Modelización y desarrollo experimental de un sistema de generación termoeléctrica basado en efecto Seebeck. Aplicación a gases de escape en calderas de combustión
Fecha
2018Autor
Versión
Acceso abierto / Sarbide irekia
Tipo
Tesis doctoral / Doktoretza tesia
Impacto
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nodoi-noplumx
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Resumen
La situación energética actual y todos los problemas medioambientales,
políticos y económicos asociados a ella, hacen cada vez más necesaria una
optimización de los sistemas de generación eléctrica y una incorporación de
medidas de ahorro energético a los procesos, que contribuyen en gran parte
a una reducción de la demanda de energía y a un mayor aprovechamiento de
los recursos. En este sen ...
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La situación energética actual y todos los problemas medioambientales,
políticos y económicos asociados a ella, hacen cada vez más necesaria una
optimización de los sistemas de generación eléctrica y una incorporación de
medidas de ahorro energético a los procesos, que contribuyen en gran parte
a una reducción de la demanda de energía y a un mayor aprovechamiento de
los recursos. En este sentido, son muchos los investigadores que han puesto
el foco en la recuperación del llamado calor residual, una energía de desecho
obtenida como subproducto no aprovechado de distintos procesos.
Esta tesis doctoral estudia el aprovechamiento de energía residual a través
de generadores termoeléctricos basados en el efecto Seebeck. Estos sistemas
son capaces de producir energía eléctrica a partir de una fuente de calor y
una de las formas de optimización es mediante el diseño adecuado de los
intercambiadores de calor incluidos. Los intercambiadores tratan de acercar
la temperatura de las caras de los módulos a la de los respectivos focos y
tienen un efecto directo en la producción eléctrica.
Se propone la utilización de un intercambiador de calor pasivo con sistema
termosifón y cambio de fase como disipador de la parte fría de los sistemas
termoeléctricos. Para llevar a cabo su optimización, se ha desarrollado un modelo computacional de simulación que predice el comportamiento de estos
sistemas y permite evaluar la influencia de las características geométricas que
lo definen. Este modelo es capaz de simular estos sistemas con desviaciones
menores del ± 9%.
Tras este desarrollo, se ha utilizado la herramienta computacional para
el diseño de un termosifón bifásico que pueda ser acoplado en la parte fría
de un prototipo de generador termoeléctrico instalado en el conducto de los
gases de salida de una caldera de combustión. Los resultados experimentales
han revelado que se puede llegar a generar 240W=m2 utilizando este sistema
pasivo, lo que supone una mejora de casi un 83% frente a la utilización de un
disipador de aletas convencional con un ventilador en las mismas condiciones
de funcionamiento.
Se ha realizado, también, un estudio de la implantación de generadores
termoeléctricos en un proceso industrial real. Para ello, se ha desarrollado,
previamente, un modelo computacional que tenga en cuenta, no solo el funcionamiento
de los módulos termoeléctricos, sino que también considere el
enfriamiento que sufre la corriente de gases al circular por el conducto del
generador e integre los termosifones bifásicos como sistema de disipación del
lado frío. Una vez realizada la optimización de estos sistemas, se ha demostrado
la posibilidad de generar un total de 363MWh en un año de funcionamiento.
También se ha elaborado un análisis que pretende probar la viabilidad
económica de esta inversión alcanzándose un coste de instalación de 10€/W.
Los resultados derivados de esta tesis demuestran que la termoelectricidad
puede jugar un papel importante en el objetivo global de generación de electricidad
de forma sostenible, que permita combatir con los efectos del cambio
climático, debido a su capacidad de aprovechamiento energía residual. [--]
The current energy situation and the environmental, political and economic
issues associated to it, lead to a necessity of an optimisation in the
power generation technologies and to an implementation of energy saving
measures that could reduce the energy demand and could increase the exploitation
of resources. With this in mind, there are many investigations focused
on waste-heat recovery, ...
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The current energy situation and the environmental, political and economic
issues associated to it, lead to a necessity of an optimisation in the
power generation technologies and to an implementation of energy saving
measures that could reduce the energy demand and could increase the exploitation
of resources. With this in mind, there are many investigations focused
on waste-heat recovery, byproduct energy obtained from a wide range
of processes.
This doctoral thesis tackles this by using thermoelectric generators, based
on the Seebeck effect, that can harvest waste-heat and transform it into electric
power. These devices can be enhanced by an optimisation of the heat
exchangers used at both sides of the thermoelectric modules, which have a
direct impact on the power generated.
A passive heat exchanger based on thermosyphon effect and phase change
is proposed as the heat sink for the cold part of a thermoelectric generator.
A computational model has been developed to predict the behaviour and to
optimise these kinds of systems. The model predicts the thermal resistance of
the heat exchanger with a relative error below ±9%. After this development, a new biphasic thermosyphon has been designed
and built to be installed at the cold side of a thermoelectric generator placed at
the exhaust flue in a combustion chamber. By using this kind of passive dissipater,
the experimental results show a maximum electric power generation of
240W=m2 of duct area occupied, achieving an increase of almost a 83% from
the power produced by a thermoelectric generator that uses a conventional
finned heat sink with a fan under the same working conditions.
Moreover, a computational study about the implementation of thermoelectric
generators to recover waste-heat from an industrial process in a real manufacturing
plant has been carried out. A simulation tool has been developed
considering not only the performance of the thermoelectric modules, but also
the temperature drop of the flue gasses that occurs all along the duct where
the generators are located, including biphasic thermosyphons at the cold side
of the system as well. After an optimisation of the elements, the results show
an electric energy generation potential of about 363MWh in one year. An
economic analysis has also been made, reaching an installation cost of these
generators of 10€/W.
The results obtained from this thesis prove the vital role that thermoelectric
generation can play fighting against climate change, by harnessing waste
heat to produce electricity in a more sustainable way and helping to increase
the efficiency of the processes. [--]
Materias
Efecto Seebeck,
Calderas de combustión,
Generadores termoeléctricos
Departamento
Universidad Pública de Navarra. Departamento de Ingeniería /
Nafarroako Unibertsitate Publikoa. Ingeniaritza Saila
Programa de doctorado
Localización
Entidades Financiadoras
Ministerio de Economía y Competitividad, proyecto de investigación DPI2014-53158-R, titulado "Sistemas de Generación Eléctrica a partir de calor residual: aplicación al aprovechamiento de los humos en chimeneas domésticas e industriales (SIGER)" y enmarcado dentro del Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad, Plan Estatal de I+D+I 2013-2016.