Javier Licurgo Pedraza

Tutor: Carlos Alberto Pérez Rábago

Abstract

El estudio de los procesos termoquímicos solares va de la mano del conocimiento de los sistemas de alta concentración solar, junto con el diseño de reactores químicos que permitan evaluar dichos procesos. Estos procesos termoquímicos están destinados a dos campos de aplicación: el almacenamiento de energía y la producción de combustibles solares como el hidrógeno. En particular los procesos termoquímicos basados en ciclos de reducción-oxidación de óxidos metálicos, tienen lugar en ambos campos de aplicación. El presente trabajo tiene por objetivo caracterizar un reactor químico solar de tipo rotativo. Dicha caracterización se realizó por la vía experimental y fue probado en las instalaciones del Horno Solar del Instituto de Energías Renovables de la UNAM. Se presentan los resultados de la caracterización térmica, tiempos de residencia y conversión química del reactor.

Para la caracterización térmica se diseñó un experimento con una muestra de grafito, el cual se colocó al interior del RR-HoSIER en una atmósfera inerte. Las pruebas consistieron en irradiar la muestra a una potencia constante hasta alcanzar un estado estable. Con esta prueba se calculó una eficiencia térmica sin conversión química la cual fue de aproximadamente 18%. Cabe resaltar que las condiciones experimentales para estas pruebas sirvieron como base experimental para incursionar en la medición de temperatura en entorno de alta concentración solar por métodos indirectos, en este caso mediante termografía. Sin embargo el área de medición de temperaturas en ambientes de alta concentración solar es un campo de estudio en desarrollo y un análisis en extenso de estas técnicas quedan fuera de los alcances del presente trabajo.

Dentro de la caracterización térmica incluye pruebas de máxima temperatura alcanzada en el interior del reactor. En este caso para inferir dicha temperatura se llevó a cabo una prueba destructiva. Para la prueba se colocó al interior del reactor una muestra de tungsteno montado en una placa de grafito, éste último sirvió como crisol. En presencia de una atmósfera inerte, la muestra se irradió con radiación solar concentrada. Los resultados obtenidos fueron la fundición de tungsteno a una temperatura aproximada de 3680 K, sin llegar a fundir el grafito lo cual ocurre a una temperatura aproximada de 3800 K. Con los resultados obtenidos de dichas pruebas se infiere que las temperaturas máximas alcanzadas en el reactor están en éste rango de temperatura.

La caracterización de tiempos de residencia, sirve para determinar el comportamiento que tiene el flujo de gases al interior del reactor, para poder compararlo con los modelos de flujo ideal, en este caso se busca comparar con un modelo ideal de flujo pistón. Los modelos de flujo ideal se ajustan a modelos ideales de cinética de reacciones químicas lo cual sirve para extender un análisis de las reacciones químicas que ocurren dentro de un reactor. Existe un parámetro adimensional que determina la dispersión que tiene un gas en interacción con un gas de arrastre. Para un flujo pistón el parámetro de dispersión D/uL es menor a 0.001. Para las pruebas con el reactor se introdujo un flujo continuo de argón como gas de arrastre. A manera de trazador, se inyectó un pulso súbito e instantáneo de oxígeno. Con un analizador de oxígeno se midió la concentración de la mezcla de gases a la salida del reactor. De las pruebas se calculó un parámetro de dispersión D/uL = 0.08, lo cual indica que el reactor no se ajusta al modelo de flujo pistón. Para el caso del RR-HoSIER que no se ajusta al modelo ideal de flujo pistón complica realizar estudio de cinética de reacciones, por tal razón se proponen trabajos futuros para mejorar el desempeño RTD del reactor.

