OPTIMIZACION DE UN CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO PARA APLICACIONES DE MEDIANA TEMPERATURA

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERÍA OPTIMIZACION DE UN CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO PARA APLICACIONES DE MEDIANA TEMPERATURA Víctor Hugo Gómez Espinoza XIX Simposio Peruano de Energía Solar Puno Perú, Noviembre de

2 Introducción La energía solar térmica es cada vez más utilizada a nivel doméstico para la obtención de agua caliente sanitaria y como apoyo a la calefacción. Sin embargo, esta tecnología tiene también otro enorme potencial de aprovechamiento; el sector industrial. SECTOR PROCESOS TEMPERATURA ( C) Alimenticio Químico Textil Pasteurización Cocción Lavado Refrigeración (adsorción) 90 Esterilización Vapor Blanqueado, Teñido Secado 70-90

3 Modelo Numérico El CPC fue diseñado usando un modelo unidimensional, que resuelve de manera segregada El flujo de fluido al interior del tubo receptor, La transferencia de calor por conducción a través de la pared del tubo receptor y La transferencia de calor en el concentrador solar para calcular la ganancia de calor útil obtenida de la concentración solar.

4 Modelo Numérico En fluido de trabajo entra en la posición 0 con un flujo másico m, una presión p f,i. y una temperatura T f,i. El tubo receptor recibe una ganancia de energía útil (q u ). Si existe evaporación se determina su punto de inicio L s, a la temperatura de saturación T f,s. Finalmente el fluido sale en la posición L con una presión p f,o y una temperatura T f,o. Se ha aplicado el método de volúmenes de control (CV). La discretización de las ecuaciones ha sido acoplada utilizando un método paso a paso completamente implícito en la dirección del flujo. De los valores conocidos en la sección de entrada y las condiciones de frontera de la pared, los valores en la sección de salida del CV son obtenidos iterativamente a partir de la discretización de las ecuaciones gobernantes. Esta solución (valores de salida) son los valores de entrada para el siguiente CV. El procedimiento se realiza hasta alcanzar la salida del tubo receptor.

5 Ecuaciones Gobernantes FLUJO DENTRO DE UN CV Ecuación de continuidad: HIPÓTESIS Flujo unidimensional : p(z,t), h(z,t), T(z,t), v l (z,t),... Modelo de flujo separado (v g v l ). Se desprecia el intercambio de calor por radiación entre las paredes internas de la tubería. Se desprecia la transferencia de calor por conducción en el fluido. Propiedades Termofísicas (REFPROP v7.0 NIST): Ecuación de Momentum: Ecuación de Energía : Coeficientes empíricos:

6 Modelo Numérico (pared del tubo) Distribución unidimensional de temperatura Los coeficientes son aplicables de: 2 i N1 Para i = 1 y i = N adecuados coeficientes son utilizados tomando en cuenta el flujo de conducción axial o una condición de temperatura de frontera. El conjunto de ecuaciones de conducción discretizadas son resueltas usando un algoritmo TDMA. h Integrando la ecuación de la energía para un CV: qwall ps qu pn x qw qe Ata m t Para cada nodo se tiene: at bt ct d a, i a, i1 a, i1 Donde los coeficientes son: k A k A A x k A a p x Cp b x x t x k A A x c d p T q p x CpT x t w ta e ta ta e ta f, i s w ta ta o f, i s f, i u, i n w, i

7 Modelo Numérico (ganancia energía) La ganancia útil de energía in cada CV se calcula como: Ac qu, i S U L, i Ta, i Ten A La ganancia útil de energía dependen de la energía solar absorbida S que es igual a la energías solar incidente menos las pérdidas ópticas en el CPC. La energía solar absorbida es función de las propiedades radiativas del los componentes del CPC y de las condiciones ambientales. La energías solar absorbida se calcula con el método de Duffie y Beckman. a El coeficiente de pérdidas de calor global, UL, depende de la temperatura de los componentes del CPC a través de sus coeficientes de pérdidas individuales: U La temperatura de la cubierta y del reflector son determinadas por medio de un balance de energía en cada uno de estos componentes del CPC t, ac t, r ex ra, r c t, ar Li, t, cex t, ac t, r ex ra, r c t, ar 1

