Sistema de concentradores solares de canal parabólico para la generación de calor de proceso: diseño, construcción y modelado matemático

El presente trabajo tiene como propósito presentar el diseño, construcción y modelado matemático de un sistema de transformación de calor de proceso basado en Concentradores Solares de Canal Parabólico (CCPs) empleando los tres puntos siguientes: a) los softwares de SolidWorks y AutoCAD para realizar el diseño, b) el análisis de trazados de rayos en el software Tonatiuh para corroborar que el diseño del CCP este correcto y garantizar que la irradiancia reflejada incida en el tubo receptor propuesto, finalmente, c) se desarrolló un modelo matemático en MATLAB con base en las ecuaciones gobernantes que intervienen en los procesos de transferencia de calor para estimar la eficiencia térmica del CCP, así como predecir la temperatura de salida del fluido de trabajo y encontrar la manipulación óptima del sistema variando las variables del modelo. También, este trabajo de investigación se enfoca en buscar las condiciones adecuadas para el mejoramiento de la eficiencia térmica de los CCPs. Esto, a partir del diseño de un colector solar de canal parabólico inclinado con un ángulo de 21°, un ángulo de apertura de 90° y la incorporación de un sistema de seguimiento automático de Este-Oeste con orientación Norte-Sur del sistema con el fin de aumentar la captación de la radiación solar directa así como obtener una temperatura media del fluido de trabajo para sustituir este tipo de energía térmica en el calentamiento de agua del proceso industrial. De acuerdo a los resultados obtenidos con el análisis de trazados de rayos y con la posición de la colocación del tubo absorbedor en la simulación, es la posición en la cual se tiene en el Diseño Asistido por Computadoras (CAD), se logrará que todos los rayos incidan en él. Esto garantiza que se tendrá una correcta intercepción de toda la radiación reflejada por el concentrador. El comportamiento de la temperatura real del agua a la salida del tubo absorbedor para los diferentes flujos analizados en este estudio teórico muestra que el aumento del caudal, genera temperaturas menores del fluido. Esto se debe a que la razón del flujo de calor entregado al CCP respecto al flujo másico es mucho menor conforme el flujo másico aumenta. Igualmente, se observó que el aumento del caudal comporta a un aumento en la eficiencia térmica pero la variación del caudal no tiene ningún efecto sobre la eficiencia óptica. Los valores de eficiencia térmica obtenidos para los flujos 1 y 2 l/min fueron casi similares; después se observa que la eficiencia se aumenta por el incremento del flujo en estado transitorio, en este caso de 3 l/min. Finalmente, se observó que la eficiencia térmica para los flujos 6 y 7 l/min es constante respecto a los II dos flujos anteriores. La eficiencia térmica máxima que puede lograr el sistema en las condiciones propuestas es de 72 %. El modelo muestra también que al aumento de la temperatura inicial del fluido produce una menor temperatura de salida por la maximización de las pérdidas térmicas al haber un gradiente mayor entre la temperatura inicial y la temperatura ambiente, con el fin de un decremento muy significativo en la eficiencia térmica. Se evaluó la influencia de la variación de la velocidad del viento y se observa que conforme aumenta la velocidad del viento, la temperatura del fluido cada vez es menor. Debido a esto es recomendable la implementación de la cubierta de vidrio evacuado ya que minimiza las pérdidas convectivas volviéndolas casi nulas entre sí. El diseño del CCP en SolidWorks ayuda a la optimización del tiempo y del costo también. La simulación de los rayos en Tonatiuh le ayuda a colocar el tubo absorbedor y encontrar la inclinación optima de la instalación del colector.

The purpose of this work is to present the design, construction and modeling of a process heat generation system based on Parabolic Trough Solar Concentrators (PTCs) using three points: a) the SolidWorks and AutoCAD Softwares to carry out the design, b) the analysis of ray traces in Tonatiuh software to corroborate that the design of the PTC is correct and guarantee that the reflected irradiance affects the proposed receiver tube, finally, c) a mathematical model was developed in MATLAB based on the governing equations that intervene in heat transfer processes to estimate the thermal efficiency of the PTC, as well as to predict the output temperature of the working fluid and find the optimal handling of the system varying the variables of the model. This research work focuses on finding the right conditions for the improvement of the thermal efficiency of the PTC. This, from the design of a new parabolic trough solar collector inclined at an angle of 21 °, an opening angle of 90° and the incorporation of a solar tracking system in order to increase the uptake of direct solar radiation and obtain an average temperature of the working fluid to replace this type of thermal energy in the water heating of the industrial process. According to the results obtained with the analysis of ray traces and with the position of the placement of the absorber tube in the simulation, it is the position in which we have in the Computer Aided Design (CAD) it will be achieved that all the rays affect him. This guarantees that there will be a correct interception of all the radiation reflected by the concentrator. The behavior of the actual water temperature at the outlet of the absorber tube for the different flows analyzed in this theoretical study shows that the increase in flow generates lower temperatures of the fluid. This is because the ratio of the heat flow delivered to the CCP to the mass flow is much lower as the mass flow increases. Likewise, it was observed that the increase of the flow rate leads to an increase in the thermal efficiency but the variation of the flow has no effect on the optical efficiency. The thermal efficiency values obtained for flows 1 and 2 l / min were almost similar; later it is observed that the efficiency is increased by the increase of the flow in a transitory state, in this case of 3 l / min. Finally, it was observed that the thermal efficiency for flows 6 and 7 l / min is constant with respect to the two previous flows. The maximum thermal efficiency that the system can achieve under the proposed conditions is 72%. The model also shows that the increase in the initial temperature of the fluid produces a lower exit temperature due to IV the maximization of thermal losses due to a greater gradient between the initial temperature and the ambient temperature and with the end a very significant decrease in the efficiency thermal. The influence of the variation of the wind speed was evaluated and it is observed that according to the increase of the wind speed, the temperature of the fluid is getting smaller. Because of this, it is advisable to implement the evacuated glass cover as it minimizes convective losses, making them almost nil among themselves. The design of the CCP in SolidWorks helps optimize both time and cost. Likewise, the simulation of the rays in Tonatiuh helps you to place the absorber tube and find the optimum inclination of the collector installation.