El conocido anhelo de conseguir un balance de carbono neutro, pasa no solo por aumentar la generación renovable, sino también por desarrollar sistemas de almacenamiento térmico capaces de gestionar esa energía a demanda.

Una vía para acortar los tiempos de desarrollo de los sistemas de almacenamiento termico y conseguir que lleguen antes a mercado pasa por un banco de ensayo térmico o proceso de validación capaz de testear a escala relevante en instalaciones controladas.

Instalaciones para el prototipado y testeo térmico

Asegurar el diseño y la seguridad de un sistema de almacenamiento térmico que trabaja en condiciones dinámicas a altas temperaturas requiere de un proceso previo de validación en condiciones controladas.

Generalmente se realiza en entornos de laboratorio equipados con equipos capaces de alcanzar altas temperaturas y simular las condiciones de funcionamiento mientras el comportamiento del sistema se recoge con mecanismos muy precisos de monitorización continua.

El Grupo de ingeniería de sistemas de CIC energiGUNE dispone de tres instalaciones hidráulicas industriales para dar cobertura a un gran número de aplicaciones térmicas. Se trata de tres lazos hidráulicos diseñados para trabajar con vapor, aceite térmico y aire.

• Lazo de aire: Se trata de una instalación experimental de laboratorio con aire caliente diseñada para el ensayo de materiales y componentes para entornos de alta temperatura, tales como diferentes aceros, sistemas completos de almacenamiento térmico, aislamientos…
• Lazo de aceite: Esta instalación puede funcionar con distintos fluidos térmicos como fluido caloportador, para el testeo de componentes de alta temperatura y sistemas de almacenamiento térmico para procesos industriales y/o energías renovables.
• Lazo de vapor: Este banco de pruebas de vapor permite probar diferentes materiales y componentes para aplicaciones de vapor, en diferentes condiciones de temperatura y presión, para aplicarlas en industrias usuarias de vapor.

Estas instalaciones están completamente monitorizadas en un ambiente controlado que permite exponer los objetos de ensayo a caudales y temperaturas variables a una escala relevante para la industria, obteniendo medidas precisas de su comportamiento en tiempo real y permitiendo de esta manera validar y optimizar el diseño del equipo bajo estudio.

Estas pruebas experimentales evitan el coste derivado del clásico “prueba-error” y se basan en un proceso compuesto por varios sistemas:

1. Sistema de bombeo: cada instalación cuenta con una bomba o soplante eléctrica de velocidad variable capaz de mover los fluidos caloportadores (aire, aceite y vapor) dentro de los rangos de caudal especificados.
2. Sistema de calentamiento: se trata de equipos que generan el calor requerido utilizando resistencias eléctricas. El control de temperatura a la salida del sistema permite una regulación fina de la potencia del sistema, consiguiendo aproximarse fielmente a las temperaturas de ensayo requeridas.
3. Sistema de enfriamiento: están formados por intercambiadores de calor aire/fluido caloportador, que permiten reducir la temperatura del fluido para volverlo a insertar en el circuito en las condiciones requeridas para los ensayos.
4. Sistema de control: los lazos cuentan con procesadores electrónicos que permiten el control automático y en remoto de la instalación, que se realiza en entorno Labview®. De esta manera es posible programar desde diferentes rampas de calentamiento/enfriamiento, ciclos térmicos, hasta cambios de sentido en la dirección del flujo del fluido caloportador.
5. Instrumentación: las instalaciones cuentan con un conjunto de instrumentos digitales adecuadamente calibrados que permiten monitorizar completamente la instalación. Estos dispositivos comprenden medidores de presión, temperatura en diferentes puntos de la instalación y caudal masico de fluido caloportador. Estas medidas, junto con las requeridas para el objeto de ensayo se integran en el sistema de control para una correcta operación de las pruebas.
6. Termografía: la instalación cuenta con un equipo de termografía infrarroja móvil FLIR A6752SC+ de alta calidad que captura el mapa de calor transitorio del objeto de ensayo. Posteriormente por post-procesado permite realizar cualquier análisis termográfico fino sobre cualquier zona del objeto capturado.
7. Objeto de ensayo: se dispone de un espacio de 16 m² para la instalación del equipo a ensayar, hasta una altura de 5 m. Las instalaciones cuentan con un sistema fácil y sencillo para la conexión hidráulica del objeto de ensayo.

Ámbitos de aplicación de los sistemas de testeo térmico

Son numerosas las industrias que se ven beneficiadas por este tipo de testeos sobre el diseño y la seguridad de los sistemas térmicos a altas temperaturas. Algunos de esos ejemplos son la siderurgia, la fundición, la automoción, la química o la cerámica, entre otros.

A continuación, se exponen algunas campañas de ensayos térmicos sobre productos industriales que han permitido obtener información relevante para los procesos de diseño y optimización de los mismos:

Uno de esos casos de estudio es el realizado en las instalaciones de CIC energiGUNE con el lazo de aceite. En este ejemplo, la instalación se utilizó para optimizar y validar el diseño de un prototipo de un sistema de almacenamiento térmico para una central termosolar que utilizaba un aceite térmico con un salto de temperatura entre 180°C y 300°C. Se realizaron ensayos de vida acelerada, determinando, no solo los tiempos de carga y descarga del almacenamiento, sino también su comportamiento y desgaste mecánico. Los resultados obtenidos permitieron reducir el riesgo tecnológico en el diseño de la planta comercial.

En cuanto al lazo de aire, como ejemplo, la instalación permitió comparar el funcionamiento de dos formulaciones de hormigón para almacenamiento de calor, desde 200°C hasta 600°C para aplicaciones industriales. Para ello, dos sistemas de un tamaño próximo a la escala real se sometieron a ciclos térmicos, comparando sus regímenes de carga y descarga. Los resultados permitieron seleccionar la formulación adecuada dentro de un plazo muy reducido.

En otro caso, vinculado al mismo lazo de aire, se utilizó junto con el equipo de termografía,  para detectar fugas en una instalación que suministra aire caliente a 700°C y que evidenciaba caudales muy por debajo de los puntos de diseño, lo que permitió optimizar el funcionamiento de la instalación.

Gracias al lazo de vapor, se pudo validar un nuevo diseño de acumulador de vapor para instalaciones de cogeneración. Para ello, se realizó un testeo completo del sistema con vapor, ante diferentes niveles de presión y caudal, entre 120°C y 300°C. Como resultado se determinó experimentalmente tanto los rangos de operación como las capacidades térmicas del sistema.

Estos ejemplos demuestran que los lazos hidráulicos que ofrece CIC energiGUNE son una vía para obtener resultados experimentales rápidos y fiables sobre productos expuestos a condiciones térmicas extremas. De esta manera, es posible reducir drásticamente los tiempos de diseño de un producto y conseguir adelantar el impacto en la cifra de negocio. Así mismo, la combinación de estas capacidades de ensayo junto con la experiencia de nuestro equipo investigador, aporta a nuestros colaboradores una vía adicional para introducir en sus diseños avances disruptivos, eficientes y de bajo coste.