Horno Rotativo Solar.docx

Resumen Los hornos rotatorios tienen una larga historia de uso en las industrias clásicas. Son capaces de alcanzar altas temperaturas con mayores eficiencias térmicas que otros tipos de reactores. Su desempeño ha sido ampliamente estudiado y clasificados según diferentes parámetros. Como es una tecnología bien conocida, los hornos rotativos han sido seleccionados para procesos solares de alta temperatura. Este artículo presenta inicialmente una breve revisión del horno y se centra en el empleo de estos dispositivos térmicos y termoquímicos pro- por la concentración de energía solar. Entre los dispositivos solares, un nuevo prototipo de horno rotatorio para procesos termoquímicos se presenta y se compara con un reactor solar estático. Finalmente, algunas prácticas conclusiones generales sobre el diseño y operación de hornos rotativos solares y un análisis de sus principales limitaciones. 1. Introducción Actualmente, la mayoría de las tecnologías comerciales basadas centrando la energía solar se emplean para la generación de electricidad. Estas tecnologías consisten en varios metros cuadrados de espejos para la concentración de la radiación solar y también se puede emplear para producir calor de alta temperatura para aplicaciones avanzadas. Ellos incluyen la producción de combustibles solares, como el hidrógeno, para el sector del transporte y varios procesos. (Procesos de craqueo ( Maag et al., 2009 ), reformado ( Bianchini et al., 2015; Fuqiang et al., 2015 ) y gasificación de materia prima Piatkowski et al., 2009; Puig- Arnavat et al., 2013 )). Entre las aplicaciones industriales de la concentración de calor solar, puede ser notable la producción de productos básicos como la cerámica materiales o metales. Por ejemplo, algunas obras literarias son dedicada a la producción de cal ( Meier et al., 2004, 2005b, 2006 ) mediante la calcinación solar de CaCO La producción de Zn a partir de ZnO ha han sido abordados a través de diferentes técnicas de reducción solar, carbotérmica ( Wieckert et al., 2004 ) y methanothermal reducción ción Steinfeld et al., 1995 ), así como la producción de aluminio ( Halmann et al., 2007 ). El reciclaje solar de aluminio ha sido también investigado ( Glasmacher- Remberg et al., 2001). Todos los hombres pueden considerarse los más prometedores aplicaciones de la concentración de calor solar. Además, desde los últimos años, el uso del calor solar concentrado como fuente de energía para reacciones termoquímicas de alta temperatura se está aplicando almacenar energía solar. Se emplean reacciones reversibles para almacenar energía durante el paso endotérmico y liberarlo durante el exotérmica ( Agrafiotis et al., 2014; Neises et al., 2012; Pardo et al., 2014 ). Las aplicaciones indicadas anteriormente implican el calentamiento del sólido materiales con radiación solar y esto representa un importante desafío de la 3.

investigación. Entre las contribuciones a su desarrollo, los estudios sobre el diseño de receptores / reactores desempeñan un papel relevante. La estafaceptos basados en el calentamiento directo de partículas sólidas son interesante. Las partículas sólidas son capaces de absorber la radiación y el almacenamiento el calor en forma de energía sensible y / o química. Los la eficiencia de absorción se mejora cuando la radiación y las partículas tienen contacto directo sin barrera opaca. Un notable avances relacionados con esta idea tuvo lugar en los años ochenta, con El primer concepto del receptor solar de partículas sólidas (SPSR) ( Kim et al., 2009 ). Las partículas, que actuaban como medio de transferencia de calor, absorbe la radiación dentro de un receptor de cavidad. El calor fue entonces transferido a un fluido, presumiblemente vapor o aire. Aparte de la eficiencia de absorción y la facilidad para almacenar el calor, el SPSR tiene notables ventajas en comparación con los receptores centrales que utilizar diferentes tipos de fluidos térmicos. Por ejemplo, el uso de partir puede ser muy económico, dependiendo de la abundancia de material seleccionado y el estrés térmico puede reducirse en componentes debido a la absorción directa ( Tan y Chen, 2010 ). Pelaje- Además, las partículas pueden calentarse a temperaturas otros medios de transferencia de calor. Hornos rotativos solares, que son el foco de esta revisión, puede ser considerado como un tipo particular de SPSR ( Alonso y Romero, 2015A ). Una primera evaluación ha sido presentado, considerando un horno rotatorio lleno de partículas de receptor central de una planta solar 50 MW ( Gallo et al., 2016 ). Cuando estos dispositivos solares de partículas están destinados a realizar (para combustibles solares o aplicaciones industriales, por ejemplo) en lugar de calentar partículas que actúan como medio de transferencia de calor, pueden ser llamados reactores solares de partículas en lugar de SPSR. Muchas fuentes de energía solar reactores de partículas han sido reportados en la literatura configuraciones. Algunos autores han intentado innovar y diseñar nuevos conceptos de ingeniería ( Diver et al, 2008;.. Kaneko et al, 2007 ). º

Muchos otros han readaptado las tecnologías clásicas para la radiación solar directa ( Gokon et al, 2008;. Meier et al., 2004; Nikulshina et al., 2009 ). Los hornos rotativos solares han sido uno de los tipos más seleccionadas de dispositivos ( Alonso y Romero, 2015A ). Los razones son, probablemente, las ventajas que la industria clásica hornos rotativos presentes en comparación con otros sistemas. Los hornos rotatorios tienen una larga historia de uso en metalurgia industrias químicas, su desempeño es bien conocido y son capaces de operar a muy altas temperaturas (más de 2000 ° C, aunque los valores de temperatura máxima varían con los fuente) con mayores eficiencias que otros tipos de dispositivos. Addi son versátiles, tienen bajo coste de mantenimiento y sus componentes tienen larga vida útil.

El objetivo de este trabajo es analizar el potencial de la hornos rotatorios cuando son irradiados directamente por energía. Para ello, el horno rotatorio industrial las solicitudes se han revisado en primer lugar. Luego, las principales solarización de dicha tecnología. Esta sección incluye el estado del arte de los estudios de transferencia de calor en hornos rotativos solares metodologías de simulación y una visión general de las prototipos desarrollados. Entre los prototipos solares revisados, presentado una novela que fue diseñada y operada por la autores del presente trabajo. También se incluye un ensayo experimental evaluación que compara un rendimiento rotatorio con un cama, mostrando cómo mejora el movimiento rotatorio las partículas se calientan y favorecen su reacción. Finalmente, algunos conclusiones prácticas sobre el diseño y funcionamiento de hornos y un análisis de sus principales limitaciones es presentado. 2. Tecnología del horno rotatorio.Los hornos rotatorios son recipientes cilíndricos que giran eje longitudinal. Por lo general, trabajan en un modo continuo. Partículas se introducen en uno de los extremos y se extraen en el otro. Generalmente hay un gas que pasa en contra flujo. En algunos En otros casos, el gas y los sólidos están en flujo co-corriente. Giratorio hornos pueden tener una inclinación determinada, s, o ser colocado horizontalmente (S = 0). Una ligera inclinación favorece el movimiento axial de las partículas. En las direcciones radiales, el movimiento de partículas depende principalmente de la velocidad de rotación, N, y la relación de llenado, FR%, (porcentaje del reactor volumen ocupado por las partículas). La Fig. 1 muestra el esquema de una horno rotatorio industrial típico. Mellmann (2001) define tres básico formas (deslizamiento, cascada, cataratas) y siete subtipos a clas- sificar el movimiento transversal de los sólidos en los cilindros giratorios. Previ- ormente, Henein et al. (1983) habían informado de una clasificación similar y se introdujeron los diagramas de comportamiento de la cama, donde diferentes tipos de movimiento de la cama se representaron para un cierto tipo de partículas como función del número de Froude, Fr, y FR%. Como puede verse en la Ec. (1) , Fr sólo depende de la velocidad de rotación y el radio interno del cilindro, r; g es la aceleración gravitacional. Cuando el padre es iguales a una, aceleración centrípeta y gravitatoria son iguales, y el movimiento del lecho correspondiente al subtipo centrífugo es logrado. Otros movimientos de cama tienen el padre de un menor de edad. El tipo de partículas y sus características (tamaño, forma, ángulo de reposo) afectan también al movimiento transversal dentro de una cilindro giratorio ( Boateng y Barr, 1996 ). Rolling y cascada subtipos en la clasificación de Mellmann son los comportamientos más utilizados para aplicaciones industriales. En el modo de laminación, el material sólido el fondo de la pared interior del reactor hasta cierto punto altura y luego,

