PRÁCTICAS_TERMOTECNIA

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Prácticas Virtuales de la asignatura de Termotécnia, modelo termofluidodinámico de un colector cilindro parabólico que emplea aceite como fluido de transferencia de calor.

Manuel Francisco Romero Calderón. 53574491-Q.

Centro Asociado: Mérida. U.N.E.D.

PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 2014

2 Grado en Ingeniería Mecánica. Universidad Nacional de Educación a Distancia.

1. Cuestionario sobre la webconferencia y la parte I del guión de la práctica 1. ¿Qué tipo de radiación se puede concentrar?

Sólo la radiación directa, aunque los colectores sin concentración (plano o de baja temperatura) aprovechan tanto la directa como la difusa debido a su menor demanda de temperatura.

2. ¿Qué se entiende por razón de concentración superficial?

La razón de concentración superficial es la razón entre el área de la apertura del concentrador respecto al área del receptor:

C =𝐴𝑎𝐴𝑟

Atendiendo a esta razón de concentración se distinguen las siguientes tecnologías termosolares:

Sin concentración, C = 1: Colectores no Vidriados. Colectores de Placa. Colectores avanzados: Superficies Selectivas en el Absorvedor. Colectores Evacuados. Tubos de vacío.

Con concentración, C >1: Sistemas Fresnel. C<80 Sistemas Cilindro Parabólicos. C=30-90 Sistemas de Torre Central. C=200-1000 Discos Parabólicos. C=1000-5000

3. Nombrar los colectores solares de concentración de mayor a menor razón de concentración.

1. Discos Parabólicos. C=1000-5000 2. Sistemas de Torre Central. C=200-1000 3. Sistemas Cilindro Parabólicos. C=30-90 (Flujo de radiación:40kW/m2) 4. Sistemas Fresnel. C<80

4. Nombrar los dos elementos que existen en un colector solar de concentración.

Para concentrar los rayos solares, que son aproximadamente paralelos e incidentes en una gran superficie (el concentrador), en una superficie “pequeña” en términos relativos (el receptor).

Concentrador. Receptor.

5. ¿Cuál es la geometría óptima del concentrador?

La geometría óptima del concentrador es la de un paraboloide de revolución (disco parabólico en el que el rayo siempre es redirigido hacia el foco) que se mueve de tal forma que siempre esté orientado hacia el Sol.



6. ¿La estructura soporte del colector Eurotrough es una estructura espacial o de tubo soporte central?

La estructura soporte del colector Eurotrough es una estructura espacial (armazón espacial).

7. ¿Qué empresa ha desarrollado recientemente un prototipo basado en el concepto de tubo soporte central?

El prototipo ha sido desarrollado por SENER.

8. ¿A qué reflectividad pueden llegar los espejos de vidrio con película de plata, recién puestos?

Los espejos de vidrio con película de plata, recién puestos, pueden llegar a tener una reflectividad solar del orden del 93.5%.

9. ¿Qué tipo de espejo –vidrio grueso o vidrio delgado- se utiliza en el colector Eurotrough?

El colector Eurotrough utiliza vidrio grueso.

10. ¿Cuáles son los valores aproximados de absortividad y emisividad del recubrimiento selectivo del tubo absorbedor? (Indicar asimismo para qué rangos de longitudes de onda son válidos dichos valores)

El tubo metálico lleva un recubrimiento selectivo que le proporciona una elevada absortividad (≈94%) en el rango de la radiación solar y una baja emisividad en el espectro infrarrojo (≈15%), lo que le proporciona un elevado rendimiento térmico.

11. ¿Cuáles son las dos ventajas de que exista vacío en el espacio interanular entre el tubo absorbedor y la cubierta de vidrio?

Las dos ventajas de que exista el vacío son evitar que se degrade la superficie selectiva (en contacto con el aire se degradaría la superficie selectiva, el vacio se crea a través de la oliva de evacuación) y crearemos un cierto efecto invernadero dentro del tubo receptor siendo beneficioso desde el punto de vista de la ganancia de calor de calor además de minimizar la perdida. También compensa la diferente dilatación térmica de los tubos de vidrio y metal cuando a las temperaturas de trabajo.

12. ¿Cuál es el mecanismo de seguimiento solar en el caso del colector Eurotrough?

El colector Eurotrough solo tiene seguimiento en un eje al igual que los Sistemas Fresnel, mientras que los discos parabólicos y los heliostatos tienen seguimiento en dos ejes. Para colectores grandes, como los modelos LS-3 o Eurotrough, los altos pares requeridos para girar el colector obligan a usar mecanismos hidráulicos, en estos mecanismos, una bomba eléctrica alimenta dos pistones hidráulicos, que son los que giran la estructura del colector a lo largo del eje de seguimiento.