La caracterización química del reactor que se presenta en este trabajo se enfoca en pruebas de reducción-oxidación de óxido de cobre. Cabe mencionar que los estudios se enfocan más para aplicaciones de almacenamiento termoquímico que para producción de hidrógeno. Como se mencionó anteriormente el reactor es de tipo rotativo, es decir que el crisol donde se llevan a cabo las reacciones químicas puede girar. Sin embargo se realizaron pruebas que permitieran comparar la operación del reactor en modo estático y en modo rotativo en una atmósfera de gas argón, ambas pruebas se realizaron con 10 gramos de óxido de cobre. Para las pruebas en estático se introdujo en el reactor una probeta de alúmina con el óxido empaquetado en su interior y no se hizo girar al reactor. Para las pruebas en rotativo, el óxido se colocó en el crisol y se hizo rotar. De los resultados se obtuvieron conversiones químicas de 13% en estático y de 80% en rotativo. También se lograron resultados satisfactorios de reducción de óxido de cobre en aire y se pudieron completar ciclos de reducción-oxidación también en presencia de aire.

Instrumentación y caracterización de un reactor rotativo para el estudio de ciclos termoquímicos, para el estudio de óxidos metálicos no volátiles

Publicado en Tesis

Irving Cruz Robles

Tutor: Dr. Claudio A. Estrada Gasca

Abstract

En este trabajo se llevó a cabo la evaluación de un receptor calorimétrico de placa plana mediante una serie de pruebas experimentales realizadas en el Horno Solar del Instituto de Energías Renovables (HoSIER), perteneciente al Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LACYQS). El dispositivo se basó en el calorímetro diseñado particularmente para el Campo Experimental de Torre Central (CEToC), el cual es parte de LACYQS y se ubica en Hermosillo, Sonora. La singularidad de este diseño contra otros dispositivos calorimétricos fue la integración de aletas al interior. No obstante y a pesar de que se respetaron las principales relaciones internas de superficie, el receptor se escaló y se modificó para adaptarlo al sistema óptico del HoSIER. El dispositivo se construyó, instrumentó y puso en operación para las campañas de experimentación.

Para evaluar el desempeño del receptor calorimétrico se estableció como principal propósito conocer su eficiencia global. Este indicador fue estimado a partir de un sencillo pero útil análisis estadístico de los resultados experimentales. Se abarcaron todas las condiciones de operación empleadas, estas fueron: flujos másicos de agua de 4, 6 y 8 litros por minuto, y 6 aperturas graduales en el mecanismo de atenuación del sistema concentrador, consiguiendo así una variación en la potencia incidente en cada caso. Para la primera serie de pruebas realizadas se mantuvo intacto el tratamiento de sandblasteado en la superficie externa del receptor, así se obtuvo una eficiencia del 55 % con una desviación estándar del ± 3 %; en una segunda fase del trabajo se aplicó un recubrimiento de Zynolite a la superficie logrando que este parámetro llegara a un valor de 95 % ± 2 %.

Se trabajaron los datos experimentales para generar un conjunto de graficas paramétricas, estas permiten visualizar con facilidad el comportamiento térmico del dispositivo. En ellas se compara la potencia incidente en la superficie del receptor, la diferencia de temperatura a la entrada y salida del flujo, la temperatura promedio de placa y las condiciones de gasto volumétrico, en ambos acabados superficiales.

Un tema fundamental de este trabajo es el análisis del desempeño de la superficie interna aleteada. Por ello dentro del marco teórico desarrollado se establecieron parámetros para evaluarla, estos fueron: la efectividad de la aleta, la eficacia de la superficie y la eficiencia total de la superficie interna. Para las condiciones operativas el primero tuvo un rango que va de 6.2 a 9.6, el segundo de 1.59 a 1.99 y el tercero de 0.54 a 0.69, esto obedece a que son variables dependientes del coeficiente promedio de transferencia de calor, a su vez este último depende de las condiciones experimentales como se expresa en la ecuación para calcularlo obtenida por calorimetría. Estos resultados indican que la base teórica es correcta al utilizar un modelo unidimensional para la transferencia de calor en aletas; que resulta positivo adherir aletas al interior del receptor; y que es posible optimizar geométricamente las relaciones de superficie interna para incrementar el flujo de calor.

Otro tema cubierto es el transitorio de calentamiento tanto de la placa receptora como del flujo másico del agua. El modelo analítico propuesto en el marco teórico se comparó con los datos experimentales obteniendo resultados satisfactorios; se acoplaron apropiadamente ambas curvas en los casos estudiados. No obstante se señala que durante el proceso de calentamiento el coeficiente promedio de transferencia de calor se modifica temporalmente, variando así los tiempos característicos que determinan las pendientes de la curva.