las partículas ruedan sobre la superficie superior de la cama. Por lo tanto, las partículas que ruedan constituyen el componente activo , mientras que las partículas que giran como cuerpo rígido con la pared del cilindro constituyen la capa pasiva. La llamada cama altura”, h, (véase la Fig. 1 ) permanece constante con la rotación y, para una cierta velocidad, el ángulo dinámico de reposo, h d, es constante también. Desde un cierto FR%, un núcleo de partículas estáticas aparece en el centro región del lecho, y en su interior no se consigue la mezcla. Analo - gamente, cuando se introducen partículas de diferente tamaño o densidad dentro del reactor, las partículas más pequeñas y más densas segregan y formar un núcleo estático ( Boateng y Barr, 1996 ). Para resolver este problema, algunos tambores rotatorios presentan presas, elevadores, paletas o aletas. Represas aumentar el nivel del sólido en el extremo del cilindro y, como consecuencia, las partículas permanecen más tiempo dentro del reactor, mientras que los las aletas provocan una especie de cortina de partícula dentro del cilindro que mejora la mezcla de partículas y de calentamiento ( Boateng, 2008 ). Otro parámetro fundamental que caracteriza a los hornos rotativos es el tiempo de residencia, s, que indica la permanencia de las partículas dentro del reactor. Depende sólo de la geometría y de la operación parámetros. Su valor puede variar de pocos segundos a varias horas. Se han propuesto muchas correlaciones experimentales para predecir el tiempo medio de residencia en los cilindros rotativos. Renaud et al. (2000) propuso un modelo bastante complejo para calcular el tiempo de residencia en secadora rotativa industrial. Mejoraron la modificación Cholette y Cloutier (1959) modelo realizado por Duchesne et al. (1996) . Estos modelos discretizaron el horno en varias unidades a lo largo eje central y para cada unidad, dos zonas diferentes (una activa y otra muerto). En la zona activa, la masa se permitieron intercambios entre una unidad y la siguiente, mientras que en la zona muerta los intercambios de masa sólo se permitían con la zona activa de la misma unidad. Con este método, las diferencias entre tiempos de residencia simulados y medidas fueron inferiores al 5,1%. En el mismo trabajo, Renaud et al. (2000) compararon algunas de las correlaciones más utilizados que eran basados en secadores rotativos a escala piloto y encontraron que la ellos subestimaron el tiempo promedio de reside

En particular, las correlaciones predijeron tiempos de residencia de 4 a 8 veces más pequeño que los datos medidos a escala industrial hornos A partir de ese estudio, la correlación propuesto por Sai et al. (1990) dio como resultado una de la más simple y precisa, el logro de una período de residencia sólo 1,2 veces menor que los datos reales. Ec. (2) cor- responde a la correlación de tiempo de permanencia medio de Sai, donde F es la Índice de carga por unidad de área de sección transversal en kg s A1 m A2, y N es la velocidad de rotación en rpm. Los rangos de temperatura operativa de los hornos rotativos pueden variar de pocos grados más de temperatura ambiente a casi 2000 ° C ( Mastorakos et al., 1999 ). Con el fin de resistir a tales altas temperaturas, los revestimientos se hacen generalmente de ladrillos refractarios o de los castable densos refractario. Convencionalmente, el calor para elevar la temperatura es pro- por los combustibles fósiles. La energía requerida se introduce en el directamente por la llama generada en un quemador, que calienta el sólido y las paredes del horno. En algunos otros casos, el horno y el quemador están separados y el horno es alimentado con combustión gases para aumentar la temperatura de los reactivos. Rotary tubo de piel- (hornos de combustión indirecta) pueden funcionar a una temperatura 2400 ° C ( Boateng, 2008 ). Estos hornos generalmente consisten en grafito tubos donde los reactantes fluyen dentro del tubo, mientras que el calentamiento el gas es externo al tubo. Comercialmente, algunos proveedores declaran para producir hornos de tubos rotatorios que pueden trabajar con temperaturas hasta 3000 ° C ( Harper- Internacional, 2016). Así, la transferencia de calor en reactores rotativos tiene mecanismos complejos y depende de la configuración del horno. En la mayoría de los hornos es producido por una bination de la radiación, la convección y la conducción entre el gas, las partículas y la pared de los hornos. Además, debido a la la rotación del horno, la transferencia de calor se complica por la mezcla de partículas en el interior la cama sólida.

Se han propuesto varios modelos para predecir la comportamiento de los hornos rotativos ( Boateng y Barr, 1996; Brimacombe y Watkinson, 1978; Dhanjal et al., 2004; Gorog et al., 1983; Iguaz et al., 2003; Mastorakos et al., 1999; Palmer y Howes, 1998; Watkinson y Brimacombe, 1978; Yang y Farouk, 1997; Yang et al., 1999; Zhang et al., 2008 ). Por ejemplo, Brima- combe y Watkinson ( Brimacombe y Watkinson, 1978; Watkinson y Brimacombe, 1978 ) empleó una escala piloto horno (5,5 m de longitud y 0,406 m de diámetro interno, ID,) lleno de arena inerte para hacer un análisis completo de las transferencias térmicas. Cincuenta y dos termopares fueron insertados dentro del horno para monitorear la temperatura del gas, el sólido y las paredes a lo largo del horno eje. Una comparación entre el modelo térmico y experimental los resultados se realizaron para diferentes condiciones de funcionamiento. En su experimentaron, alcanzaron una temperatura máxima de casi 800 ° C para el gas, el sólido y las paredes. Debido a que la partícula medida y las temperaturas de la pared del horno fueron muy similares, radiativas y con- la transferencia de calor entre sólidos y paredes fue descuidada en el modelo. Concluyeron que la transferencia de calor a la cama es un proceso de dos etapas: primero, el calor es transferido del gas al ticles en la superficie del lecho y luego se mezclan dentro de la movimiento del ticle. Además, el efecto más significativo de las la transferencia de calor del horno es la convección desde el gas caliente hasta el sólido, que controla casi el 70% de la energía transferida a la parti- cles La radiación del gas a las partículas representa menos de 30% del calor absorbido por el sólido. Además, el flujo de calor el gas al lecho sólido es diez veces mayor que el flujo de calor al paredes del horno. También señalaron la importancia de trabajar en modo de mejorar la transferencia de calor entre el gas y el sólido cama. Boateng y Barr (1996) Desarrollo un cuasi-tridimensional, 3D, modelo para partículas inertes, que fue obtenido por la combinación de un modelo térmico 2D bidimensional para un horno rotatorio y un modelo axial unidimensional, 1D. En primer lugar, el modelo monodimensional fue validado con experimediciones de la temperatura mental a lo largo del eje de un de horno, con el mismo tamaño de la reportada por Brimacombe y Watkinson (1978) . Luego, los resultados se utilizaron como con- para el modelo 2D. De esta manera, los autores para diferentes rangos de velocidad de rotación (0-2 rpm), el tamaño de partícula (0,297 - 3,36 mm), la velocidad del gas (1,41 - 2,53 kg / s) (600-1200 ° C) y la proporción de llenado (12% y 27%). Como principales conclusiones, los autores encontraron que la isoterma pro- en las secciones transversales cuando se introdujeron en el reactor y con el mismo tamaño la velocidad de rotación fue suficiente para generar condiciones de modo de balanceo con la FR más bajo%. De lo contrario, cuando surgió la cama segregada, gradientes de más de 200 ° C sección transversal.

