Avances en optimización de colectores solares para secado de productos agrícolas

Transcripción

1 Avances en optimización de colectores solares para secado de productos agrícolas Carlos Armando De Castro Orlando Porras Rey Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Mecánica 2012

2 Secado de productos agrícolas Evita el ataque de micro-organismos. Mejor calidad del producto. Mayores tiempos de almacenamiento. Más facilidad en el transporte.

3 Wikipedia Por qué solar? Energía gratuita. Limpia. Disponible en todo el territorio nacional (y el mundo).

4 Optimización Asegura que se aproveche al máximo el recurso de la radiación solar. Acelera aún más los procesos del manejo post-cosecha de los agricultores.

5 Geometría Vista lateral:

6 Geometría Sección transversal:

7 Geometría Sección transversal:

8 Modelo matemático Balance de calor sobre placa colectora: τα I + h c T fm T p + h rpc T c T p + h rps T s T p = 0 Balance de calor cubierta: h c T fm T c + h rcp T p T c + h rcs T s T c + h w T a T c = 0

9 Modelo matemático Sección rectangular: dt f dx = h c ρ f uyc p 2T f + T p + T c T fo = T p + T c 2 + T a T p + T c 2 exp 2h cl c ρ f uyc p

10 Modelo matemático Sección triangular: dt f dx = 2h c 1 + 2l ρ f uyc p w T f + T p + 2l w T c T fo = T p + 2l/w T c 1 + 2l/w + T a T p + 2l/w T c 1 + 2l/w exp 2h cl c ρ f uyc p 1 + 2l w

11 Modelo matemático Coeficientes: h r,p c = ε pε c σ T 2 2 p + T c 1 r pl r cl h r,p s = τ clε p σ T p 2 + T s 2 1 r pl r cl T s = T a 1.5 T p + T c T p + T s τα = τ cs α p 1 1 α p r cs

12 Modelo matemático Coeficientes: h w = V [W/m 2 K] h r,c s = ε c σ T s 2 + T c 2 T s + T c Ra = βg ΔT y eq 3 ν 2 Pr Nu = 00158Re 0.8 Nu = 7.6 Nu = Ra + Ra /3 1

13 Modelo matemático Flujo interno por convección natural: 1 2 ρ o u2 = ρ a ρ o gh 1 2 ρ o u2 K 1 2 ρ o u2 f L T D h u = 2gH ρ a /ρ o K + fl T /D h

14 Modelo matemático Psicrometría: P sat (T) = exp T 7235/T T 8.2 W = φ a P sat(t a ) P φ a P sat (T a ) φ = WP W P sat (T) ρ = P φp sat(t) + φp sat(t) R a T R v T J c p = W kgk

15 Modelo matemático Eficiencia: η = mc p(t fo T a ) IA c

16 Solución numérica Método iterativo de punto fijo multidimensional para la solución numérica de las ecuaciones. Todas las ecuaciones se resuelven de forma simultánea.

17 Solución numérica

18 Solución numérica

19 Solución numérica

20 T colector - T amb [ C] Simulaciones y = 0,0086x + 1,0821 R² = 0, C y = 0,0088x + 0,9024 R² = 0, C 20 C Linear (25 C) Linear (35 C) Linear (20 C) 2 y = 0,0089x + 0,8367 R² = 0, Radiación solar [W/m^2]

21 T colector - T amb [ C] Simulaciones y = 0,0088x + 0,9404 R² = 0, Radiación solar [W/m^2]

22 Caso de optimización

23 Temperatura [ C] Caso de optimización LDPE Vidrio y [cm]

24 Velocidad [m/s] Caso de optimización 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 LDPE Vidrio 0,3 0,2 0, y [cm]

25 Eficiencia Caso de optimización 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% LDPE Vidrio 20,00% 10,00% 0,00% y [cm]

26 Relaciones a maximizar Sección rectangular Sección triangular L c y L c y 1 + 2l w

27 Análisis flujo inducido Para flujo por convección natural inducido en chimenea en sección rectangular: u = 2gH ρ a /ρ o K + 32νL T D h K 2 32νL T D h K 2gH ρ a /ρ o K 32νL T D h K 2

28 Análisis flujo inducido Definiendo: D 4 eq = 512ν 2 L 2 T T a gh T o T a 1 + K

29 u [m/s] Análisis flujo inducido 0,9000 0,8000 0,7000 0,6000 0,5000 0,4000 0,3000 0,2000 0,1000 0,0000 1,00E-05 1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 (Deq/Dh)^4

30 Análisis flujo inducido De las simulaciones se tiene: L T y < ghl2 T T o T a 1 + K ν 2 T a 0.25

31 Conclusiones Modelos matemáticos obtenidos. Identificación de relaciones importantes en el desempeño del colector. Desarrollo de método de cálculo de colectores óptimos. Se ha determinado restricción de una relación adimensional para permitir flujo.

32 Conclusiones Estos análisis de colectores solares no están restringidos a secado de productos agrícolas, son útiles para precalentamiento de aire en hornos, calefacción de casas y demás utilizaciones de aire caliente.

33 Trabajo futuro Determinar más relaciones adimensionales importantes. Simular 3D por volúmenes finitos en Ansys Fluent e incluir modelos de turbulencia.

34 Referencias [1] Duffie, John and Beckman, William. Solar Engineering of Thermal Processes. 2 nd edition. John Wiley & Sons [2] Incropera and De Witt. Introduction to Heat Transfer. 2 nd edition. John Wiley & Sons [3] Swinbank, W.C. (963). Long-wave radiation from clear skies, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 89: [4] B. K. Bala. Solar Drying Systems. 1 st edition. Agrotech Publishing Company

35 Contacto autores: Ing. Carlos Armando De Castro Ing. Orlando Porras, Dr. Sc.