies de guía a altas temperaturas, lo que podría resultar en daño o falla total de los equipos y conducir a pérdidas de productividad y tiempo de inactividad de la planta.
Los sistemas de gestión de caudal, en particular los componentes de los sistemas de tuberías, deben ser capaces de funcionar de manera confiable en estos entornos agresivos, y ser resistentes al choque térmico, la corrosión y el desgaste.
Válvulas de control especialmente diseñadas para aplicaciones solares
Debido a las condiciones desfavorables en las que operan, las válvulas de control tienen un impacto considerable en la seguridad y la disponibilidad de las plantas de energía solar. Estos son algunos puntos que deben tenerse en cuenta al evaluar los componentes de los sistemas de tuberías.
Para los fluidos de transferencia de aceite sintético, se recomienda un sello de fuelle con un prensaestopas de seguridad para sellar el vástago de la válvula. Debido a las propiedades deficientes de lubricación del fluido, el conjunto de componentes internos de la válvula debe ser lo suficientemente resistente al desgaste en general y al desgaste por roce en particular.
En las aplicaciones de sales fundidas, las válvulas son mayormente válvulas de control de globo o en ángulo con conexiones de extremos soldadas a tope y bonetes extendidos. Dichas conexiones se sueldan en línea para limitar posibles fugas. En el caso de las válvulas críticas, recomendamos válvulas de globo con diseño de entrada superior para facilitar el mantenimiento. Las válvulas de control para sales fundidas suelen requerir diseños específicos porque el fluido es oxidante, corrosivo y, a menudo, abrasivo.
Para presiones diferenciales bajas, también podrían utilizarse válvulas de mariposa especialmente diseñadas (p. ej., de triple excentricidad, extremos con soldadura a tope, bonete extendido, materiales adecuados).
En general, las válvulas de cierre son operadas manualmente o están equipadas con un actuador rotativo eléctrico. En las aplicaciones de sales fundidas, también puede utilizarse un sello de fuelle sin cubierta. Las válvulas de cierre deben realizar una gran cantidad de carreras y corren el riesgo de rotura. Las vibraciones u oscilaciones excesivas también pueden reducir la vida útil de una válvula. Los desafíos que enfrentan las cintas calefactoras del bonete son mayores, ya que la posible cristalización del fluido dentro del fuelle podría provocar un fallo.
Para las aplicaciones de sales fundidas, se prefieren las válvulas de control con obturador con diseño de guía de vástago doble de alta resistencia, retén del asiento y anillo del asiento sujetado mediante abrazaderas debido al espacio muerto relativamente reducido, el asiento fácilmente reemplazable y la disponibilidad de componentes internos hechos a medida.
Se necesita un bonete extendido para mantener la temperatura de la empaquetadura dentro de los valores aceptables, con el fin de evitar la exposición inadmisible del actuador a las altas temperaturas y permitir la instalación de la cinta calefactora.
En el caso de condiciones de operación no críticas, con una presión diferencial de hasta 10 bares, se utilizan obturadores parabólicos. Sin embargo, para condiciones de operación más extremas, como en el caso de las válvulas de cañerías de flujo descendente o las válvulas de control de sobrepresión, son adecuados los componentes internos de válvulas multietapa. No se recomienda el uso de componentes internos balanceados debido al riesgo que implica la presencia de formaciones de cristales de sal. Tampoco se recomienda que el anillo del asiento sea atornillado con sellado de metal con metal (sin un elemento de sellado) debido al riesgo de fugas de la rosca en caso de un posible ataque de corrosión.
El diseño de guía de vástago doble con jaula, cuerpo de válvula en ángulo y asiento modificado permitirá que el sistema de tuberías drene en caso de apagado. Para drenar el sistema de tuberías, se requiere una válvula de control en ángulo con desbordamiento. Esta válvula tiene un asiento contorneado diseñado para permitir el desbordamiento y ofrecer mejor control con cargas bajas. La fuga del asiento permanecerá en un nivel bajo durante un período de funcionamiento prolongado porque el área de sellado está separada de la vena contracta y, por consiguiente, no está expuesta a una velocidad de caudal alta. Los componentes internos multietapa evitarán condiciones de operación críticas a presiones diferenciales altas.
En la segunda parte de la serie, analizaremos los materiales usados en la fabricación de válvulas para aplicaciones de energía solar.
