¿Qué fluidos de transferencia de calor se utilizan en los sistemas solares térmicos Demax?

Opciones principales de fluidos de transferencia de calor para sistemas solares térmicos Demax

Agua: ideal para instalaciones Demax a baja temperatura y bajo presión

Para aplicaciones solares térmicas que operan por debajo de 100 grados Celsius, el agua sigue siendo una de las opciones más económicas y eficientes disponibles como fluido caloportador. Las propiedades ventajosas del agua se deben a su relativamente alta capacidad calorífica específica (aproximadamente 4,18 kJ por kg·K), mientras que requiere poca potencia de bombeo. Al enfriar con un sistema presurizado Demax, el agua es ideal porque no puede hervir, y es segura y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, el agua se congela a 0 grados Celsius, por lo que estos sistemas solo funcionan en regiones libres de heladas. Cuando existe riesgo de congelación debido a las condiciones invernales, los técnicos deben drenar completamente el agua para evitar daños. Los datos de rendimiento obtenidos en viviendas continentales del Mediterráneo muestran que, en 2023, la Federación Europea de la Industria Solar Térmica (ESTIF) demostró que las instalaciones basadas en agua alcanzaron una eficiencia estacional del orden del 60 %.

Soluciones centradas en la seguridad y la protección contra la congelación

Cuando se trata de protección contra la congelación, las mezclas de propilenglicol y agua muestran un gran potencial. Siguen funcionando hasta temperaturas de menos 30 grados Celsius y son menos peligrosas que otras opciones disponibles que utilizan etilenglicol y pueden resultar peligrosas en caso de fugas. Estas mezclas también evitan la corrosión cuando los sistemas se construyen siguiendo las directrices adecuadas, empleando acero inoxidable y ciertos plásticos específicos. Por otro lado, las mezclas de propilenglicol/agua pueden ser un 30 % a un 50 % más viscosas que el agua a 20 grados Celsius, por lo que las bombas deben trabajar mucho más. Sin embargo, dado que soportan muy bien las bajas temperaturas, constituyen el fluido de transferencia de calor preferido en la mayoría de las ubicaciones de Norteamérica y Europa del Norte. Recientemente, los fabricantes también han logrado mejoras al añadir a los fluidos sustancias químicas específicas y patentadas que reducen la velocidad de degradación del fluido. Cuando estos fluidos se ensayan en sistemas cerrados Demax según las normas industriales establecidas, se estima que su vida útil es de 5 a 7 años.

Fluidos de silicona térmicamente estables y aire: Usos especializados en aplicaciones solares térmicas sin presión y a temperaturas elevadas

Los fluidos de transferencia de calor a base de silicona son los únicos fluidos que permanecen operativos durante largos períodos de tiempo en sistemas solares térmicos concentrados de circuito abierto sin presurizar que funcionan a temperaturas elevadas entre 200 y 400 °C. Los fluidos de silicona también poseen la capacidad de transferencia de calor necesaria para su uso en el rango de altas temperaturas de los sistemas solares térmicos concentrados. Sin embargo, los fluidos de transferencia de calor no se utilizan en sistemas donde el aire es el fluido de trabajo. El aire, en combinación con sistemas de circuito abierto, proporciona fiabilidad operativa y facilidad de mantenimiento en sistemas solares térmicos sin presurizar. La combinación de estos fluidos especializados, incluso si están optimizados, representa menos del 15 % del total mundial de instalaciones solares térmicas.

Ese número proviene del análisis de mercado más reciente de la iniciativa SolarPACES 2024 de la Agencia Internacional de la Energía.

Criterios clave de selección para los fluidos de transferencia de calor térmico solar

Estabilidad térmica y resistencia a la degradación

Con los fluidos de transferencia de calor (FTC) en aplicaciones solares térmicas, se espera que sean químicamente estables a largo plazo, debiendo permanecer cerca de 200 grados Celsius durante períodos prolongados (incluso años) en algunos casos. Cuando los fluidos son químicamente inestables, ello tiene implicaciones negativas para el sistema en su conjunto, incluida una reducción del rendimiento térmico. En algunos casos documentados, los fluidos han experimentado una reducción del rendimiento térmico del 22 % en un período de cinco años. Esto suele deberse al aumento de la viscosidad causado por la oxidación del fluido y la consiguiente formación de lodos. Dichas condiciones también provocan un aumento de los costes de mantenimiento y una disminución del rendimiento del intercambiador de calor. Aunque los inhibidores de oxidación pueden mitigar algunos de los problemas mencionados anteriormente, es necesario prestar mayor atención a la compatibilidad del fluido con los materiales del sistema a lo largo del tiempo. Los materiales del sistema, como el cobre y el aluminio, e incluso el caucho en algunas juntas de válvulas, pueden experimentar diversos tipos de reacciones químicas con el fluido con el paso del tiempo. En particular, en los sistemas presurizados Demax, se estima que la velocidad de corrosión es aproximadamente un 30 % mayor con fluidos estables comparada con la observada con fluidos inestables.

Este tipo de desgaste no solo acorta la vida útil del equipo, sino que también aumenta sustancialmente los presupuestos de mantenimiento a largo plazo.

Selección de fluidos según zonas climáticas en el mercado solar térmico de Norteamérica y Europa

La selección del fluido debe seguirse rigurosamente teniendo en cuenta las condiciones extremas del clima en la región de instalación.