Palmer y Howes (1998) Presentan un modelo de transferencia de calor para el secado de una suspensión deshidratada de alúmina en un horno rotatorio 132 m de longitud y 4,2 m id El modelo incorpora una combustión para simular el proceso de combustión no instantánea. El secado de la alimentación procedió desde la superficie hasta el interior del lecho y el perfil de temperatura de los sólidos cambiados a lo largo del eje del horno. La temperatura máxima del gas considerada en el modelo fue 1500 ° C. Los autores concluyeron que no toda la energía térmica entró en el calor latente de vaporización necesario para el propero una cierta cantidad de calor aumentó la temperatura de los sólidos de alimento. Por otra parte, la convección fue la principal transferencia de calor mecanismo para el secado de la alúmina. Mastorakos et al. (1999) analizaron un cemento giratorio carbón horno (4,1 m Identificación y más de 80 m de longitud) y realizado un CFD predicciones de su comportamiento térmico. Para estudiar el calor radiativo transferencia, utilizaron un módulo particular basado en Monte Carlo método que fue integrado con un flujo tridimensional En su trabajo, consideraron una temperatura máxima de casi 2000 ° C dentro del horno y en contraste con otros autores, encontraron que la contribución de la convección al calor total la transferencia de la llama al lecho sólido era casi insignificante. Esta probablemente debido al mayor rango de temperatura considerado para el horno. Sin embargo, los autores sugirieron la discrepancia resultados con Carvalho et al. (1995) era debido al valor de la parámetros de gas utilizados para el cálculo del calor convectivo transferir. En particular, Mastorakos et al. valores locales utilizados para temperatura y velocidad del gas, mientras que Carvalho et al. empleadas edad en la sección transversal. Dhanjal et al. (2004) propusieron un matemático bidimensional modelo para la transferencia de calor en el plano transversal que se basó sobre los resultados experimentales de un horno discontinuo a escala piloto. El cilindro tenía un diámetro interno de 0,4 m, una longitud de 0,6 m y el laminado modo se mantuvo manteniendo su velocidad a 1, 2 y 3 rpm según el juicio. Los experimentos consistieron en calentamiento inerte arena de la temperatura ambiente a casi 775 ° C. Cuatro termocuplas la temperatura en el interior del lecho de arena a diferentes lo más hondo. Para simular la conductividad en la capa activa, se la conductividad se calculó ajustando la temperatura real con los que están Por un lado, los resultados mostraron que la mezcla de conductividad fue 5 veces mayor que la conductividad térmica en masa del mate- rial Por otro lado, se observó un gradiente de temperatura la altura del lecho, en contraste con el objetivo de obtener partículas con una temperatura homogénea. Yang y Farouk (1997) estudiaron la transferencia de calor en un rotativo horno lleno de partículas sólidas granulares. Siguiendo la metodología propuesto por Boateng y Barr (1996) , desarrollaron un cuasi-3D modelo. El flujo de calor en la superficie del lecho se determinó en el Modelo 1D y se empleó como condición de contorno para el modelo transversal. El modelo fue validado con los datos obtenidos por Tscheng y Watkinson (1979) en una rotativa piloto

calcinador (2,5 m de longitud y 0,19 m id) que funcionaba a baja tem- (menos de 200 ° C). Entre los resultados, los autores de alto- indicó que la temperatura de las partículas en las secciones no uniforme y la transferencia de calor por convección fue la principal modo de calefacción de la cama. Como puede deducirse hasta ahora, se pueden conseguir camas bien mezcladas en hornos rotativos, pero no para todas las condiciones de trabajo. Con el fin de lograr temperaturas uniformes de las partículas, el horno rotatorio tiene que trabajar en roll- modo de grabación. Además, para evitar la segregación, las partículas deben tener el mismo tamaño y forma; la segregación puede reducirse al mínimo FR%. Introducción de elementos internos tales como paletas, aletas o lif- pueden mejorar la mezcla de partículas. Para el cálculo del tiempo de residencia de las partículas rotatorio, se han propuesto varios modelos. Sin embargo, como gen- conclusión general, no es posible aplicar las correlaciones obtenidas en prototipos de hornos pequeños a los industriales. En particular, el geométrica entre las partículas y las paredes del horno no es respetado cuando se amplía el horno y, según Renaud, cor- las relaciones deducidas con hornos pequeños no son válidas. Por lo tanto, modelos para cada caso si se necesita un buen predicción del tiempo de residencia. Relacionado con el comportamiento térmico dentro de los hornos rotatorios clásicos, no hay concurrencia entre las conclusiones reportadas. Algunos autores Palmer y Howes, 1998; Watkinson y Brimacombe, 1978; Yang y Farouk, 1997 ) declaró que la convección sólido al gas es la forma principal para calentar el sólido, mientras que el radia- la transferencia de calor de la llama a las partículas representa sólo una contribución parcial al flujo total de calor absorbido por el sólido cama. En cambio otros autores ( Mastorakos et al., 1999; Shahin et al., 2016 ) declaró que la transferencia de calor por convección es insignificante y la la transferencia global de calor es casi totalmente debido a la radiación. Estas dis- crepitudes en los resultados podrían deberse a algunos factores. El horno temperatura de trabajo puede ser muy diferente de caso a caso y a temperaturas más altas, la transferencia radiante de calor es dominante. Másla geometría y el modo de calefacción del horno pueden influir la transferencia global de calor. En un horno largo, la transferencia de calor radiativo ser más preponderante en la región cercana a la llama y disminución a lo largo del horno. Cerca de la salida de gas, calor convectivo la transferencia será mayor. En hornos de combustión indirecta, el proceso de quemado- que se produce fuera del horno y debido al muy bajo valor de emisividad de los gases de combustión ( Ludwig et al., 1973 ), convec- la principal contribución a la transferencia global de calor.

3. Aplicaciones Industriales.Desde finales del siglo XIX, se han empleado hornos rotativos para la producción de cemento. Por lo general, se han utilizado para realizar calcinaciones de una variedad de productos como arenas, calizas, agregados y yeso. Hoy en día, el uso de hornos rotativos es ampliamente en muchas industrias, incluyendo alimentos, productos industria, procesamiento de minerales, fundiciones metalúrgicas, tratamiento de desechos, etc. En el campo de la industria del cemento, Boateng (2008) clasifica rotativa hornos húmedos y secos, cortos y largos, refrigeradores y secadores, y y hornos de combustión indirecta. Los hornos húmedos generalmente se alimentan con mate- son los más largos. Pueden alcanzar longitudes de más de 150 m. Debido a su baja eficiencia, no son frecuentes y se utilizan más en la industria alimentaria y papelera. De lo contrario, largo hornos secos, que tienen mayores eficiencias, se usan el tratamiento de la cal y agregados ligeros. Su significado longitud es de unos 100 m. En las plantas de cemento, los hornos secos longitud en un rango de 15-75 m, mientras que los hornos de combustión indirecta son los más pequeños empleados en este sector con diámetros hasta 1,3 m. Se utilizan cuando el contacto entre el gas y el sólido es no son deseados y son útiles para varias aplicaciones como reduc- ción, calcinación, oxidación y carburación en una atmósfera Además de la utilización de hornos rotativos en planta de cemento, otras caciones tienen que ser mencionadas. Por ejemplo, estos dispositivos son empleados para el tratamiento de desechos. Wey et al. (2006) investigada la sinterización continua de las cenizas volantes del sólido urbano residuos y la reducción de la concentración de metales pesados (principalmente Pb, Cu, Cd y Cr). Trabajar con un horno a escala piloto (2,10 m de largo  0,09 m id) en un intervalo de temperatura de 700-900 ° C, podrían reducir la concentración de metales pesados en la mosca ceniza. En el mismo campo, Descoins et al. (2005) estudiaron el flujo de sólidos granulares en un horno rotatorio de pirólisis a escala piloto. El reactor calentado externamente, podría alcanzar una temperatura máxima de 1000 ° C y tenía un ID de 0,21 m. y 4 m de longitud. Experimental stud- IES en la pirólisis de residuos urbanos también se llevaron a cabo por Li et al. (1999) . El horno, que fue calentado por un horno eléctrico externo de 12 kW, tenía un id de 0,205 m y era 0,450 m de largo. Mediante la pirólisis, el gas y el coque pueden producirse con bajas emisiones de dioxina y furano de una amplia gama de materiales de desecho. Li et al. probado varios tipos de desechos urbanos (plástico, caucho, madera, algodón tela, vegetal, etc.) y trabajado a diferentes temperaturas (hasta 900 ° C). Regulando la temperatura del francobordo del horno, obtuvieron diferentes composiciones y valores de calentamiento de los gases producidos, (principalmente CO, CH 4, H 2, CO 2 C2H4yC2H

