Colectores solares termoacumulativos. Análisis numérico y experimental en regímenes estacionario y transitorio

Abstract

En esta tesis, se desarrollan infraestructuras de cómputo y experimental que permiten estudiar el comportamiento térmico del colector solar termoacumulativo a escala física y experimental. Se dedica atención especial al estudio numérico de la convección natural en el tanque termo-absorbedor, el comportamiento transitorio de sistemas solares y al desarrollo de ensayos térmicos.

La tesis se organiza en seis capítulos. Cada capítulo esta estructurado de manera que pueda leerse en forma independiente, repitiendo un mínimo de sus contenidos (descripción de las ecuaciones de los modelos gobernantes). Se realiza una reseña bibliográfica sobre las investigaciones y desarrollo de colectores solares termoacumulativos.

Se formulan y se resuelven numéricamente las ecuaciones de conservación (ecuaciones de Navier-Stokes) de la conversión natural en el tanque termo-absorbedor. Se verifica y valida el algoritmo numérico desarrollado. Se simula numéricamente el enfriamiento del tanque termoacumulativo para valores del coeficiente de transferencia entre 2 W/(m2K) y 10 W/(m2K) y se obtiene las estructuras de flujo y los campos de temperatura. Se correlaciona la variación de la temperatura del agua al final del enfriamiento y el coeficiente de transferencia de calor mediante una expresión lineal.

Se formula matemáticamente un modelo global transitorio del colector solar termoacumulativo a partir del balance de energía en tres puntos. Se desarrolla una subrutina del colector solar termoacumulativo que permite incorporarla al software TRNSYS. Se demuestra que los colectores solares termoacumulativos tiene un comportamiento térmico, prácticamente, igual de bien que los colectores solares planos y termosifónicos. Se obtiene la influencia de parámetros de diseño y funcionamiento en el comportamiento térmico anual de los colectores solares termoacumulativos. Se demuestra que el aporte de energía útil anual depende de la interacción de sus características de diseño con las condiciones de operación.

En esta tesis, se desarrollan infraestructuras de cómputo y experimental que permiten estudiar el comportamiento térmico del colector solar termoacumulativo a escala física y experimental. Se dedica atención especial al estudio numérico de la convección natural en el tanque termo-absorbedor, el comportamiento transitorio de sistemas solares y al desarrollo de ensayos térmicos.

La tesis se organiza en seis capítulos. Cada capítulo esta estructurado de manera que pueda leerse en forma independiente, repitiendo un mínimo de sus contenidos (descripción de las ecuaciones de los modelos gobernantes). Se realiza una reseña bibliográfica sobre las investigaciones y desarrollo de colectores solares termoacumulativos.

Se formulan y se resuelven numéricamente las ecuaciones de conservación (ecuaciones de Navier-Stokes) de la conversión natural en el tanque termo-absorbedor. Se verifica y valida el algoritmo numérico desarrollado. Se simula numéricamente el enfriamiento del tanque termoacumulativo para valores del coeficiente de transferencia entre 2 W/(m2K) y 10 W/(m2K) y se obtiene las estructuras de flujo y los campos de temperatura. Se correlaciona la variación de la temperatura del agua al final del enfriamiento y el coeficiente de transferencia de calor mediante una expresión lineal.

Se formula matemáticamente un modelo global transitorio del colector solar termoacumulativo a partir del balance de energía en tres puntos. Se desarrolla una subrutina del colector solar termoacumulativo que permite incorporarla al software TRNSYS. Se demuestra que los colectores solares termoacumulativos tiene un comportamiento térmico, prácticamente, igual de bien que los colectores solares planos y termosifónicos. Se obtiene la influencia de parámetros de diseño y funcionamiento en el comportamiento térmico anual de los colectores solares termoacumulativos. Se demuestra que el aporte de energía útil anual depende de la interacción de sus características de diseño con las condiciones de operación.

Se desarrolla formulaciones y procedimientos experimentales de ensayos térmicos del colector solar termoacumulativo. Se realiza la evaluación experimental a un colector solar termoacumulativo en condiciones de exteriores, se obtiene la curva de eficiencia térmica periódica, la correlación de entrada/salidas de energías y parámetros térmicos característicos del colector solar. Se recomienda acciones para mejorar los resultados del modelo transitorio y ensayos térmicos.

In this thesis, infrastructures of experimental calculation are developed in order to study the thermal behavior of the integrated collector storage on physical and experimental scales. Special attention is dedicated to the numerical study of the natural convection in the storage tank, the transitory behavior of collector solar system and to the development of thermal tests.

The thesis has been organized in six chapters. Each chapter can be read of independent form, repeating a minimum of its contents (description of the governing equations of the models). A bibliographical review of the state of the investigations is made on integrated collector storage.

It is numerically formulated and solved the equations of conservation (equations of Navier-Stokes) of the natural conversion in the storage tank. Development an algorithm that was validated and verified. The structures of flow and the fields of temperature for values of the coefficient of transference between 2 W/(m2K) and 10 W/(m2K) were obtained during the cooling of the tank. An expression that correlates the variation of the temperature of the water at the end of the cooling and the coefficient of heat transference was obtained.

A transitory global model of the integrated collector storage is formulated mathematically, from the balance of energy in three points. A subroutine of the integrated collector storage was developed which allows to incorporate it to software TRNSYS. It was demonstrated that the integrated collector storage has a thermal performance, practically, as good as the flat and thermosiphon solar collectors. The influence of parameters of design and operation in the annual thermal behavior of the integrated collector storage was studied. It was demonstrated that the contribution of annual useful energy depends on the interaction of its characteristics of design with the conditions of operation.

Formulations and experimental procedures of thermal tests of the integrated collector storage were developed. An experimental evaluation to an integrated collector storage in conditions of exteriors was made, obtaining the curve of periodic thermal efficiency, the correlation of inputs/outputs of energies and thermal parameters of the solar collector. Actions to improve the results of the transitory model and thermal tests are recommended.