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Síntesis y caracterización de TaC usando diferentes fuentes de calor y evaluación de sus propiedades ópticas
Yannely Carvajal Campos
Tutor:Dr. Ramón Álvaro Vargas Ortiz, Dra. Laura Guadalupe Ceballos Mendivil
Abstract
Los materiales metálicos, incluyendo las súper aleaciones, han superado su límite en las temperaturas de uso y para contrarrestar este problema es necesario el uso de materiales alternativos, como las cerámica, estas se pueden agrupar en tres grupos principales: cerámicas tradicionales, refractarias y cerámicas avanzadas o de ingeniería. Las cerámicas avanzadas generalmente poseen baja densidad, alta resistencia, alto módulo elástico, alta dureza, buena capacidad para altas temperaturas y excelente estabilidad química y ambiental. Los compuestos cerámicos de alto punto de fusión, superiores a los 3000 °C, como carburos, nitruros y boruros son la base de muchos materiales avanzados. Esta familia de materiales ha llegado a ser conocida como cerámicas de ultra alta temperatura (UHTC's). Algunos de los primeros trabajos sobre este tipo de materiales fueron realizados por la fuerza aérea en las décadas de 1960 y 1970 y desde entonces el trabajo ha continuado ocasionalmente y ha sido financiado principalmente por la NASA, la marina y la fuerza aérea. Dentro de las UHTC's, el carburo de tantalio (TaC) es un excelente candidato para el uso a alta temperatura, debido a su alto punto de fusión (3800 °C), alto módulo elástico(537 GPa), alta dureza (15-19 GPa), superioridad térmica, estabilidad química y buena selectividad espectral. La síntesis de TaC se puede realizar por diversos procesos, los métodos más utilizados son: policondensación, reducción carbotérmica, técnica de prensado en caliente, proceso sol gel, autoclaves, entre otros.
En este trabajo se lleva a cabo la síntesis de TaC por el método de reducción carbotérmica auxiliado por el proceso sol gel, usando fuentes de energía convencionales y energía solar. Además, se analizarán sus propiedades ópticas por UV-Vis-NIR, así como su morfología y estructura mediante DRX, SEM y TEM.
Análisis de la tecnología de horno rotativo para el tratamiento de material granular con radiación solar concentrada
Alessandro Gallo
Tutor: Dra. María Isabel Roldán Serrano, Dra. Elisa Alonso Romero
Abstract
Los receptores de partículas se están estudiando cada vez más en los últimos años con el objetivo de poder almacenar energía a una temperatura superior a las de las sales fundidas que, hoy en día, representan el fluido comercial que trabaja a mayor temperatura (hasta 560 °C) en las centrales de concentración solar. La búsqueda de una mayor temperatura se debe sobre todo a la necesidad de aumentar el rendimiento termodinámico en los ciclos de potencia para la producción de energía eléctrica. Los receptores de partículas se han propuesto, además de para la generación de electricidad, para la realización de procesos térmicos y termoquímicos con radiación solar. Los receptores o reactores rotativos solares son una de las tecnologías que más se están investigando para llevar a cabo una gran variedad de procesos térmicos en un rango de temperatura muy amplio (entre cientos y miles de grados Celsius) y con materiales muy diferentes (chatarra de aluminio, arena, óxidos metálicos, etc.); lo que lleva a condiciones de funcionamiento muy dispares de los prototipos existentes. Debido a la variabilidad de los datos disponibles, a veces contradictorios, la comprensión profunda del comportamiento térmico y fluidodinámico de los receptores solares rotativos sigue siendo un desafío.
En esta tesis se fijó como objetivo analizar la tecnología de receptores rotativos y estudiar el calentamiento del sistema receptor-partículas para aplicaciones térmicas tales como la producción de calor de proceso o el almacenamiento de energía a temperaturas de hasta 750 – 850 °C, así como su posible integración en procesos industriales de alta temperatura.
La metodología empleada se definió a partir de las conclusiones procedentes de estudios bibliográficos iniciales, la cual combinó ensayos experimentales, llevados a cabo con un receptor rotativo a escala de laboratorio con funcionamiento en modo discontinuo, con modelos numéricos, incluyendo un modelo térmico unidimensional, un modelo CFD bidimensional y un modelo analítico para el escalado del receptor.