La eficacia de la superficie es un parámetro importante porque describe una razón entre el flujo de calor a través de una superficie aleteada y una sin aletas con la misma área de base; su estimación corresponde a dos dispositivos que operan bajo el mismo coeficiente promedio de transferencia de calor. Sin embargo, bajo condiciones experimentales similares no es físicamente posible que esto ocurra para dispositivos con distinta geometría interna, y como se explica en el análisis de resultados, la diferencia impacta significativamente en la temperatura promedio de placa, siendo esta última el motivo por el cual se plantea este tipo de diseño.

Para valorar lo anterior se trabajó un modelo computacional sobre la plataforma de ANSYS FLUENT, adaptando la geometría del receptor calorimétrico. La primera acción fue comparar los resultados generales de una serie de simulaciones contra los datos experimentales, para ello se programaron las condiciones de potencia y flujo utilizadas en las pruebas reales; las aproximaciones fueron razonables permitiendo validar el modelo empleado. Después de esto, se compararon bajo condiciones similares los resultados numéricos de ANSYS FLUENT con geometrías internas distintas, el calorímetro original contra uno similar pero sin aletas, el resultado fue una tendencia creciente en la diferencia de temperatura promedio de la placa receptora en función de la potencia absorbida, confirmando el planteamiento establecido en el análisis de resultados.

El propósito de este proyecto radica en la validación del modelo de ANSYS FLUENT empleado para evaluar el receptor calorimétrico diseñado acorde a las características del CEToC. Con base en el conjunto de trabajos experimentales y computacionales llevados a cabo dentro de esta tesis es posible afirmar la eficacia de este modelo. Así mismo, se ratifica que la integración de aletas optimiza el desempeño térmico de un receptor de placa plana, siendo este el propósito del diseño. Por último, se presentan las consideraciones operativas observadas que sirven como referente para la operación de dispositivos del mismo tipo.

Estudio experimental de un receptor calorimétrico a escala para un sistema de torre central

Publicado en Tesis

Ricardo Pérez Enciso

Tutor: Carlos A. Pérez-Rábago

Abstract

En este trabajo de investigación, se implementó, caracterizó y analizó teórica y experimentalmente, un generador de efecto termoeléctrico en un concentrador solar de foco puntual, denominado DEFRAC (Dispositivo Experimental de Flujos Radiativos Altamente Concentrados). La intención de la implementación del dispositivo termoeléctrico en el sistema de concentración solar, fue la de aprovechar la versatilidad que brindan estos dispositivos de funcionar obteniendo el calor de diversas fuentes térmicas, como por ejemplo: el calor de desecho de un equipo, sistema o proceso, el calor producido por la quema de algún combustible o el calor proveniente de un sistema de concentración solar. Para este trabajo se utilizó un dispositivo termoeléctrico funcionando con efecto Seebeck para la generación de potencia eléctrica a través de una diferencia de temperaturas entre sus caras. Esta diferencia de temperaturas se logró usando como fuente de calor resistencias eléctricas o un sistema de concentración solar y como sistema de refrigeración, un calorímetro de placa plana, que para este trabajo se llamo intercambiador de calor de placa plana (ICPP). Con este arreglo se logró obtener una cara caliente y otra fría en el dispositivo termoeléctrico.

Para conocer el comportamiento del dispositivo termoeléctrico en el sistema de concentración solar, primero se modeló la distribución de la radiación solar concentrada sobre la placa receptora del sistema de generación eléctrica, usando el método de trazado de rayos con el código CIRCE2 y TONALLI. Con esa modelación, se encontró que la distancia óptima del plano de la placa receptora del sistema de generación eléctrica, con la que se obtuvo una distribución uniforme de radiación solar concentrada en un spot (mancha) solar de 3 cm de diámetro, fue de 1.70 m, siempre y cuando se orienten los espejos hacia el centro del receptor. Esta modelación de distribución de radiación solar concentrada, se corroboró con los resultados de los experimentos, por medio de imágenes CCD del spot solar reflejado sobre la placa receptora y se encontró una desviación menor a 2 %.