13. ¿Cuál es la orientación que se prefiere en España para los colectores cilindro parabólicos?

Los colectores cilindro parabólicos se instalan de forma que su eje de giro quede orientado en la dirección Este-Oeste o Norte-Sur, aunque se pueden utilizar también orientaciones intermedias. En España la dirección habitual es Norte-Sur para seguir al sol en su movimiento Este-Oeste.

14. ¿A qué temperatura se degrada el aceite térmico VP-1? ¿A qué temperatura congela?

El aceite Therminol VP-1 es un aceite sintético y como tal tiene como temperatura limite 400ºC por encima de la cual comienza a degradar. Su punto de congelación es de 12 ºC.

15. Citar los 4 parámetros ópticos que intervienen en la reflexión de la radiación solar desde que incide en el espejo concentrador hasta que es absorbida por el tubo absorbedor. Indicar asimismo sus valores para el colector Eurotrough.

• Factor de interceptación. • Reflectividad del espejo. • Transmisividad de la cubierta transparente. • Absortividad del tubo de acero del absorvedor.

Sus valores para el colector Eurotrough son:

Factor de interceptación 0.92

Reflectividad del espejo 0.92

Transmisividad de la cubierta transparente 0.945

Absortividad del tubo receptor 0.94

Rendimiento óptico pico 0.75

16. ¿Cuál es la diferencia entre rendimiento óptico y rendimiento óptico pico?

El producto de los cuatro parámetros reflectividad del espejo, factor de interceptación, transmisividad del vidrio y absortividad del tubo es lo que se denomina rendimiento óptico:

𝜂𝑜𝑝𝑡 =ρ·γ·τ·α Los parámetros ópticos anteriores dependen del ángulo de incidencia de la radiación directa. Se consideran que su valor nominal es el particularizado para ángulo de incidencia nulo, y en ese instante, el rendimiento óptico presenta un límite superior, que se denomina rendimiento óptico pico:

𝜂𝑜𝑝𝑡� 𝑝𝑖𝑐𝑜 = ρ · γ · τ · α� 𝜎=0º



17. Para la nomenclatura adoptada para el modelo termofluidodinámico y el programa: qué indica el subíndice 4? ¿Qué indica la letra f?

• Subíndice 4: Pared interna de la cubierta transparente. • Letra f: Factor de fricción de Moody de cada uno de los módulos.

18. ¿Por qué no se emplea la correlación de Dittus Boelter en la transmisión de calor por convección desde la superficie interna del tubo absorbedor y el fluido?

Porque da un error entorno al 25% por lo que se usa la ecuación de Petukhov que fue modificada por Gnielinsky. 19. ¿Qué parámetro óptico afecta a la absorción de calor por el tubo absorbedor y no afecta a la absorción de calor por la cubierta transparente? La transmitancia del tubo absorbente.

20. ¿En la ecuación de la transmisión de calor por radiación entre la cubierta de vidrio y el cielo equivalente: en qué unidades deben de estar las temperaturas?

En Kelvin porque van a ser temperaturas elevadas a la cuarta en el ámbito de la radicación.

21. ¿Cada cuántos metros existe un soporte para el tubo absorbedor?

Cada 4,06m hay un soporte para el tubo absorbedor.

22. Dentro del programa de cálculo: ¿cómo se pueden ver las ecuaciones que se han utilizado para el modelo?

Se pueden ver las ecuaciones que se han utilizado para el modelo, seleccionando la opción Equations, del menú de Windows.

23. ¿Cuál es la emisividad del cristal Pyrex? ¿Qué emisividad se va a considerar para el recubrimiento selectivo?

La emisividad del cristal pyrex es igual a 0,86 ε45=0.86 La emisividad del recubrimiento selectivo es igual a ε23=2.08·10-4·T23(ºC)+1,663·10-2

24. Para el cálculo del factor de fricción de Moody aparece una variable ε. ¿A qué hace referencia esta variable?

La emisividad del recubrimiento selectivo.

25. ¿Qué simplificación se puede hacer en el cálculo de la entalpía del aceite, por ser un fluido incompresible?

Al ser el aceite un fluido incompresible podemos expresar la entalpia como el producto del calor especifico por la temperatura h=cp·T



2. Análisis en condiciones nominales de un lazo de colectores ET-150. La simulación consiste en variar el caudal de aceite (en torno a 7.5 kg/s) hasta conseguir una temperatura de salida de 393ºC ± 3ºC.