Generalmente, se emplean hornos giratorios con menor l / d para procesos pirometalúrgicos. Estos hornos pueden ser operados en lotes o modo continuo para la extracción y / o fusión de diferentes metales como hierro, cobre, aluminio o plomo. Por ejemplo, el aluminio la fusión de chatarra se realiza en hornos rotatorios a temperatura de aproximadamente 800 ° C. Para este propósito, Zhou et al. (2006) reportó una horno escala industrial giratorio de 3,0 m de ID y 6,9 m de longitud, que girado a 1,33 rpm con tiempo de fusión hasta 6,25 h. Estudiar metal de fusión, Zhang et al. (2008) construyeron una horno rotatorio escala de banco que trabajó que funcionaba en modo continuo con un diámetro de 0,51 my una longitud de 0,72 m. Se pueden encontrar otros hornos rotatorios para aplicaciones de baja temperatura. ciones. Por ejemplo, en la industria agroalimentaria, los hornos rotatorios pequeños y se utilizan para secar los productos. En este campo, Iguaz et al. (2003) simularon el proceso de deshidratación de los residuos de origen vegetal con aire a aproximadamente 200 ° C. Para una aplicación similar, Kaleemullah y Kailappan (2005) , investigaron el proceso de secado de pimientos rojos en un secador rotatorio (0,3 m de largo  0,4 m id) en una gama de 50 - 65ºC Vijayan y Sendhilkumar (2014) reportaron una revisión de los principales operaciones industriales, que generalmente se llevan a cabo en hornos Ellos definieron cinco tipos de aplicaciones: calcinación, fabricación la incineración, los procesos térmicos y la pirólisis, y para cada uno informó algunos ejemplos junto con su principal características (longitud, diámetro interior, pendiente y temperatura distancia). La industria manufacturera incluye la industria del cemento y la metalurgia industria. Este sector cubre aproximadamente el 40% de las nivel de aplicación; el tratamiento térmico representa el 30% del nivel de asignación, y la pirólisis, la calcinación y la incineración 15, 10 y 5%, respectivamente. Vijayan y Sendhilkumar concluyeron que la mayoría de los hornos rotatorios tienen generalmente una pendiente 5 °, la relación l / d puede cambiar de 1 a 30, y el rango de temperatura puede variar de la temperatura ambiente a 1500 ° C dependiendo de la proceso requerido. 4. Solarización de hornos rotativos.Como los hornos rotativos han sido ampliamente empleados en la éxito, también se han considerado en el R & D solar de décadas. Se han encontrado varios modelos de simulación en la literatura comprender los mecanismos de transferencia de calor y la viour de los hornos rotatorios solares. Algunos prototipos han sido diseñados y construidos con diferentes escalas y han sido acoplados con hornos solares y simuladores solares para la experimentación ción. Se les han proporcionado elementos que facilitan la medición de parámetros y seguimiento de procesos. Recientemente, otros estudios consideran una implementación más factible del sistema rotativo horno en una verdadera planta de torre solar ( Alexopoulos et al, 2015;. Gallo et al., 2016 ).

En las siguientes secciones, se dan detalles casos reportados en la literatura. Un análisis de las principales limitaciones de la tecnología. 4.1.

Estudios desarrollados sobre metodologías de transferencia de calor y simulación aplicados a hornos rotativos solares

El análisis térmico de los hornos rotativos solares aplicados a (térmica o termoquímica) requiere el estudio del flujo de fluido, la transferencia de calor y masa, y la reacción química ción. Por lo tanto, el modelo computacional desarrollado para ese propósito pare estos fenómenos. Además, en los hornos rotativos solares, debe prestarse especial atención a la transferencia de calor por tiene una influencia significativa en el proceso térmico. Así, diferentes estrategias para modelar la radiación solar en reactores de tipo se encuentran en la literatura y también se pueden implementar en hornos rotatorios modelos considerados para aplicaciones industriales. El comportamiento térmico de los hornos rotatorios solares utilizados en termo- químicas ha sido analizada por simulación. Uno de estas aplicaciones es la reducción térmica de óxidos metálicos involucrados en ciclos termoquímicos de separación de agua para hidrógeno producción. Abanades et al. (2007) diseñado y simulado en laboratorio a unaescalar reactor solar para el proceso mencionado con una cavidad directamente calentada por energía solar concentrada que recibió continuamente inyectado partículas sólidas. Un modelo de múltiples fases (flujo de sólido-gas) era considerado para simular el flujo de partículas cargadas de reactivo y un modelo de fase de creta se realizó mediante un enfoque de Lagrange. Esta modelo fue capaz de predecir la velocidad de la temperatura y el gas distribución ciones, perfiles de concentración de especies, trayectorias de las partículas y con- tasa de versión a partir del grado de reacción de terminación. En adición, Se implementó la influencia de la radiación solar entrante por un perfil de densidad de flujo para definir el calor absorbido por el interior pared de la cavidad, ya que fue descuidada sobre los elementos sólidos restantes. En este caso, las paredes se asumieron opaco en el trans- radiativo ecuación fer, mientras que el gas inerte era transparente a la radiación. Además, se incluyó el efecto de las partículas sólidas discretas en el modelo de radiación. La ecuación de transferencia radiativa se resolvió en el modelo de color grisradiación de ordenadas discretas, teniendo en cuenta absorción ción, emisión y dispersión de la fase de partículas ( Abanades et al., 2007 ). En estudios anteriores, los modelos de simulación se centraron en una mayor acu- representación tasa de intercambio radiativo. Sammouda et al. (1999) analizaron teórica y experimentalmente los diferentes fenómenos de transferencia de masa y calor de intercambio entre la partículas de arena calentados a temperaturas superiores a 1000 ° C por con- radiación solar centrated. La Fig. 2 muestra las trayectorias de flujo de calor en un solarhorno rotativo completo de sólidos granulares, incluyendo la influencia de la mecanismo de transferencia de calor en el sólido. Como se describe en esta

