Abstract

El trabajo inicia con una descripción del panorama general tanto del Análisis Estructural como del Método de los Elementos Finitos (método numérico utilizado por el software).

En el segundo capítulo se expone la teoría relacionada con el análisis de marcos espaciales y el cálculo de la fuerza de arrastre sobre los espejos (paneles). Además, se describe la metodología empleada para la correcta modelación de la estructura en el software.

En el tercer capítulo se establecen todas las condiciones previas a la simulación, esto incluye; el cálculo de las fuerzas y de las propiedades de todos los perfiles empleados en la estructura.

El cuarto capítulo presenta los resultados para las dos posiciones del helióstato, además de determinar en un tercer caso de estudio, la velocidad máxima del viento que puede soportar la estructura.

En el último capítulo se discuten los resultados obtenidos y se presentan algunas recomendaciones de diseño justificadas con la realización de nuevos análisis.

Abstract

En México, únicamente el 35 % de las aguas municipales y el 18% de aguas industriales residuales reciben algún tipo de tratamiento, generalmente de tipo biológico [CONAGUA, 2010]. En contraste, la cantidad de contaminantes persistentes a los métodos convencionales de tratamiento van en aumento. Esto obliga al desarrollo de nuevas técnicas de tratamiento para combatir el problema creciente de la contaminación del agua. Una novedosa alternativa para el tratamiento de contaminantes orgánicos en el agua lo constituye la fotocatálisis. La fotocatálisis se entiende como la aceleración de una reacción química por la presencia de un catalizador fotosensible (fotocatalizador). Esta técnica de tratamiento de agua pertenece al grupo de los denominados Procesos de Oxidación Avanzada (POA) que se caracterizan por la producción de especies de alto poder oxidante, principalmente el radical hidroxilo ( HO ), los cuales son fuertes agentes oxidantes capaces de atacar la materia orgánica y degradarla.

Durante este proyecto de tesis se presenta el desarrollo de una Planta Solar Fotocatalítica para el Tratamiento de Aguas Residuales (PSFTAR), la cual es parte del proyecto de Laboratorios Nacionales de Sistemas de Concentración Solar y Química Solar (LNSCSyQS) financiado por el CONACYT y la UNAM. El desarrollo de la planta involucra tanto el diseño, fabricación y puesta en marcha de 3 reactores para fotocatálisis heterogénea con TiO2 manufacturados en el CIE-UNAM, como la implementación de 3 equipos comerciales adquiridos a la empresa española Ecosystem. De los dispositivos construidos en el Taller Mecánico del CIE, 2 son prototipos de 1m2 integrados por colectores solares CPC de 1 y 2 soles de concentración y un tercer reactor de 7.68 m2 integrado por 32 colectores solares CPC de 2 soles de concentración y un sistema de sensores para medición en tiempo real de pH, Oxígeno disuelto (OD), Temperatura (T), Demanda Química de Oxígeno (DQO) y de flujo. De los 3 equipos comerciales, 2 son para reacciones de Foto-Fenton y 1 para fotocatálisis con TiO2; en este momento solo se encuentra en operación la planta piloto de procesos foto-Fenton acoplado a un reactor biológico (4 m2).

Con el propósito de evaluar el desempeño de cada uno de los reactores fotocatalíticos, se realizaron procesos de degradación fotocatalítica tanto en fase homogénea (foto-Fenton) como en fase heterogénea con TiO2 para lo cual en ambos casos se utilizó el plaguicida carbarilo como contaminante modelo. En el caso especifico de fotocatálisis con TiO2, se trabajó en la inmovilización del fotocatalizador por la técnica de depósito químico sol-gel sobre tubos de vidrio pyrex, el cual seguidamente se utilizó en los reactores fotocatalíticos anteriormente mencionados. Para la fotocatálisis por medio de procesos foto-Fenton se utilizó sulfato de hierro como reactivo de Fenton. Para el estudio analítico de los procesos de degradación fotocatalítica se evaluaron parámetros experimentales tales como contaminante remanente en la solución por medio de espectrofotometría UV-VIS y carbono orgánico total (COT), y adicionalmente se determinaron demanda química de oxígeno (DQO), OD, pH, y temperatura de la solución.

Para completar los estudios de caracterización, se llevó a cabo un estudio de la cinética de degradación por medio del cual se analizó el comportamiento de velocidad de la degradación fotocatalítica del carbarilo en función del tiempo de exposición, concentración solar en el intervalo de 1 a 2 soles de concentración y energía acumulada. Punto de partida de este estudio fue el modelo de Langmuir-Hinshelwood y la aproximación de una cinética de pseudo-primer orden. Por medio de esta aproximación se calcularon las constantes cinéticas de pseudo-primer orden k0 (min -1) y la constante aparente de primer orden k’ (kJ -1 L)1/2.

Los resultados obtenidos con los reactores fotocatalíticos, tanto construidos como adquiridos, permiten predecir un buen desempeño tanto a nivel prototipo, como a nivel de planta fotocatalítica. A nivel prototipo, mediante fotocatálisis con TiO2 fue posible degradar el 100 % de 35 mg/l de carbarilo en 215 minutos manejando un volumen de 30 litros; mientras que por foto-Fenton se degradó el 100% de 35 mg/l de carbarilo en 30 minutos operando con un volumen de 60 litros. A nivel de planta, al integrar los diferentes reactores fotocatalíticos con los que se cuenta, en este momento se dispone de una capacidad de área de captación de 32 m2 y de volumen a degradar de 240 l en un período de exposición a la radiación solar menor a 3.5 horas.

Abstract

Sin resumen en la tesis

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.

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