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.

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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).