figura, el material sólido puede ser calentado por la radiación solar incidente y por el calor transferido desde las paredes del horno que entran en contacto directo con el sólido granular. Sin embargo, el flujo de calor recibido también se transfiere al gas presente en la cavidad. Por lo tanto, este horno se ha concebido para reacciones inertes de sistema com- posado para gas (aire) y los sólidos de partículas, donde se considera que el gas transparente para los rayos solares. El flujo de calor capturado depende de la movimiento de las partículas en la cavidad de acuerdo con param dinámico etros que caracterizan el modo de funcionamiento del horno rotatorio. Sólido Mezcladores procesos tienen efectos sustanciales sobre la transferencia de calor global tarifas y el volumen de control de la carga sólida (la llamada carga sólida en la Fig. 2 ) Se define por el ángulo de inclinación del horno, m , latasa de flujo de masa de sólidos granulares, ˙ m s y la veloc- de rotación del hornodad, x . Para la condición de sólidos bien mezclados, se asumió quela capa exterior sólida y la parte interior de la carga sólida tienen una sim- temperatura ilar. Por lo tanto, el sólido se consideró como un MEDLINE porosa ium donde el coeficiente de transferencia de calor entre sólidos granulares y el aire es infinito, y partículas de la misma sección transversal tener la misma temperatura ( Sammouda et al., 1999 ). Además, las paredes del horno recogen la radiación concentrada y transferir el calor a los sólidos granulares. Por lo tanto, su térmico comportamiento debe ser analizada mediante el acoplamiento radiativo, convectivo, y fenómenos conductoras en la zona de rotación-horno situado en el punto focal del concentrador (ver Fig. 2 ). La absorción y emi- sión de la radiación solar en la superficie del receptor se definen por com- funciones complejas para la longitud de onda y dirección. Sin embargo, Sammouda et al. simplificado el estudio de estos procesos por consi- Ering paredes del horno grises, difusas y opacos con propiedades radiactivas independiente de la temperatura. Así, según la Fig. 2 , La temperatura de la pared lateral sólo depende en el eje longitudinal y el de la parte inferior pared depende de la radio. De hecho, la rotación del horno homoNises el resplandor y permite el logro de tem- uniforme Ature en cada segmento en forma de anillo de las paredes laterales e inferiores (Sammouda et al 1999). La disociación-solar accionado de partículas de ZnO a 1600-2136 K gama se simuló por Schunk et al. (2009) con un calor transitoriamodelo de transferencia que incluía Monte Carlo método trazado de rayos (MC) para estudiar la transferencia de radiación en un reactor rotativo horizontal. Esta estudio fue desarrollado para analizar el rendimiento térmico de la reactor termoquímico con ciclos de alimentación semi-lotes de ZnO parti- cles En este modelo, la conductividad térmica eficaz se considera como la suma de las contribuciones de radiación y conductores que eran obtenido por la aproximación de difusión Rosseland y por el los resultados de una investigación previa, respectivamente, considerando un poros- dad de cero para el porosa de lecho empaquetado. La transferencia de calor por convección coeficientes en las superficies interiores de la cavidad, las paredes externas y ventana de cuarzo se obtuvieron mediante la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) simulaciones y correlaciones

encontradas en la literatura, definiendo la velocidad angular y longitudes características. Además, el intercambio radiativo en la cavidad se modela por suponiendo direc- cional radiación solar incidente y emisión difusa por la cavidad paredes En este caso, la fuente de calor neta procedente de la energía solar radi- ación fue modelado por MC para obtener el flujo de radiación neta resultante de la radiación emitida por las paredes de la cavidad. Así, este modelo ofrece una descripción más detallada del intercambio radiativo en el solar reactor. Tescari et al. (2013) propusieron un modelo térmico posterior para rotativo reactores de horno, teniendo en cuenta la abertura reactor como una superficie ficticia a una temperatura equivalente impuesta con el fin de disminuir la coste computacional mientras se mantiene la exactitud de la solución. El gas de alimentación era considerada transparente a la radiación y se se tuvo en cuenta la transferencia radiativa entre paredes interiores del reactor y a la abertura, la transferencia convectiva al gas pasa a través de la cavidad del reactor, y la conducción a través el aislamiento hacia la pared externa. En las paredes exteriores, la flujo de calor proviene de la transferencia de radiación y convección. Por lo tanto, el coeficiente de convección se calcula fórmulas empíricas para superficie giratoria horizontal. Dos modelos de radiación eran conside- Ered en las simulaciones de CFD realizadas. Las ordenadas discretas Se utilizó el método (DO) para evaluar la importancia del cuarzo efecto ventana, y el modelo de superficie-a-superficie (S2S) era seleccionado para la optimización del tiempo de cálculo cuando el efecto de los medios de absorción de semi-transparentes se descuida. Así, la abertura reactor se modela como un volumen de cuarzo sur- redondeado por superficies transparentes que definen sus propiedades ópticas para el modelo DO o como una superficie ficticia opaca a una tem- fijo Ature equivalente al flujo de calor incidente para el modelo S2S. los resultados obtenidos con ambos modelos mostraron la misma tendencia, y de ese modo el modelo S2S se utiliza para optimizar el diseño del reactor ( Tescari et al., 2013 ). En el estudio más reciente, un lenguaje de programación especial era elegido para la simulación de reciclaje de aluminio solar en un rotativo horno ( Alexopoulos et al., 2015 ). El modelo consta de inestableecuaciones de transferencia de calor del estado unidimensional para el ele- pared mentos, balances energéticos dinámicos para los componentes situados en el la cavidad del reactor (aluminio, la sal y el aire), y ecuación adicional ciones para propiedades del material y la transferencia de calor. Se asumió que el gas no absorbe la radiación solar y transporta el calor Sólo por convección. Las superficies frontal y posterior y la no cubierto pared interior cilíndrica se irradiaron directamente por el concentrado luz de sol. El aluminio fue cubierto por la sal (mezcla de NaCl, KCl y de CaF 2 de transferencia) y por convección se consideró entreambos materiales, al aire ambiente, y a la cubierta frontal y posterior; los coeficientes de transferencia de calor necesarios se obtuvieron de literatura tura Se calculó la transferencia de calor radiativo en el interior del horno rotativo de acuerdo con el último método, que considera leyes de Lambert

y Kirchhoff, aberturas frontal y posterior como cuerpos negros, el gas como medio transparente a la radiación (baja concentración de H 2 O yCO 2 ), la pared y la sal flujo interior como superficies difusas-gris, y negligible dispersión. Este método divide el volumen cerrado de la en horno, en un número de zonas con distribución térmica uniforme y propiedades radiativas ( Alexopoulos et al., 2015 ). La información antes mencionada sobre la diferente simula- metodologías ción desarrollados para hornos rotatorios solares muestra que las hipótesis consideradas para la transferencia de radiación dependen principalmente en el proceso termoquímico logrado, el computacional coste y de la precisión deseada.

4.2.

Revisión de prototipos desarrollados de hornos rotativos solares

1960 y que fueron desarrollados por Trombe y Foex en el CNRS 1 MW horno solar en Odeillo ( Trombe y Foex, 1954; Trombe, 1963, 1973 ) Para el tratamiento térmico de diferentes sustancias. Se emplearon un agua enfriada horno rotatorio con 500 l de capacidad para fundir óxidos refractarios y producir materiales a granel. el rotativo También se empleó reactor para purificar alúmina y cuarzo. Era capaz de operar tanto en modo continuo por lotes y y se hace girar a una velocidad suficiente para que el material a tratar puede ser manCONTENIDAS contra la pared por la fuerza centrífuga. Una patente de los Estados Unidos fue concedida en 1957 a Félix Trombe para el diseño de la energía solar horno rotativo.

