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Plantas Termosolares: Análisis a Fatiga de Intercambiadores

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intercambiadores de calor analisis a fatiga - heat exchangers fatigue analysis

España se ha posicionado como líder mundial en innovación y tecnología en la construcción de plantas de energía termosolar, participando en la mayoría de los proyectos termosolares (CSP – Concentrated Solar Power) que se han desarrollado y siguen desarrollándose actualmente en todo el mundo

CADE ha participado activamente en numerosos proyectos termosolares, a través de empresas líderes en el sector: ofreciendo tanto sus capacidades como su experiencia en los diferentes campos del diseño térmico y de procesos, diseño mecánico, análisis termo-estructural y fluido-dinámico; principalmente en el diseño y evaluación de equipos críticos, así como en la mejora y optimización de plantas operativas y estructuras CSP. Entre los trabajos realizados por CADE en intercambiadores de calor (para trenes de generación de vapor o trenes de sales) destacan por su relevancia los llevados a cabo en plantas con almacenamiento térmico basado en sales fundidas.

El conocimiento profundo de los procesos de puesta en marcha y operación en plantas termosolares, junto con potentes herramientas de análisis y simulación, permite a CADE analizar tanto el funcionamiento como el comportamiento de intercambiadores de calor y equipos críticos, durante las diferentes etapas de operación, ciclos de arranque y paradas. Como resultado de este tipo de análisis, se pueden predecir y / o prevenir fallos operativos, lo que en gran medida se traduce en ahorro de costes para operadores y propietarios.

Análisis a Fatiga: factores y parámetros

El análisis que mide el efecto de cargas cíclicas térmicas y mecánicas (análisis de fatiga) es una fase clave en el diseño y validación de intercambiadores de calor, tal y como indican los diferentes códigos de diseño internacionalmente establecidos para equipos a presión (ASME, EN 13445, etc.).

Los daños por fatiga provocados por las cargas cíclicas en una zona concreta de un equipo dependen tanto de las características del equipo (material, acabado superficial, geometría, etc.), como de la tipología de las cargas. En lo que respecta a estas últimas, cabe destacar dos factores que determinan directamente la vida útil por fatiga: el número de ciclos o eventos cíclicos de carga y la amplitud de las tensiones originadas por dichas cargas. La determinación del daño y de la vida útil, a partir de estos dos parámetros, se hace a través de las curvas de fatiga definidas en el código de referencia.

Ciclos de Temperatura en Intercambiadores de Calor

Desde el punto de vista de la frecuencia del ciclo y del salto térmico asociado, podemos identificar dos tipos de ciclos de Temperatura en estos intercambiadores de calor, dependiendo de su duración: ciclos de período largo y ciclos de período corto. 

Ciclos de Periodo Largo

Los ciclos de periodo largo están asociados al funcionamiento normal del equipo durante el ciclo solar diario, paradas de mantenimiento, reducciones de radiación solar durante un tiempo considerable, ciclos de operación especiales definidos por diseño, etc. Los ciclos nominales de arranque y operación (considerados en el diseño del equipo) estarían por tanto incluidos en esta categoría. Pueden llevar asociados choques térmicos durante un arranque del equipo, o tras un periodo de tiempo sin radiación solar, por la entrada repentina de los fluidos caloportadores a una temperatura considerablemente distinta a la del equipo.

Los ciclos de media o larga duración se caracterizan por incrementos o bajadas importantes de temperatura en el equipo, que generan a su vez variaciones significativas en las tensiones estructurales. El número de repeticiones de este tipo de ciclos es reducido (menos de 1 o 2 ciclos por día) y su efecto se estudia durante la fase de diseño de un equipo.

Ciclos de Periodo Corto

Los ciclos de periodo corto, o “ciclos cortos” son los provocados por pequeñas fluctuaciones en la radiación solar en el campo, debido a la presencia de nubes y otras condiciones meteorológicas. También pueden ser debidos, en ciertos casos, a situaciones anormales de funcionamiento de los equipos o las instalaciones. Estos ciclos cortos se desarrollan de manera simultánea a los ciclos de periodo largo, dentro del mismo evento.

Este tipo de ciclos se caracteriza por una gran cantidad de fluctuaciones térmicas con una amplitud que suele ser reducida, por lo que su efecto no suele tenerse en cuenta durante la fase de diseño de intercambiadores. Sin embargo, cabe recalcar que las tensiones que estas fluctuaciones generan en el equipo no sólo dependen de la amplitud de la oscilación térmica (ΔT), sino también de la velocidad con la que varía la temperatura (ΔT / tiempo). Las subidas o descensos térmicos más rápidos o repentinos en los fluidos caloportadores conducen a gradientes térmicos más importantes en ciertas partes del intercambiador que ocasionan mayores expansiones diferenciales entre áreas adyacentes y, por lo tanto, tensiones locales alternas que pueden llegar a ser relevantes.

DAÑO POR CICLOS DE LARGO PLAZO

DAÑO POR CICLOS DE CORTO PLAZO

DAÑO DE FATIGA TOTAL

El daño por fatiga total en los distintos componentes de un intercambiador estará determinado por la suma del daño generado por ciclos largos más el generado por ciclos cortos. Por lo tanto, la presencia de estos ciclos cortos o de alta frecuencia puede dar lugar a una reducción en la vida útil y deberían tenerse en cuenta en función de la severidad de los ciclos y en aquellos equipos en los que el margen de seguridad de diseño por fatiga es más ajustado o crítico.

Más información:

Para alguna pregunta  o más información sobre plantas termosolares y / o análisis a fatiga de intercambiadores de calor, complete el siguiente formulario

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