Para estimar las temperaturas que se alcanzarían en las placas de cobre del sistema de generación eléctrica, se desarrollo un programa del fenómeno de la transferencia de calor, usando MatLab, con el que se obtuvieron valores de temperatura en la cara caliente del dispositivo termoeléctrico de 514 K y en la cara fría de 360 K. Por otro lado se hizo una modelación del fenómeno de transferencia de calor con un software comercial especializado en la simulación de este tipo de fenómenos (FLUENT), en el que se pudo desarrollar un modelo de la transferencia de calor por conducción y del comportamiento del fluido de refrigeración dentro del ICPP del sistema de generación eléctrica y se obtuvieron valores de temperatura en la cara caliente del dispositivo termoeléctrico de 498.9 K y en la cara fría de 348.7 K.

Para caracterizar el sistema de generación eléctrica, se diseñó una campaña experimental con la que se logró reproducir el comportamiento del dispositivo termoeléctrico, como el reportado en trabajos similares realizados con anterioridad [Palacios, 1998] [Rowe, 1998], en los que se describe que se tiene una relación lineal en la curva voltaje-corriente. Por otro lado, las eficiencias más altas del dispositivo termoeléctrico fueron de 2.7% con una generación de potencia eléctrica máxima de 3 W, mientras que el sistema de generación eléctrica tuvo una eficiencia de 1.5% para potencias de entrada aproximadas a los 200 W, usando solo 3 espejos del DEFRAC.

Integración de un generador de efecto termoeléctrico en un concentrador de foco puntual (DEFRAC)

Publicado en Tesis

David Marroquín García

Tutor: Dr. Camilo A. Arancibia Bulnes

Abstract

Sin resumen en la tesis

Sistema de control para un conjunto de helióstatos

Publicado en Tesis

Manuel Ignacio Peña Cruz

Tutor: Camilo A. Arancibia Bulnes

Abstract

A lo largo de este documento se presenta en detalle la caracterización óptica de un sistema de concentración solar de Torre Central. Se presenta una breve introducción de la tecnología solar así como de sus características, se enfoca en los componentes que la conforman y principalmente en la caracterización óptica de los sistemas reflectores tipo helióstato, analizando sus errores en seguimiento y proyección solar a través de algoritmos de evaluación y mediante un método conocido como deflectometría o proyección de franjas.

Caracterización de helióstatos por el método de proyección de imágenes

Publicado en Tesis

Jorge Mondragón Robles

Tutor: Dr. Jesús Fernando Hinojosa Palafox

Abstract

Una forma de aprovechar la energía solar es convertirla en energía térmica a alta temperatura mediante dispositivos de concentración solar. Los sistemas de torre central se utilizan para la producción de electricidad a partir de la radiación solar concentrada por grandes espejos planos (helióstatos). Un receptor colocado en la parte superior de la torre transfiere la energía solar a un fluido para su posterior aprovechamiento. En este trabajo se realiza un estudio numérico de la convección natural y forzada en régimen turbulento en el receptor de un sistema termosolar de torre central, el receptor rectangular de cavidad tiene dimensiones de 1 m x 2 m x 2 m, donde la pared opuesta a la abertura se mantiene a una temperatura uniforme y constante. Se analizaron 7 temperaturas de esta pared del receptor: 400, 500, 600, 700, 800, 900 y 1000 K. Para el caso donde se toma en cuenta la convección forzada se consideraron dos corrientes de aire por separado, una con orientación perpendicular a la abertura y dos velocidades de viento de 5 y 10 m/s; otra con orientación paralela a la abertura y mismas dos velocidades. Se reportan los campos de temperatura, patrones de flujo y el análisis de la transferencia de calor.

Para la solución del problema físico planteado se hace uso del programa de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) Fluent, el cual hace uso del método numérico de volumen finito para la solución de las ecuaciones de conservación. Se utilizó el algoritmo SIMPLE para calcular la presión y la velocidad secuencialmente. Para la discretización de los términos advectivos de las ecuaciones de conservación y turbulencia se hace uso del esquema upwind de segundo orden, y para el término de presión el PRESTO.