A nivel experimental se han realizado diferentes ensayos bajo diferentes condiciones: con y sin rotación, con materiales diferentes (receptor vacío, esferas de alúmina y partículas de carburo de silicio) y con fuentes de radiación diferente (un horno solar y un simulador solar). Los ensayos demostraron la capacidad del receptor rotativo vi de absorber energía térmica de forma significativa y calentar material granular hasta más de 800 °C. A través de las simulaciones CFD se pudo apreciar la influencia de la rotación sobre la homogeneización de la distribución de temperatura en el interior del lecho. Además, con el modelo unidimensional se comprobó que, aumentando el número de lotes después del precalentamiento inicial y reduciendo el tiempo de calentamiento de las partículas, es posible aumentar considerablemente la eficiencia del receptor. Para finalizar la modelización del sistema, mediante un escalado de un receptor rotativo solar para plantas de torre con operación en continuo, se estimó que un dispositivo de este tipo puede alcanzar eficiencias superiores al 83%.
Por último, se analizaron diferentes modos de operación para los receptores estudiados y se propusieron dos configuraciones de funcionamiento dependiendo de la aplicación y su demanda energética. En la primera configuración, la planta solar incluía un sistema de almacenamiento térmico, mientras que la segunda consideraba el tratamiento directo del material granular. Estas dos estrategias representan una integración realista de estos dispositivos solares con los procesos industriales actuales, mostrando una aplicación viable de los hornos solares rotatorios.
Sistema de control de gases con mezcla de vapor de agua en un horno de altos flujos radiativos
Eduardo Madrigal Mendez
Tutor: Carlos Alberto Pérez Rábago
Sistema de control de gases con mezcla de vapor de agua en un horno de altos flujos radiativos
Diseño, Construcción y Caracterización de un Calorímetro de Cavidad para la Medición de Flujos Radiativos Concentrados en Sistemas de Concentración Solar
Carlos Alberto Pérez Rábago
Tutor: Claudio A. Estrada Gasca
Abstract
En este trabajo se diseñó, construyó y caracterizó un calorímetro de cavidad cónica, al que se le denomino CAVIRAD, con el propósito de medir el flujo radiativo altamente concentrado, aplicado a sistemas de concentración solar de foco puntual, como Platos/Stirling o Torre Central. Para iniciar con el diseño se realizaron trabajos preliminares para comprender los mecanismos de transferencia de calor y la relación entre la densidad del flujo radiativo incidente y la respuesta térmica que ocurren tanto en un calorímetro como en un radiómetro.
Para el diseño del calorímetro – radiómetro se plantea el problema físico, las consideraciones requeridas para realizar la medición del flujo radiativo concentrado, así como el análisis de las características ópticas y térmicas de la cavidad cónica en función de los parámetros de diseño. Por otra parte, se realizó el análisis de los fenómenos de transferencia de calor que ocurren en el interior del dispositivo.
Se presenta la instrumentación, el montaje, en el concentrador de foco puntual DEFRAC, y la puesta en operación para realizar la caracterización del dispositivo en condiciones definidas de operación. Donde se realizó una campaña experimental de pruebas y caracterización. Por otra parte, para caracterizar el dispositivo, se realizó la experimentación con el seguimiento, haciendo variar el número de espejos empleados para la concentración, teniendo diferentes niveles de densidad radiativa concentrada incidiendo en la cavidad.