Otro de los primeros hornos rotatorios solares descritos en la bibliografía era diseñada también en las Odeillo, en el Laboratoire d'énergétique solaire de CNRS (hoy se llama CNRS-SIMAPRO), en 1979 ( Flamant, 1980; Flamant et al., 1980 ). El dispositivo fue probado para dos procesos. El primero fue un proceso térmico que consiste en el calentamiento de materiales refractarios a 600-1300 ° C. El segundo proceso implica una transformación termoquímica, particularmente la descarbonatación El reactor consistía en un tambor cilíndrico con pendiente de 5 °. La pared interior era un tubo hecho de material refractario. El horno incluye una capa de aislamiento, una camisa de refrigeración de agua y una carcasa externa. Su esquema se muestra en la Fig. 3 . El tubo refractariofue de 0,09 m de longitud y 0,02 m de diámetro interior. La residencia tiempo de las partículas en el reactor puede variar entre 20s (25 rpm) y 120 s (4 rpm) en función de la velocidad de rotación. los reactor fue concebido para funcionar en modo continuo. Reactivos fueron alimentar a través de la parte trasera y eliminado a través de la parte delantera. los radiación solar incidido en el lado delantero, donde era una abertura colocado, e inscrita en el horno. Dado que la longitud del reactor era más de cuatro veces su diámetro, un alto ángulo de radiación de incidencia contribuido a la aparición de altos gradientes térmicos. autores buscado el efecto cavidad dentro del diseño del reactor, porque que esperaban una absorbancia total del sistema cercano a uno. Cómo- nunca, no hay una abertura de diámetro menor que podría ayudar a evitar las pérdidas de radiación y una distribución heterogénea de la radi- perfil ación probablemente tiene lugar a lo largo del tubo. El efecto cavidad no estaba presente dentro de la cámara del reactor y la temperatura no era uniforme. Flamant et al. (1980) informaron de un térmica axialgradiente a lo largo de las paredes del reactor de 10 4 ° C / m. Adicionalmente,máximo informado y temperaturas mínimas de la tratada el material de 1.500 ° C y 300 ° C respectivamente. Para el pro térmica Cess, Flamant (1980) informó de una eficiencia máxima del 30%, lo quese calculó como la tasa del calor sensible que ganó por el material refractario a la potencia interceptado por el reactor aper- tura Para el proceso termoquímico, la eficiencia fue del 7%. En esto caso, la energía acumulada por el material era la suma de lo sensible calor y la entalpía de reacción. Ambos procesos eran también per- formado usando un reactor discontinuo de lecho fluidificado y eficiencias más altas, tanto térmica como termoquímico, se obtuvieron (40% y 20% respectivamente). Sin embargo, temperaturas más bajas se lograron con el lecho fluidizado. Parece que los altos gradientes térmicos en el horno rotatorio penalizado la absorción de energía material, mientras que la condiciones de mezcla que se encuentran en el lecho fluidizado mejorado. Meier et al. (2004) realizaron un extenso trabajo en el CaCO 3 calcinación para producir CaO y CO 2 , que fue apoyada por laQualical empresa perteneciente al sector de cal. Para tal efecto, diseñado y construido un horno rotatorio para 10 kW de entrada de energía solar y se puso a prueba en el horno solar PSI. La carcasa del reactor era una cilindro de 0,6 m de longitud y 0,35 m de diámetro. Aunque el horno se

colocó en posición horizontal, la cámara de reacción era una cono refractario aislado con un ángulo de 5 °. El reactor fue probado en el horno solar de PSI. Se trabajó en modo continuo por Feed- ing partículas a través de la parte superior de la parte trasera y descargar el productos sólidos a través de la parte frontal. Por medio de la tasa de alimentación y la velocidad de rotación, uno fue capaz de controlar el tiempo de residencia. Los autores buscaron condiciones que permitieron un movimiento de balanceo de las partículas. Se realizaron pruebas con la velocidad de rotación de 2-7 rpm y se concluyó que los valores más altos dieron lugar a comportamientos preferidos. Los experimentos se llevaron a cabo bajo condiciones de estado estable. El horno rotatorio se precalentó primero sobre 1,5-2 h. Entonces, los autores llevaron a cabo experimentos típicos de 30 min con una tasa de flujo de partículas reactivo constante. A partir de un balance de masas, se encontró que algunos de los medios de Fed se ha perdido. Parte de ello se mantuvo en el reactor y la otra parte se fue a través de la aper- tura El reactor sufrió un cierto choque térmico que autores descrito como no hay campañas graves y experimentales no eran afectado. Los grados de calcinación obtenidos superaron el 98% y el temperaturas reportadas en el horno eran hasta 1400K ( Meier et al., 2004 ). Autores emplear la tasa de entalpía de reacción de CaO a 298 K a la potencia solar que llega al reactor para calcular el solar a la eficiencia química. Los valores típicos eran 13% con una máximo de 20%. Para aumentar la eficiencia, los autores propusieron recuperar parcialmente el calor sensible de los productos y para mejorar el aislamiento. Sin embargo, encontraron que alrededor de 50% de la solar entrada de alimentación era no contabilizada. fuentes probables de tales desconocida las pérdidas de calor podrían ser la convección libre y polvo calcinado caliente leav- ing el reactor a través de la abertura. El poder calcinado tenía blanco color y forma una nube alrededor de la abertura reactor que reflejado y absorbido una parte significativa de la energía solar. A evitar esto, los autores propusieron una rotativo multi-tubo calentado indirectamente horno en un trabajo posterior ( Meier et al., 2005a, 2006 ). Consistía en varios tubos dentro de la cual se alimentó el reaccionante. Estos tubos eran distribuido alrededor de la pared de una cavidad cilíndrica. El reac10-kW tor trabajó en el mismo rango de temperatura que el otro y podría tratar de 4 kg / h de partículas de piedra caliza. El reactor alcanzó una eficiencia del 30-35%. Los autores propusieron la ampliación en 0,5, 3 y 20 MW ( Meier et al., 2006 ) Y se estima que el costo de la producción de cal solar alrededor de 2-3 veces el precio de convencional Lima.

3. Esquema de horno rotatorio de la Flamant. Consiste en un tambor refractario inclinado, y la capa de aislamiento y una carcasa de agua enfriada. La radiación se concentró en el frentelado del horno ( Flamant et al., 1980 ) Después de varios estudios sobre el almacenamiento termoquímico basan en pares redox de cobalto, DLR adaptados un horno rotatorio para realizar la proCess bajo concentrar la energía solar ( Neises et al., 2012 ). Ellos destacó que, de esta manera, el material de almacenamiento era directamente calentado por la radiación solar y una buena mezcla de las partículas haría garantía de una distribución homogénea de la temperatura durante el paso endotérmico. El concepto propuesto por Neises et al. (2012) debe ir acompañada de otras partes de la instalación para llevar a cabo la recuperación de calor de sol. El horno rotatorio original fue diseñado más de una década antes y fue probado para la desintoxicación de materiales peligrosos y el reciclaje de aluminio ( Funken et al., 1999; Glasmacher- Remberg et al., 2001 ). La Fig. 4 muestra un esquema del dispositivo cuando se emplea para reciclar aluminio. el higueras ure fue tomada de Alexopoulos et al. (2015) . Consistía en una horno de crisol de aislamiento hecha de carburo de silicio (0,4 m de longitud y 0,2 m de diámetro), que se colocó dentro de un metálicos aislados vivienda girado por un motor. La radiación solar entró en el horno de crisol a través de la abertura, que tenía un diámetro de 0,08 m. En una campaña experimental en el horno solar DLR, autores estima que el 70% de la radiación se concentra entró en el horno. Sugirieron que emplea un concentrador secundario a mejorar la tasa de radiación útil. Se separa de la reactor de apertura por un conducto estrecho que probablemente ayudó a mante- tain que libre de partículas de deposición. El reactor también podría incor- evaluar una ventana de cuarzo en el plano de entrada del secundario concentrador con el fin de trabajar con composiciones ajustables de fase gas dentro de la cámara. En este caso, el gas portador fue intro- ducido detrás de la ventana, lo que ayuda a mantenerlo limpio de las deposiciones así como el concentrador secundario. De manera diferente a la anteriormente prototipos revisados, este horno rotativo opera en modo batch. Mientras que el reactor gira a 20 rpm para el tratamiento de mate- peligrosos

ALS, la velocidad de rotación seleccionada en el almacenamiento termoquímico aplicabilidad ción fue de 6 rpm. Puesto que la velocidad de rotación adecuada depende la cantidad y el tipo de carga, prototipos deben ser versátiles pro- RESPETA con controlador rpm. El reactor fue resultado de la ho- avión izontal por 13 °. Con esta arreglos, sin perjuicio considerable sería de esperar en la acepción de radiación mientras que es posible para aumentar la cantidad de reactivo en la carga. algunos termopares ples estaban en contacto con la pared, mientras que otros se sumergieron en la cama partículas. De esta manera, las temperaturas en diferentes puntos de la se midieron cámara de reacción. Los autores destacaron la necesidad de un buen mezclado de las partículas para mejorar la homogeneidad de la cama y el rendimiento del proceso. Propusieron a operar con altas velocidades de rotación y incluir elementos de agitación en el horno.