1. Países nórdicos y Europa Central: debe garantizarse protección hasta –30 °C. Con este fin, una mezcla de propilenglicol y agua en una proporción de 50:50 constituye el estándar de facto para las instalaciones Demax en climas fríos, ya que mantiene más del 85 % de la eficiencia de transferencia de calor del agua.

2. El Mediterráneo y el suroeste de Estados Unidos: las temperaturas de estancamiento superan regularmente los 300 °C. Por lo tanto, dichas temperaturas exigen estabilidad a altas temperaturas combinada con baja presión de vapor. En este sentido, los silicones superan a los glicoles, ya que su presión de vapor es un 40 % menor que la de los glicoles a las temperaturas máximas de funcionamiento, reduciendo así la frecuencia de activaciones de la válvula de alivio de presión y, por ende, la pérdida de fluido.

3. El noreste de Estados Unidos como ejemplo de clima híbrido: es necesario contar con un diseño de protección dual. La última generación de espumas de hidrocarburos tiene la capacidad de permanecer bombeable por debajo de –25 °C y de resistir la degradación térmica a temperaturas tan elevadas como 290 °C. Esto permite una operación segura anual sin comprometer la eficiencia.

Aunque su uso aumenta la viscosidad en un 12–15 %, lo que conlleva un mayor esfuerzo de bombeo y diámetros mayores de cilindro de bomba, se observa una tendencia hacia el uso de líquidos más termoestables, pese a las restricciones adicionales de seguridad que imponen.

Comparación del rendimiento en eficiencia, seguridad y compatibilidad del sistema en aplicaciones solares térmicas

Compromisos termofísicos relacionados con el calor específico, la viscosidad y la energía de bombeo en consideración al flujo, en relación con el rendimiento térmico solar

El rendimiento térmico general de cada fluido se analizó en relación con tres de sus características fisicoquímicas: la capacidad de almacenamiento de energía térmica del fluido (calor específico), la viscosidad del fluido (espesor) y su degradación térmica (estabilidad térmica). El agua es un excelente absorbedor de energía térmica (su calor específico es aproximadamente 4,18 kJ por kg y por grado K). Sin embargo, surgen problemas al utilizar agua en estos sistemas porque las temperaturas pueden descender por debajo del punto de congelación. En esos casos, es necesario emplear mezclas de glicol, aunque dichos fluidos presentan una viscosidad 30 a 50 % mayor que la del agua. Esta resistencia adicional debida a la mayor viscosidad exige que las bombas realicen más trabajo, lo que normalmente provoca un aumento del consumo energético del 15 al 30 % en grandes sistemas industriales, reduciendo así la energía solar neta capturada. Aunque los fluidos de silicona no son tan viscosos al calentarse, su calor específico se limita a un rango de 1,5 a 1,8 kJ. Por lo tanto, un operador que utilice fluidos de silicona necesitaría impulsar un caudal de fluido dos veces mayor que el necesario con agua. Esta gestión del fluido incrementa la necesidad de bombas de mayor tamaño, eleva los gastos asociados a la electricidad y aumenta la carga de mantenimiento.

Se ha confirmado mediante pruebas reales en plantas solares de canal parabólico que los fluidos y las bombas inadecuados pueden reducir la producción térmica entre un 12 y un 18 % con el paso del tiempo. De forma significativa, los fluidos de baja calidad se degradan más rápidamente y pueden volverse entre un 50 y un 80 % más viscosos tras solo cinco años, lo que afecta al caudal. Por consiguiente, los ingenieros deben evaluar, esencialmente, cualquier nuevo fluido junto con todos los componentes del sistema con los que entrará en contacto, incluidos los depósitos de expansión, las válvulas y, especialmente, los intercambiadores de calor de placas soldadas a brida.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es la ventaja principal de utilizar agua como fluido de transferencia de calor en los sistemas Demax?

El agua es más eficiente para transferir calor porque tiene una mayor capacidad calorífica específica que otros fluidos. Sus aplicaciones a bajas temperaturas en regiones libres de heladas y sus reducidas pérdidas de energía por bombeo la convierten en un fluido altamente preferido.

¿Cuáles son las ventajas de utilizar mezclas de propilenglicol/agua en climas fríos?

Estas mezclas son más viscosas que el agua y son más seguras que las opciones a base de etilenglicol. Son la opción preferida en regiones frías debido a su resistencia a bajas temperaturas y su mayor viscosidad, especialmente en Norteamérica y Europa del Norte.

¿Cuáles son las características de los fluidos de silicona que les permiten utilizarse en aplicaciones de alta temperatura?

Los fluidos de silicona poseen una notable estabilidad térmica, lo que les permite emplearse en aplicaciones de alta temperatura, como en los sistemas solares térmicos concentrados. Además, presentan bajas presiones de vapor, lo que minimiza la probabilidad de activación de las válvulas de alivio de presión a temperaturas máximas.

¿Cuáles son las implicaciones de los criterios de selección sobre el clima regional al elegir un fluido de transferencia de calor?

Para maximizar la fiabilidad y eficiencia del sistema, se deben utilizar fluidos de transferencia de calor con protección contra la congelación en regiones frías, mientras que en regiones cálidas deben emplearse fluidos con alta estabilidad térmica.