Una vez aproximada la solución de estas ecuaciones, se encuentra que el espesor de las capas límites térmicas e hidrodinámicas para convección natural aumentan conforme disminuye el número de Rayleigh. También se reporta la aparición de un plano de simetría para los casos de convección natural y de convección combinada (natural y forzada) con una corriente perpendicular a la abertura. El tomar en cuenta la convección forzada afecta notablemente tanto la distribución de los patrones de flujo como el campo de temperatura dentro de la cavidad.

Por otro lado también destacan los resultados sobre el análisis de la transferencia de calor, en los que se aprecia como el número de Nusselt aumenta con el incremento del número de Rayleigh y de Reynolds. El caso en el que solo se considera convección natural reporta las menores pérdidas de calor siendo de 18.73 kW para un Ra=1.61x1010 (TH=1000 K) y de 2.07 kW para Ra=3.58 x1010 (TH=400 K), en comparación de las más altas registradas para el caso de convección combinada con orientación de viento perpendicular a la abertura y Re=1.26x106 (10 m/s) que son de 31.80 kW para un Ra=1.61x1010 (TH=1000 K) y de 6.25 kW para Ra=3.58 x1010 (TH=400 K), es decir se da un incremento de 70% y 202% respectivamente

Estudio numérico de la transferencia de calor en el receptor de un sistema termosolar de torre central

Publicado en Tesis

Cuitlahuac Iriarte Cornejo

Tutor: Dr. Rafael E. Cabanillas López

Abstract

En una planta de concentración solar para generación de energía eléctrica del tipo torre central, se requiere de un gran conocimiento de la trayectoria solar y por supuesto de un cálculo muy preciso de la misma. Lo anterior debido a que el equipo requerido para realizar la concentración solar denominado Helióstato para su correcta operación requiere precisiones de alrededor de 0.1 grados o menores de arco angular. Sin embargo, la complejidad del problema no solo radica en la precisión necesaria, también requiere que el sistema sea implementado a un bajo costo debido a que un planta regularmente cuenta con miles de helióstatos. Para poder alcanzar estos requerimientos es necesaria la instalación de sensores de posición, monitoreo de variables ambientales, un sistema de retroalimentación por visión artificial, y un trabajo extenso en el desarrollo del software de control para el procesamiento de toda esa información y la toma de decisiones. Esto implica toda una gama de problemáticas a resolver, desde la adquisición de datos ambientales, control de motores de potencia, alineamiento de mecanismos, cálculos vectoriales de posición solar y heliostático, así como de procesamiento de imágenes para retroalimentación de imagen solar.

En el presente trabajo de tesis se muestra un esquema completo y bastante específico de solución a muchos de los problemas presentados en la automatización de una planta de torre central, así como de las variables necesarias para la correcta operación de los helióstatos. Además, se presenta un esquema de retroalimentación fuera de línea (offline) que cumple con los requerimientos para mantener una eficiencia del 100% en el funcionamiento de helióstatos, compensando el problema de “deriva” de imagen solar, al menos por 7 días continuos de operación.

El sistema de control del Campo de Pruebas de Helióstatos está en funcionamiento en la ciudad de Hermosillo, Sonora. Es un proyecto de investigación solar creado por el Centro de Investigación en Energía (CIE) y la Universidad de Sonora(UNISON).