Análisis, Simulación y Diseño de un Concentrador Solar para conseguir Flujos radiativos de perfil Homogéneo
Luis Andrés Amat Castrillón
Tutor: Lúar Moreno Álvarez
Abstract
En el aprovechamiento de energía solar los sistemas de alta concentración son una opción viable para satisfacer energéticamente diversos procesos industriales. Las principales desventajas de estos sistemas de concentración es el control de la temperatura de operación, las pérdidas de calor asociadas al proceso y la distribución de la radiación concentrada. Los gradientes de temperatura inducidos por una distribución no uniforme ocasionan en los materiales un deterioro considerable debido a las altas temperaturas de concentración las cuales alcanzan los puntos de fusión. En este trabajo se analiza, simula y diseña un concentrador solar de alto flujo radiativo que sea capaz de generar perfiles de intensidad de flujo homogéneo, Pare ello se abordan: 1) los fundamentos teóricos de la transferencia de calor por radiación para el estudio de la energía solar térmica de concentración; 2) el análisis teórico de la óptica y geometría de concentración, para conocer la relación que tienen las variables involucradas en el proceso de captación de la energía infrarroja proveniente del Sol en un receptor; 3) el análisis del modelo básico de mezcla estadística propuesto para combinar los perfiles gaussianos individuales producidos por la reflexión en los elementos de una óptica de concentración solar, y obtener perfiles homogéneos conociendo las características ópticas de los espejos reflectores; 4) simulaciones numéricas, mediante paquetes computacionales de trazado de rayos, que comprueban la homogeneización de los perfiles de concentración, considerando parámetros de alineación de los espejos para conseguir la obtención de flujos homogéneos; 5) el diseño de los elementos mecánicos y las especificaciones de diseño que proporcionen la movilidad adecuada de los espejos para poder direccionar la reflexión de los rayos a voluntad, y el diseño de del concentrador solar propuesto para la realización de pruebas y experimentación.
Diseño, Construcción y Puesta en Operación de un Calorímetro de Cavidad Cónica para un Concentrador Solar de Foco Puntual (DEFRAC )
Carlos Alberto Pérez Rábago
Tutor: Claudio A. Estrada Gasca
Abstract
En este trabajo se presenta el diseño, la construcción y la puesta en operación de un receptor de cavidad cónica para ser usado como calorímetro en el concentrador solar de foco puntual denominado Dispositivo para el Estudio de Flujos Radiativos Altamente Concentrados (DEFRAC) del CIE-UNAM. Este calorímetro permite determinar la potencia de concentración solar del DEFRAC. La finalidad al construir este tipo de receptor de cavidad fue lograr concentrar el total de la potencia del DEFRAC y reducir al máximo posible las pérdidas de energía y aumentar la eficiencia de absorción. Para diseñar el dispositivo, se realizó un análisis teórico de la eficiencia de absorción del receptor, de la emitancia aparente de la cavidad, así como una simulación de la distribución de flujo radiativo en el interior del cono. Con los resultados de los análisis anteriores se llevó a cabo una optimización de los parámetros de diseño para obtener un receptor con una alta absortancia aparente, con una alta eficiencia de absorción y con una distribución más homogénea de flujo en el interior del cono, que permita una mejor remoción de calor. Los parámetros obtenidos fueron los siguientes: el radio de apertura de la cavidad Ra = 1.62 cm, el ángulo de apertura del cono ω = 15° , la relación de bafle ξ = 0.65, el radio de la base del cono Ro = 4.28 cm y la altura del cono L = 159.9 mm. Se calculó la emitancia aparente de la cavidad resultando ser de 98%, correspondiéndole una eficiencia de absorción del 95% para una temperatura de operación de 500 K.
El calorímetro se construyó utilizando acero inoxidable y cobre como materiales base del cuerpo del dispositivo. Estos materiales se seleccionaron después de un análisis que consideró, entre otras cosas, las temperaturas máximas permitidas, la alta conductividad térmica y la resistencia a la corrosión. Por último, se realizan una serie de experimentos, para evaluar la cavidad calorimétrica, donde se determinó la potencia de concentración del sistema, la eficiencia de absorción del receptor, así como la distribución del flujo radiativo en las paredes del receptor. Se determinó experimentalmente que la eficiencia de absorción de la cavidad calorimétrica operando el DEFRAC con los 18 espejos fue del 96.3%
Diseño óptico del horno solar de alto flujo del CIE-UNAM
David Riveros Rosas
Tutor: Claudio A. Estrada Gasca
Abstract
Por la relevancia que tendrán las tecnologías de concentración solar en nuestro país, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), en colaboración con diversas instituciones de investigación y educación superior, tanto nacionales como internacionales, ha impulsado la creación del Laboratorio Nacional de Concentración Solar y Química Solar. Este proyecto, entre sus objetivos, considera la construcción de un Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HSAFR). Ello posibilitaría tener infraestructura para desarrollar tecnología de punta en el área de las aplicaciones termosolares. El horno que se está proyectando sería ubicado en las instalaciones del Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM en Temixco, Morelos.