- Indicar los resultados principales (ventana roja: heat gain, heat losses, pressure drop, outlet fluid temperature y efficiency).

- Representar gráficamente (se puede hacer en Excel y pegar aquí la gráfica) la evolución de la temperatura del fluido a lo largo del colector, así como el coeficiente de transmisión de calor por convección entre la pared y el fluido.

En primer lugar se realizará una simulación en condiciones nominales de un lazo de colectores ET-150. Variando el caudal másico (heat transfer fluid flow rate) hasta el valor de 8.55Kg/s obtenemos los siguientes resultados de simulación: Simulation results: Heat Gain: 2.094·106W Heat Loss (Colector): 182295W Preassure Drop (Colector + Conection): 1.266·106

Outlet Fluid Temperature: 393ºC Efficiency: 70.72

T1ave,i,1 T1ave,i,2 T1ave,i,3 T1ave,i,4 T1ave,i,5 T1ave,i,6 T1ave,i,7 T1ave,i,8

1 294.1 296.4 298.7 300.9 303.2 305.4 307.6 309.8 2 312 314.2 316.4 318.6 320.7 322.9 325.1 327.2 3 329.3 331.5 333.6 335.7 337.9 340 342.1 344.2 4 346.2 348.3 350.3 352.4 354.5 356.6 358.6 360.7 5 362.6 364.6 366.6 368.7 370.7 372.7 374.7 376.6 6 378.5 380.5 382.4 384.4 386.3 388.2 390.2 392.1

h12conv,i,1 h12conv,i,2 h12conv,i,3 h12conv,i,4 h12conv,i,5 h12conv,i,6 h12conv,i,7 h12conv,i,8

1 5261 5285 5308 5331 5353 5374 5394 5414 2 5456 5450 5469 5489 5509 5529 5549 5568 3 5610 5605 5624 5642 5659 5676 5693 5710 4 5748 5741 5756 5772 5786 5801 5816 5831 5 5867 5861 5876 5891 5906 5921 5936 5950 6 5984 5977 5990 6003 6015 6026 6037 6048

385390395400

T (ºC) Evolución de laTemperatura

355360365370375380385

320325330335340345350

Temperatura

285290295300305310315320

275280285

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C l 1 C l 2 C l 3 C l 4 C l 5 C l 6Colector 1 Colector 2 Colector 3 Colector 4 Colector 5 Colector 6

Evolución Coeficiente de Transmisión de Calor por convección.

5950597560006025605060756100

p

57505775580058255850587559005925

C f T C l

55505575560056255650567557005725 Coef. Trans. Calor por

convecc.

53505375540054255450547555005525

520052255250527553005325

ulo 1

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u

Colector 1 Colector 2 Colector 3 Colector 4 Colector 5 Colector 6



2.1. Datos para introducir en la ventana “collector”: De acuerdo con la revisión del estado del arte para nuevas plantas termosolares de colectores cilindro parabólicos que emplean aceite como fluido calorífero, la configuración del lazo de colectores que se está utilizando actualmente es la siguiente: 4 colectores Eurotrough-150 en serie, compuestos a su vez por 12 módulos de 12.27 metros, por lo que se tienen lazos de aproximadamente 600 metros de longitud (300 metros de ida y 300 metros de vuelta). En la figura se muestra un esquema del lazo tipo que se va a analizar:

Configuración del lazo de colectores para el campo solar refrigerado por Therminol VP-1

En la tabla aparecen los principales parámetros geométricos del lazo:

Parámetros geométricos para el lazo de colectores ET-150 Diámetro exterior del tubo

absorbedor (m) 0.07

Diámetro interior del tubo absorbedor (m) 0.065

Diámetro exterior de la cubierta transparente (m) 0.115

Diámetro interior de la cubierta transparente (m) 0.109

Número de colectores 4 (6) * Número de módulos por

colector 12 (8) *

Longitud de cada módulo (m) 12.27

Longitud de espejo en cada módulo (m) 11.9

Parámetros geométricos del lazo de colectores para el campo solar refrigerado por Therminol VP-1

Se va a modelar un lazo de cuatro colectores Eurotrough 150. Cada colector está formado por 12 módulos de 12.27 metros (en total, 147.24 metros; de ahí el nombre de ET-150, por los 150 metros). Por cómo se hizo el programa, no se permiten poner más de 10 módulos en la ventana de colector; por ello, para modelar el lazo se va a considerar como si fuese 6 colectores de 8 módulos cada uno (en total, 48 módulos, que es lo mismo que 4 colectores de 12 módulos cada uno).



