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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.

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.

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.

Abstract

El ciclo termoquímico del óxido de cerio (CeO2) es una opción prometedora para la producción de hidrógeno con energía solar concentrada, ya que es estable a temperatura ambiente ( esto lo hace un buen candidato para almacenar energía), reacciona rápidamente con el agua a una temperatura moderada y no se recombina con el oxigeno, lo cual sucede con el ya bastante conocido ciclo del ZnO.

Recientemente, el paso endotérmico del ciclo del CeO2 fue probado experimentalmente en un reactor de vidrio por Abanades y Flamant (Solar Energy, 80, 1611-23). Sin embargo este proceso podría verse beneficiado si se utilizará un reactor tipo cavidad, ya que con este tipo de reactores las pérdidas radiativas se disminuyen, lo que trae como consecuencia un incremento de las temperaturas en el interior del reactor, y por lo tanto, una mejora en la reacción. Es por ello que en el presente trabajo se propone un reactor tipo cavidad para llevar a cabo la reducción térmica del CeO2. Para proponer un diseño es necesario modelar la transferencia de calor y como este proceso se lleva a cabo a temperaturas muy altas (T ≈ 2300), la transferencia de calor radiativa tiene un papel muy importante en el modelo propuesto.

El presente proyecto de tesis tiene el objetivo principal de modelar la transferencia de calor radiativa en un reactor solar termoquímico, pensado para llevar a cabo la reducción del óxido de cerio. El reactor simulado consistió en una cavidad cilíndrica cerrada con tapas planas, la cual contiene una suspensión homogénea de partículas. Una de las tapas de la cavidad tiene una abertura circular, de radio inferior al radio de la tapa y esta apertura esta ́ sujeta a radiación solar concentrada que proviene de un concentrador paraboloidal. Para llevar a cabo dicho estudio se elaboró un código que se basa en el método Monte Carlo. En el modelo se consideraron las características direccionales con las que entra la radiación solar a la cavidad y, asimismo, se asume que el reactor contiene una suspensión fluidizada de partículas de óxido de cerio radiativamente participativas. En el análisis se toman en cuenta las características radiativas de las partículas (secciones de absorción y esparsión). Éstas se calculan con la teoría de esparcimiento de Mie, usando las propiedades ópticas del CeO2, determinadas por diversos autores en la parte ultravioleta, visible e infrarroja del espectro.

En las simulaciones se analiza, para diversos radios de apertura de la cavidad, el efecto que tienen diversos tamaños de la partículas y varias concentraciones, en la distribución de temperaturas.

Los resultados obtenidos muestran que el radio de apertura óptimo que maximiza temperatura promedio, es alrededor de un 30-40 % más pequeño que el radio que da la mayor absorción solar. A pesar de que este radio óptimo no da la mayor absorción de radiación solar que entra a la cavidad, sí reduce las pérdidas radiativas por emisión. Asimismo se encuentra que sólo una fracción de partículas muy pequeña necesita estar en estado fluidizado con el fin de alcanzar temperaturas de operación.