Se han considerado algunas características básicas para dicho horno, como son, una potencia de 30 kW térmicos, concentraciones pico superiores a los 10 000 soles, un sistema óptico de facetas múltiples con un área de captación cercana a los 40 m2, y una distancia focal de 3.68 m. El horno solar contará con un helióstato de 70 m2, y un edificio de laboratorios para albergar salas de instrumentación y control de los experimentos. El edificio estará equipado con ordenadores, sistemas de adquisición de datos, monitores de video para la observación de experimentos, dispositivos automáticos para los controles del helióstato, atenuador, mesa de ensayos, e instrumentos para monitorear las variables involucradas en los experimentos llevados a cabo en la zona focal.
Con lo anterior, surgió el problema del diseño óptico del HSAFR. Para resolverlo, durante la realización de la tesis, se modeló la concentración de la energía solar mediante el método de trazado de rayos usando la técnica de la convolución. El modelo se implementó a través de un programa de cómputo que permitió conocer las formas e intensidades de las distribuciones de radiación en la zona focal del sistema óptico. El programa de cómputo, desarrollado, permite la simulación de una gran diversidad de configuraciones ópticas, lo que facilitó la realización de los estudios paramétricos requeridos para la optimización del diseño. El trabajo que se desarrolló, como tema de esta tesis, contribuyó de manera fundamental al diseño óptico del HSAFR, con el fin de lograr las características deseadas.
A continuación se describen las etapas que se siguieron para la realización de esta tesis
Planteamiento y solución del modelo matemático
Para el estudio óptico del dispositivo se consideró la metodología de trazado de rayos. Para ello se colaboró de manera cercana con investigadores del la Universidad Complutense de Madrid y del CIEMAT en España. De esta colaboración, se desarrolló un código de simulación que fue implementado en el programa de cómputo elaborado en esta tesis.
Validación del Código Numérico
Los resultados de las simulaciones fueron comparados con otro software disponible. También se realizó la comparación con resultados experimentales obtenidos de otros concentradores solares como son el DEFRAC, en el CIE-UNAM; o el horno solar de la PSA, en España.
Estudio Paramétrico
Con la información teórica disponible se realizó el estudio paramétrico de diversas configuraciones ópticas, a fin de definir la configuración final del sistema que permitieran alcanzar las características deseadas.
Elaboración de trabajos y reportes de investigación
A partir de los resultados esperados en el desarrollo de la tesis se elaboraron, en colaboración con otros investigadores, diversos reportes que contemplan, artículos de investigación y trabajos en congresos.
Diseño, construcción y puesta en operación de una pantalla lambertiana para el horno solar de alto flujo radiativo
Javier Licurgo Pedraza
Tutor: Dr. Claudio A. Estrada Gasca
Abstract
Sin resumen en la tesis
Análisis y evaluación de parámetros característicos en la alineación de helióstatos planos para hornos solares de alto flujo radiativo
Leonel Reyes Ochoa
Tutor: Dr. Carlos A. Pérez Rábago
Abstract
Dada la importancia de promover la investigación y desarrollo de las tecnologías de concentración solar en nuestro país, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la Universidad de Sonora (UNISON) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), en colaboración con diversas instituciones de investigación y educación superior, tanto nacionales como internacionales, han impulsado la creación del Laboratorio Nacional de Concentración Solar y Química Solar, encontrándose entre sus objetivos la reciente construcción de un Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HSAFR) en el Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM. Dicho horno solar se encuentra conformado por dos subsistemas principales: un concentrador parabólico que concentra la radiación den un punto focal y un helióstato plano de 81 m2, el cual se encarga de redireccionar la luz solar hacia el concentrador.
En este trabajo se presenta el desarrollo e implementación de una metodología original para la alineación de helióstatos planos en base a una revisión de las técnicas de alineación existentes a fin de obtener un frente de onda plano reflejado por un helióstato, que maximice los niveles de concentración de radiación que pueden obtenerse en hornos solares de alto flujo radiativo.