Las propiedades ópticas son las correspondientes al colector Eurotrough:

Parámetros ópticos del colector Eurotrough Factor de interceptación 0.92 Reflectividad del espejo 0.92

Transmisividad de la cubierta transparente 0.945

Absortividad del tubo 0.94 Rendimiento óptico pico 0.75

Parámetros ópticos del colector Eurotrough

La emisividad de la superficie selectiva es igual a: ε3=0.0002331·T(ºC)+0.04795 La conductividad del vidrio se considera igual a: k45=1.04 W/mºC La absortividad del vidrio se considera igual a: α45=0.02 La emisividad del vidrio se considera igual a: ε45=0.86 La conductividad del tubo absorbedor depende de la temperatura y se considera igual a: k23=0.013·T23(ºC)+15.2 Dentro del espacio interanular hay hidrógeno a presiones muy bajas (cuasi-vacío): 0.0001 mmHg 2.2. Datos para introducir en la ventana “Ambient Conditions”: Radiación normal: 900 W/m2ºC Temperatura ambiente: 25ºC Presión ambiente: 101325 Pa (1 bar) No se ha considerado ángulo de incidencia, por tanto, los resultados van a ser mejores de lo esperado. En un análisis anual habría que meter el modificador del ángulo de incidencia:

𝐾(σ) = cos(σ) − 2.859621 · 10−5 · σ2 − 5.25097 · 10−4 · σ

2.3. Ventana “Connections”

Se recomienda no tocar los parámetros de la ventana de conexiones. Esta ventana se refiere al cálculo termofluidodinámico del fluido a su paso por la tubería de conexión entre dos colectores consecutivos. Para esta práctica no se va a trabajar con estas conexiones y se va a suponer que las condiciones de salida del aceite de un colector son exactamente iguales a las de entrada del aceite al siguiente colector. 2.4. Datos para introducir en la ventana: “Heat Transfer Fluid”: Therminol VP-1, que entra en el lazo a 293ºC y sale a 393ºC. La presión de entrada al colector es de 4·106

Pa. El caudal másico habrá que ajustarlo (en torno a 7.5 kg/s) hasta obtener una temperatura de salida de 393ºC ± 3ºC 2.5. Simulación: Como ya se ha dicho en el párrafo anterior, la simulación consiste en variar el caudal de aceite (en torno a 7 kg/s) hasta conseguir una temperatura de salida de 393ºC ± 3ºC. En un documento Word (o similar) se pondrán los resultados principales (ventana roja: heat gain, heat losses, pressure drop, outlet fluid temperature y efficiency). Se representará gráficamente (se puede hacer en Excel) la evolución de la temperatura del fluido a lo largo del colector, así como el coeficiente de transmisión de calor por convección entre la pared y el fluido.



3. Análisis de sensibilidad de un lazo de colectores ET-150.

3.1. Influencia de la radiación solar directa: Representar gráficamente el calor ganado (heat gain) en función de la DNI y comentar el resultado. Manteniendo los demás parámetros de la simulación en condiciones nominales, se variará la radiación directa, realizando simulaciones para los siguientes valores: DNI = 400 W/m2ºC DNI = 500 W/m2ºC DNI = 600 W/m2ºC DNI = 700 W/m2ºC DNI = 800 W/m2ºC DNI = 900 W/m2ºC DNI (W/m2ºC) Caudal (Kg/s) Outlet Fluid

Temperature (ºC) Heat Gain (Calor Ganado) (W)

400 3.475 393 856821 500 4.49 393 1.104·106 600 5.505 393 1.352·106 700 6.52 393 1.599·106 800 7.54 393 1.847·106 900 8.55 393 2.094·106 Habrá que ajustar el caudal de aceite en cada caso para que la temperatura de entrada sea igual a 293ºC y la de salida sea igual a 393ºC ± 3ºC. Representar gráficamente el calor ganado (heat gain) en función de la DNI y comentar el resultado.

Claramente el calor ganado crece cuanto más directamente incida la radiación, por eso es importante tener claro los conceptos geométricos y de orientación para hacer lo máximo posible el valor del DNI en todo momento y así maximizar el calor ganado.