4. Esquema del horno rotatorio DLR publicada por Alexopoulos et al. (2015) . Se compone de un crisol aislado, un conducto frontal y un alojamiento. Los autores del presente trabajo desarrollaron un horno rotatorio a estudiar el almacenamiento termoquímica de la energía solar basado en cobre óxidos (CuO / Cu 2 O par termoquímico) ( Alonso et al., 2015 ). Eso consistía en una cavidad de cerámica aislante de 0,058 m de diámetro interior, 0,067 m de diámetro exterior y 0,074 m de longitud, cerrado por una inoxidable esqueleto de acero. El reactor estaba provisto de una solución enfriada de agua ventana de cuarzo de 0,210 m de diámetro y 0,008 m de espesor. sin pendiente fue dado al tambor reactor. El gas portador se inyecta en el reactor por cuatro perforaciones radiales igualmente espaciados a través de un frontal cono que separaba la ventana y la cavidad. Después de pasar el cámara de reacción, gas portador salió de la cavidad a través de un conducto colocado en la parte posterior del reactor. La cavidad de cerámica estaba conectado a un eje y un conjunto de engranajes de modo que era capaz de girar. Las temperaturas en diversos lugares del cuerpo del reactor se midieron con ter- mocouples. Con el fin de medir y registrar las temperaturas a las rotativo partes, que se empleó un dispositivo de adquisición inalámbrico que hace girar junto con el reactor. Un trabajo experimental de CuO

/ Cu 2 Ociclos redox se llevaron a cabo con un caudal de gas de 10 Nl / min y velocidad de rotación de 4 rpm. La instalación de horno solar de hosier Se empleó IER-UNAM. CuO se redujo primero en argón y con- se lograron versiones alrededor de 80%. Entonces, la reducción-oxidación ciclos se realizaron en presencia de aire, que desfavorecía la tasa de conversión. Los resultados indicaron que CuO / Cu 2 O ciclabilidad erafactible, pero una optimización del funcionamiento del reactor rotatorio param etros se requería. Paralelamente a los estudios sobre termoquímica DE ALMACENAJE la edad, los autores dedicada a analizar el concepto de reactor solar y modo de operación. Una etapa de instrucción dirigida a com- pare el dispositivo giratorio con una estática se llevó a cabo. Para tal un trabajo de comparación, se empleó el reactor solar descrito. Si el engranaje de accionamiento se ha desactivado la cámara de reacción se mantuvo estática. La Fig. 5 muestra una fotografía del reactor solar y un boceto donde partes giratorias están resaltados en rojo. Tenga en cuenta que estas partes no lo hacen girar cuando se trabaja en el modo estacionario. En el caso de experimentos estacionarios, muestra fue dispuesta en una lecho de relleno mediante el uso de una varilla hecha de alúmina sintético (0,014 m diámetro interno, 0,025 M de longitud) como soporte de la muestra. Tal disposición fue seleccionada para este propósito comparativo porque se ha empleado en varias obras anteriores. Facilita la medi- surement de parámetros de reacción, tales como temperatura de reacción, o la evaluación de la interacción entre los reactivos y la radiación ( Alonso y Romero, 2015b ). Con esta disposición, también es posible desarrollar análisis paramétrico y los estudios cinéticos ( Alonso et al., 2013; Moller y Palumbo, 2001; Schunk y Steinfeld, 2009 ). A comparar los comportamientos rotativos y estáticos, el reactor solar era oper- ado con y sin conectar el engranaje, bajo el mismo de obra condiciones ing (10 g de reactivo, 10 Nl / min de argón como gas portador), en el horno solar IER-UNAM. La velocidad de rotación establecido para rotatoria modo fue de 4 rpm. Las reducciones de dos óxidos diferentes, Mn 2 O 3 (pow-der, 99,9% -325 de malla de Sigma Aldrich) en Mn 3 O 4 y CuO(98% de polvo, <10 μ m, de Sigma Aldrich) en Cu 2 O eran per- formado. La Fig. 6 muestra los dos tipos de muestras (el material en la imagen). preparado para ser introducido en el reactor. A fin de que seguir el progreso de las reducciones, la concentración de oxígeno se midió a la salida del reactor. Las observaciones cualitativas basadas en el cambio físico de la muestras mostraron que el modo de rotación conduce a mejores resultados en términos de conversión de reactante. La Fig. 7 compara el aspecto de lamuestras consideradas en la Fig. 6 después de ser tratado. en estacionariamodo, un cambio de color sólo se observó en la capa delantera de la muestra (orientada hacia la radiación). En esa región, una par- cial reducción se llevó a cabo y el material también había un poco derretido. UN pequeña cantidad de cobre metálico también se encontró en la parte delantera, indi- Cating una segunda

reducción de Cu 2 O a Cu. Sin embargo, el medioy la parte trasera de la muestra no había sido convertido porque el temperatura en esas regiones no alcanzó la tempera- reacción tura El límite que separa la parte reducida de la inac- región tiva se observa claramente en la imagen de la derecha de la Fig. 7 a. Todas Estos hallazgos fueron corroborados por análisis XRD. La medida- ment de oxígeno suministrado indicó que la fracción de convertido CuO era sólo el 16%. Sin embargo, en el modo de rotación, la transferencia de calor entre las fases de gas y sólidos se ha mejorado y la partícula temperatura era homogénea. Por otra parte, el movimiento de las partículas ayudado a disminuir su sinterización y fusión ( Neises et al., 2012 ). De este modo, se logró el 80% de conversión, como se ha indicado antes, para la reducción de CuO. En la Fig. 7 b, se observa cómo el material tiene adoptado un color cercano al rojo de Cu 2 O. Aunque algunas partículasfueron ligeramente adherido a la pared del reactor, ni fusión ni sinter- Se detectó ing. A continuación, el producto sólido puede ser completamente recuperado de la cámara de reacción. Las partículas habían formado pequeñas esferas o bolas con un rango de diámetro de aproximadamente 0,5-3 mm. La mayoría de ellos presentó una compactación débil, por lo que el original consistencia de las partículas podría ser restaurado con una pequeña compresión. Estudios sobre óxidos de manganeso también determinaron un mejor perforMance del modo de horno rotatorio. Debido a la tem- transición inferior Ature de este caso (temperatura de transición teórico es 900 ° C como en comparación con los 1.120 ° C para CuO), Mn 2 O 3 muestras eran casitotalmente convertida en ambos modos de funcionamiento. Sin embargo, el tratamiento tiempo requerido para experimentos estacionarias fue cuatro veces mayor que el uno para el modo rotatorio. Sammouda et al. (1999) presentó un estudio muy completo sobre una horno rotatorio solar empleado como una caldera de arena. Su esfuerzo principal era puesto en el desarrollo de un modelo de transferencia de calor precisa de entender los fenómenos específicos que tienen lugar en el interior del horno. El modelo fue validado por la demostración experimental que se llevó a cabo en el horno solar 1 MW de Odeillo (Francia). El horno rotatorio era concebido para calentar la arena que se empleó además para calentar el aire por el uso de un intercambiador de calor. El tipo de arena era de cuarzo oscuro para para favorecer la absorción de la radiación solar. El horno se cerró una cavidad con una abertura que sirve como entrada para la radiación solar y como salida para la arena caliente. La cavidad se constituyó con refractario fibras. El reactor fue de 1,20 m de longitud y 0,64 m de diámetro (ver Fig. 2 ). Se hace girar alrededor del eje longitudinal y puede ser inclinado con relación a la horizontal. enfría un circuito de agua de la cara externa del horno. En la campaña experimental que los autores llevaron a cabo para validar su modelo numérico, que anal- ysed la influencia de los parámetros de funcionamiento de la tem- axial perfiles peratura de sólido: velocidad de rotación, velocidad de flujo de masa de arena

(410, 550, 600 kg / h), el ángulo de inclinación (5-8 °) y la radiación solar (141, 160 kW). Para la medición de la temperatura, un pirómetro óptico se utilizó. Los autores notificaron a la imposibilidad de paredes que miden temperatura debido a la forma geométrica del horno y porque la presencia de radiación concentrada no permite colocar instrumentos en el interior del horno. El empleo de termopares No se informó.