De manera complementaria se describe la campaña experimental para la evaluación y caracterización de la alineación propuesta y se presentan los resultados obtenidos, dentro de los cuales podemos mencionar la determinación del error óptico del sistema helióstato- concentrador, comparativas cuantitativas y cualitativas con una metodología alternativa de alineación, un procesamiento de imágenes para mostrar la mejora del desempeño del HSAFR mediante la alineación del helióstato al maximiza la densidad de radiación solar concentrada. Así mismo, se presenta el análisis y discusión de los resultados para determinar los parámetros más importantes en este estudio, así como las ventajas ofrecidas por esta metodología ante otras alineaciones.
Este trabajo busca contribuir a la investigación científica, mediante el desarrollo tecnológico y documentación de nuevo conocimiento en este campo de la ciencia que si bien, a nivel mundial tiene varias décadas en desarrollo, en México se presenta como un área de oportunidades importante que contribuya a reducir la brecha tecnológica que existe entre los países desarrollados y nuestro país, siendo este tesis pionera y de carácter único a nivel nacional para tornarse un antecedente para futuros estudios en el campo de la tecnología termosolar de alta concentración no sólo en México sino a nivel internacional.
Transferencia de calor en un receptor de energía solar concentrada del tipo de cavidad cúbica abierta
Moisés Montiel González
Tutor: Dr. Claudio A. Estrada Gasca
Abstract
La transferencia de calor conjugada en cavidades abiertas ha sido ampliamente estudiada en años recientes, debido a su directa relevancia en el diseño y caracterización de receptores de sistemas de concentración solar de foco puntual. En estos dispositivos se registran temperaturas superiores a 600 K, debido a que en ellos se lleva a cabo la captura de la radiación solar concentrada y los fenómenos que predominan son la convección natural y el intercambio radiativo superficial. Sin embargo, a altas temperaturas, la convección natural depende en gran medida de las propiedades termofísicas del fluido. En consecuencia, la variación de estas propiedades con la temperatura tiene una influencia significante sobre la transferencia de calor y sobre la dinámica del fluido. Por lo anterior, en este trabajo se presenta un estudio teórico-experimental de la transferencia de calor por convección natural y radiación térmica superficial en un receptor tipo cavidad cúbica abierta.
El estudio teórico consiste en resolver la convección natural laminar con radiación térmica superficial en una cavidad cuadrada abierta por un extremo, considerando dominio restringido al interior de la cavidad y paredes horizontales adiabáticas. Los parámetros gobernantes para este estudio son: números de Rayleigh de 104-106 y diferencias de temperatura de 10 K a 400 K entre la pared isotérmica y la apertura de la cavidad. Las ecuaciones de conservación de masa, cantidad de movimiento y energía en estado permanente en 2D fueron resueltas numéricamente mediante la metodología de volumen finito utilizando el algoritmo SIMPLEC. Las propiedades termofísicas del fluido se consideran, como primer caso, variables con la temperatura en todas las ecuaciones gobernantes y, como segundo caso, se consideran propiedades termofísicas constantes, excepto la densidad en el término de flotación (aproximación de Boussinesq) de las ecuaciones de cantidad de movimiento, con el propósito de obtener los límites de validez de dicha aproximación, así como comparar los resultados de ambos modelos teóricos. El intercambio radiativo superficial se resuelve mediante la formulación de radiosidad-irradiancia. La verificación del código numérico se realiza con problemas de referencia reportados en la literatura, encontrándose buena concordancia entre los resultados. Por consiguiente, el código numérico desarrollado es confiable.
Los resultados teóricos incluyen el efecto de las propiedades termofísicas variables sobre el campo térmico y de flujo así como la variación del número de Nusselt total promedio como función del número de Rayleigh y de las diferencias de temperatura adimensionales.
El estudio experimental incluye la integración, montaje y puesta en operación de los componentes de un mini-horno solar, así como el diseño, caracterización de materiales, construcción, instrumentación y puesta en operación de un receptor tipo cavidad cúbica abierta para realizar las pruebas experimentales y así comparar con los resultados de los modelos teóricos.
En los resultados experimentales se presentan las temperaturas del aire medidas en el interior del receptor y la comparación con las temperaturas obtenidas con los modelos teóricos. Como resultado de la comparación de las temperaturas teóricas respecto a las experimentales, se obtuvo una desviación promedio de 3.0 % con el modelo de propiedades termofísicas variables y de 5.4% con el modelo de la aproximación de Boussinesq.