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

400 500 600 700 800 900

Hea

t Gai

n (w

)

DNI (W/m2ºC)

INFLUENCIA DE LA RADIACIÓN SOLAR DIRECTA (DNI) FRENTE AL CALOR GANADO

(Heat Gain)

DNI (W/m2ºC) Heat Gain (Calor Ganado) (W)



3.2. Influencia de la reflectividad del espejo: Representar gráficamente el rendimiento (efficiency) en función de la DNI y comentar el resultado. Manteniendo los demás parámetros de la simulación en condiciones nominales, se variará la reflectividad del espejo, realizando simulaciones para los siguientes valores: ρ = 0.7 ρ = 0.8 ρ = 0.9 ρ = 0.95 Reflectividad del espejo (ρ).

Caudal (Kg/s) Outlet Fluid Temperature (ºC)

Rendimiento(Efficiency)

0.7 6.37 393 52.74 0.8 7.36 393 60.91 0.9 8.36 393 69.09 0.92 8.55 393 70.72 0.95 8.85 393 73.17 Habrá que ajustar el caudal de aceite en cada caso para que la temperatura de entrada sea igual a 293ºC y la de salida sea igual a 393ºC ± 3ºC. Representar gráficamente el rendimiento (efficiency) en función de la DNI y comentar el resultado.

50

55

60

65

70

75

0.7 0.8 0.9 0.92 0.95

REN

DIM

IEN

TO (E

ffic

ienc

ia)

REFLECTIVIDAD DEL ESPEJO (ρ)

Rendimiento/Reflectividad del espejo.

Rendimiento(Efficien…



3.3. Influencia de la calidad del recubrimiento selectivo del espejo: Se va a probar la eficiencia de otros dos recubrimientos selectivos, además del ya probado (simulación en condiciones nominales del apartado 2, en la que la emisividad del tubo es igual a: ε3=0.0002331·T(ºC)+0.04795 y la absortividad del tubo es igual a: α=0.94 Se van a probar distintos recubrimientos selectivos, en concreto, Luz Black Chrome y Luz Cermet, cuyas propiedades vienen en la siguiente tabla:

3.3.1. Representar gráficamente la emisividad de cada uno de estos recubrimientos en función de la temperatura, aproximar a una recta esa emisividad y hallar la ecuación de dicha recta.

La ecuación para la emisividad de Black Chrome es igual a εbc = 0.16T - 0.05 La ecuación para la emisividad de Cermet es igual a εc = 0.09T - 0.03

y = 0.16x - 0.05 R² = 1

y = 0.09x - 0.03 R² = 1

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

100 400

Emis

ivid

ad

Temperatura

Emisividad/Temperatura

Black Chrome

Cermet



3.3.2. Meter esos valores en el programa, al igual que la absortividad del tubo absorbedor y la transmisividad del vidrio correspondientes, que vienen en la tabla.

Superf. Selectiva

Trans. Abs. Emisividad Caudal (Kg/s)

Outlet Fluid Temp. (ºC)

Heat Losses (W)

Rendimiento (Efficiency)

Eurotrough

0.945 0.94 0.0002331T+0.04795 8.55 393 182295 70.72

Black C. 0.935 0.94 0.16T - 0.05 24.75 393 1132000 19.66 Cermet 0.935 0.92 0.09T - 0.03 24.2 393 1109000 19.22

3.3.3. Realizar simulaciones. Habrá que ajustar el caudal de aceite en cada caso para que la temperatura de entrada sea igual a 293ºC y la de salida sea igual a 393ºC ± 3ºC. Representar gráficamente el rendimiento (efficiency) y las pérdidas de calor (heat losses) para los 3 recubrimientos probados (el nominal calculado en el apartado 2 también). Comentar los resultados

Como podemos apreciar con facilidad en los gráficos y sino deducir de una manera lógica la eficiencia del proceso es inversamente proporcional a las pérdidas de calor que se producen en el proceso. El colector Eurotrough tiene unas pérdidas de calor mucho más pequeñas que en el caso del mismo sistema a excepción del cambio en la superficie selectiva por Black Chrome o Cermet por lo que el rendimiento o eficienciea de el Eurotrough mucho mayor que en el caso de Black Chrome o Cermet.

4. Valoración personal. La valoración personal es muy positiva, nos solamente de las prácticas sino también de la asignatura, ha conseguido que una asignatura que podría ser muy complicada y tediosa resulte comprensible y atractiva. La verdad que poco puedo aportar para mejorar en el modo de desarrollar el curso, solo decir que ojala que mas asignaturas fueran así.

Un saludo Manuel Francisco Romero Calderón

0 200000 400000 600000 800000

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Efficiency

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