Fig. 5. (a) Fotografía del reactor solar giratorio instalado en la zona focal del horno solar (circuito de refrigeración ventana eliminado). (b) Esquema del reactor solar con rotativopartes marcadas en rojo. (Para la interpretación de las referencias a color en esta leyenda de la figura, se remite al lector a la versión web de este artículo)

Fig. 6. Las muestras de CuO preparado para ser introducido en el reactor solar: muestra de embalado para ser utilizado en el modo de trabajo estática y muestra de polvo para ser utilizado directamente debajomodo de trabajo rotativo.

Fig. 7. (a) Diferentes vistas de la muestra rellena correspondiente a la Fig. 6 después del tratamiento térmico. (b) muestra de polvo de la Fig. 6 después del tratamiento térmico. Tenga en cuenta que es negroel color típico de CuO y rojo-marrón de Cu 2 O

Un tipo diferente de reactor rotatorio solar ha sido considerado en La ISP y dos prototipos diferentes se han construido en el base del mismo concepto. Fueron desarrollados para el ter- solar mal disociación de ZnO (sólido) en Zn (gas) y O 2 (gas). En una pre-vious trabajo de revisión se puede encontrar un resumen completo de la Roca ( Haueter et al., 1999; Palumbo et al., 2004 ) y Zirrus ( Müller et al, 2006., 2008; Schunk et al., 2008, 2009 reactores) con- concepción, diseño, pruebas y mejora ( Alonso y Romero, 2015A ). Aquí, el objetivo es comparar el concepto ideado por investigadores de la ISP con otros hornos giratorios encontrados en la literatura. En De hecho, el concepto PSI tiene elementos comunes con otros solar revisado horno rotatorio: un tambor giratorio que se puede considerar como una cavidad donde la radiación entra y calienta los reactivos. Sin embargo, la atención debe ser llevado a diferencias importantes: reactores solares El PSI incluyen una ventana de cuarzo refrigerado por agua que permite que opera bajo atmósferas controladas. En esto Así, los procesos que necesitan atmósferas particulares pueden ser estu- IED, que se extiende el campo de aplicación de estos reactores. El ganador- dow se mantiene fresco y claro de las partículas debido a que la corriente de gas entra en la cavidad de forma tangencial a la ventana. el control de la atmósfera del reactor, la composición del gas puede ser analizado en la salida. un parámetro de este tipo puede ser muy útil para diferentes estudios, por ejemplo, la reacción cinética de evolución o conversión química. Esta característica se ha encontrado en sí, pero no en todos los hornos rotatorios solares. - El movimiento de partículas del lecho, debido a la muy alta velocidad de rotación ( Müller et al. (2008) considera una velocidad angular de120 rpm mientras Schunk et al. (2009) indican un rango de 30-120 rpm), se centrifugación, lo que significa Fr igual o superior a1. El material del lecho gira con la pared del tambor. La misma idea fue encontrado hace muchos años con la cavidad rotatoria solar desa- OpEd por Trombe (1973) . Tenga en cuenta que los hornos rotatorios industriales por lo generaltrabajar con el padre muy por debajo del modo de centrifugación y, probablemente,el modo en cascada también. En el caso de los reactores rotatorios solares PSI, la descomposición de ZnO proceso da lugar únicamente a los productos gaseosos. Eso significa que la capa sólida de los reactivos, que se fija sobre la pared del reactor, se convierte en productos gaseosos

mientras que el reactor se irradia. Tal característica parece encajar bien con una cama de centrifugación movimiento. Debido a la particularidad de la moción cama, porosidad y extinciones Coeficiente ción de la cama partículas desempeñan un papel importante en el el rendimiento del reactor. Los reactivos forman una capa dentro de la cámara de reacción que pro- protege el paredes de la cavidad de choques térmicos. Con esta Organizar- Ment temperaturas cercanas a 2000 K se puede lograr sin dañar la cavidad. - Se dio cuenta de la necesidad de evitar la difusión de aire atmosférico en la cámara de reacción. Con la mejora de proto-PSI tipos, investigaciones presten atención a la utilización de sellos herméticos. Por otra parte, se aplican una pequeña sobrepresión en el interior de la cavidad que evitar que el aire exterior penetre. Schunk et al. (2009) desarrollaron un modelo de transferencia de calor transitoria del calor intercambiado en una versión mejorada del solar Zirrus reactor. Se empezó a utilizar para predecir el comportamiento térmico de a mayor escala reactores rotatorios de diseño equivalente. Teniendo en cuenta la geometría del reactor de 10 kW, dimensiones proporcionales eran considera que escalarla hasta 100 y 1000 kW. El proceso analizado fue la reducción térmica de ZnO en Zn y O 2 . concentración solarrelación ción, la porosidad y coeficiente de extinción se mantuvieron invariable en los tres casos. Se encontró que a mayor el tamaño del reactor mayor es la eficiencia térmica. autores encontró que la eficiencia térmica fue muy vinculada a la temperatura alcanzado en las paredes del reactor. De manera equivalente a lo informado acerca los reactores mostraron antes, la principal fuente de pérdidas de calor era volver a radiación a través de la abertura. Además, los autores sugirieron objeto de reembolso ing el calor sensible perdido con los productos. Zirrus reactor ha sido escala hasta 100 kW y que ha sido probado con éxito para el reducción térmica ZnO en el horno solar de Odeillo (Francia) ( Koepf et al., 2015 ). velocidades de disociación de ZnO tan altas como 28 g / min eran logrado Otros hornos rotatorios solares han sido reportados en la literatura. En el Plataforma Solar de Almería (PSA), fue construido un rotativo dispositivo provisto de una ventana de cuarzo para estudiar el trata- térmica ción de los desechos de las minas de mercurio por irradiación directa a temperaturas de 200 a 700 ° C ( Navarro et al., 2014 ). Los experimentos aeliminar minerales de Hg de los suelos y se llevaron a cabo los residuos mineros bajo radiación global de aproximadamente 800 W / m 2 con un Expo-Seguro de tiempo de entre 120 y 300 min. Los resultados mostraron que valores más bajos de mercurio en las muestras tratadas se obtuvieron a una mayor temperatura y tiempo de exposición CNRS-PROMES informó el diseño y la construcción de un labo- ratorio escala horno rotatorio solar. Consistía en una cavidad giratoria (diam- eternos 0,06 m, longitud 0,05 m) con un 0,012 m en diámetro de abertura ( Abanades et al., 2007 ). Se empleó Este pequeño reactor solar para el ensayo de la reducción de ZnO en Zn metálico y su diseño incluido un sistema de alimentación mediante el tornillo de Arquímedes. El gas- eous Zn se condensó y se recogió en un filtro. el reactor trabajado bajo presión reducida lo que ayuda a los óxidos metálicos reducciones térmicas. Una ventana semiesférica se empleó para facilitar el trabajo con presión reducida y para mantener la ventana lejos del foco de radiación. Los esfuerzos se realizaron para determinar la mejor geometría y el material

de la cavidad rotatoria. Ellos cilindros con empleo de alúmina rodeadas por una junta de diferente materiales y formas (por Chambon et al., 2010 ). Ellos buscaronevitando problemas materiales como de fusión, formación de grietas y para mejorar la ruta de corriente de gas. El diseño de la cavidad seleccionada, finalmente, fue un alu- tubo de mina encapsulado en un aislamiento altamente eficiente (conductivi- dad de 0,18 W / m K a 1000 ° C) Tabla 1 resume los principales características de horno rotatorio solar prototipos. Nótese que los poderes del reactor y la máxima eficiencia No podría compararse directamente debido a consideraciones diferentes autores Ered diferentes definiciones de ellos. La temperatura máxima se refiere a partícula temperatura máxima y el ángulo de pendiente era con- sidered positivo cuando la parte trasera del reactor fue mayor que la abertura del reactor. 4.3.

Principales conclusiones y limitaciones de hornos rotatorios solares