Automatización de sistema de control para campo de helióstatos

Publicado en Tesis

María Militza Rosales Valles

Tutor: Dr. Camilo A. Arancibia Bulnes

Abstract

Un helióstato dentro de la tecnología de torre central es el dispositivo encargado de recibir y concentrar la radiación solar en un receptor. En Hermosillo, Sonora, México la UNAM en colaboración con la UNISON están desarrollando el Campo Experimental de Torre Central (CEToC), parte de las actividades que ahí se realizan se orientan al análisis del diseño, construcción, evaluación y caracterización de nuevos prototipos de helióstatos. La búsqueda de mejoras a los prototipos de helióstatos existentes en el CEToC se encamina a la optimización de su operación y abaratamiento de su manufactura. El presente trabajo describe el desarrollo de un prototipo de helióstato de 37.44 m2. Entre las mejoras incorporadas al presente diseño está una configuración de facetas en herradura, para que el helióstato sea abatible y disminuir así el ensuciamiento por polvo en el área reflejante; peso aligerado, a través de la reducción del espesor del vidrio y el consecuente aligeramiento estructural; un cabezal más barato y preciso, así como más ligero. Se simularon distintas formas de superficie para las facetas, esto para evaluar el desempeño de concentración de este sistema óptico, de esta manera se observó la factibilidad de aumentar la concentración propiciando la deformación de facetas, siempre y cuando éstas sean de los helióstatos cercanos a la torre. El criterio de diseño del nuevo marco estructural se rigió por la selección de componentes de dimensiones comerciales, evitando desperdicio de material y aminorando el trabajo de manufactura. Se simuló el comportamiento mecánico estructural del nuevo prototipo, de este análisis se deduce que el modelo carece de rigidez, y por tanto presenta grandes desplazamientos y deformaciones. Dichas características son indeseables en un concentrador óptico pues la calidad de la imagen que reflejan es deficiente. El nuevo helióstato se instaló en el CEToC, en donde se llevaron a cabo diversas pruebas para evaluar el desempeño global del prototipo. Estas pruebas fueron: mancha solar formada por el helióstato, reflexión de franjas, medición de la deformación de la estructura. Finalmente, se discuten los resultados de estas pruebas y se formulan conclusiones recomendaciones para trabajo futuro.

Diseño, Puesta en operación y Evaluación de un Helióstato con facetas Deformables

Publicado en Tesis

Víctor Manuel Maytorena Soria

Tutor: Dr. Jesús Fernando Hinojosa Palafox

Abstract

El estudio de la transferencia de calor en cavidades abiertas es un tema de gran interés por sus aplicaciones en varios campos de la ingeniería térmica como: diseño térmico de receptores en sistemas termosolares, enfriamiento de dispositivos electrónicos, construcciones, etc. Entre los mecanismos de transporte de calor en estos sistemas, la convección natural ocupa un lugar importante al estar siempre presente en cavidades abiertas.

Se han reportado en la literatura varios estudios de transferencia de calor en cavidades abiertas que pueden ser clasificados como: numérico, experimental y numérico- experimental. En el presente trabajo se plantea un estudio experimental y numérico de la convección natural turbulenta en una cavidad cúbica abierta considerando la influencia de la radiación.

Se consideraron diferentes flujos de calor constante (75, 150, 300, 450 W) en la pared vertical opuesta a la abertura, mientras que el resto de las paredes se aislaron térmicamente. Se analizó el efecto de la emisividad de las paredes considerando dos casos con emisividades reportadas en la literatura: (a) paredes cubiertas de aluminio pulido (0.05) y (b) las paredes están pintadas de negro (0.9).

Se utilizó el software de dinámica de fluidos computacional FLUENT 6.3 para realizar la simulación de cada caso experimental, se consideraron las propiedades termofísicas variables con la temperatura, se seleccionó el modelo de turbulencia k- y el esquema MUSCL en la discretización de los términos advectivos, el método de Coordenada Discreta para la Solución de la Transferencia de Calor por Radiación y para el acoplamiento de las ecuaciones se implementó el algoritmo SIMPLEC. Una vez obtenida la información numérica se compararon los perfiles de temperatura y coeficientes de transferencia de calor con los datos experimentales, también se muestran
y analizan los campos numéricos de: temperatura, magnitud de la velocidad y viscosidad turbulenta.

El espesor de la capa límite térmica adyacente a la pared caliente, se midió experimentalmente y se calculó mediante CFD, observándose un espesor que varió entre 0.025 m y 0.03 m, dependiendo de la emisividad de las paredes. Con los resultados obtenidos se determinó que los coeficientes de transferencia de calor aumentan con la emisividad y también que las diferencias porcentuales entre los valores experimentales y numéricos de los coeficientes de transferencia de calor y números de Nusselt promedio, aumentaron con la participación de la radiación.

Estudio teórico-experimental de la transferencia de calor conjugada en una cavidad cubica abierta en régimen turbulento

Publicado en Tesis
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Entrevista HoSIER Factor Ciencia Canal Once (14/12/2015)