8 INICIO Datos: geometría, condiciones de frontera, etc. Flujo interno (fluido) Pared del tubo receptor Análisis térmico del CPC Mapas de variables en el fluido (presión, temperatura, flujo másico) y temperaturas en el sólido FIN

9 Prototipo Experimental Absorbedor Cubierta Reflector Acero al carbón con diámetro interno 52.5 mm y externo de 60.3 mm cubierto con superficie selectiva. Vidrio templado de 4 mm de espesor, con dimensiones de 0.66 m x 2 m = 1.32 m 2. Lámina de aluminio altamente pulido con un espesor de 0.6 mm, y dimensiones de 0.89m x 2m. Concentración real de 3.5 y el ángulo medio de aceptación de 15.

10 Propiedades ópticas y geométricas Componente Absorbedor de acero al carbón con superficie selectiva comercial Absortancia Emitancia Reflectancia Transmitancia Cubierta de vidrio templado Reflector de aluminio altamente pulido Ángulo de aceptación ( ) Razón de concentración (adimensional) Diámetro externo (mm) Diámetro interno (mm) Altura (m) Ancho (m) Largo (m)

11 Prototipo Experimental Instrumentos utilizados en la unidad experimental Variable Instrumento Rango de operación Precisión Temperatura Termistor -40 a 150 C ± 0.1 C Termopar 0 a 750 C ± 0.5 C Flujo Coriolis 0 a 20 kg/min ± 0.1 % Presión Diferencial de presión 0 a in H20 ± 0.15 % Radiación PSP-II 0 a 1600 W/m2 ± 1 %

12 Sistema Experimental

13 Pruebas Experimentales Se utilizó agua como fluido de trabajo. Variando la temperatura de entrada en un rango de 27 C a 70 C. Variando el flujo másico de 0.05 a 0.25 kg/s. Irradiancia solar arriba de 800 W/m 2 en el plano del CPC. Las variables fueron medidas y registradas cada diez segundos. Se alcanzó un estado estacionario para los puntos evaluados después de 5 minutos de operación.

14 RESULTADOS

15 Resultados 80.4% de los 102 datos obtenidos experimentalmente está dentro de este margen con una desviación de ±7.6%. Resultados de la eficiencia experimental vs. resultados modelo numérico

16 Resultados La diferencia promedio entre los resultados experimentales y numéricos fue de ±0.14 C, con desviación estándar de ±0.13 C y un error máximo de 0.41 C. Las barras de error representan la incertidumbre en la medición de los datos experimentales.

17 Resultados La máxima eficiencia instantánea que se obtiene en el rango de flujo utilizado corresponde a una velocidad de 0.25 kg/s. Resultados de la eficiencia experimental vs. resultados modelo numérico

18 Resultados La desviación de los datos experimentales comparados con los datos del modelo numérico fue de ±7.55 %, con un error promedio de ±7.86 %. Caída de presión en el tubo absorbedor.

19 CONCLUSIONES

20 Conclusiones Se realizó la evaluación de un concentrador parabólico compuesto diseñado y construido en el Centro de Investigación en Energía de la UNAM, con área de apertura de 1.33 m 2, concentración real de 3.5 y ángulo medio de aceptación de 15, utilizando un tubo receptor de acero al carbón de 2 m de longitud. El máximo incremento de temperatura puntual en los resultados experimentales fue de 4 C, a flujo másico de 0.05 kg/s y temperatura de entrada de 52 C, obteniéndose 838 W de calor útil. El valor promedio de la eficiencia experimental que se obtuvo en las pruebas realizadas fue del 60%.

21 Conclusiones De acuerdo a los resultados obtenidos, se muestra que el CPC presenta un buen comportamiento térmico, pudiendo ser competitivo con otras tecnologías de captación solar que actualmente son utilizadas para cubrir diversos procesos que trabajan en rangos de baja y mediana temperatura ( 100 C). El modelo numérico que se utilizó, muestra ser confiable y puede ser utilizado como una herramienta para simulación y diseño en el estudio de este tipo de sistemas de captación solar, para diferentes aplicaciones y fluidos de trabajo.

22 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERÍA GRACIAS XIX Simposio Peruano de Energía Solar Puno Perú, Noviembre de