Fin Proyecto

El proyecto sobre el Diseño de un concentrador solar cilíndrico para producción de vapor en la industria ha finalizado.
Escrito por Damián Crespí Llorens como proyecto fin de carrera en la titulación de Ingeniería industrial en la Universidad Miguel Hernández de Elche. Director: Pedro G. Vicente Quiles.
Aquí se encuentra el documento (en formato pdf) en el cual se detallan, tanto los resultados de la investigación, como los estudios llevados a cabo.

This project, Design of Cilindrical trough collectors for steam production in the industry, is already finished.
It was written, as final project in General Engineering degree at the Universidad Miguel Hernández de Elche, by Damián Crespí Llorens. Director Pedro G. Vicente Quiles.
Here is the document written in Spanish (pdf format).


Contact information: damian.crespi@alu.umh.es or daimonguard-pfc@yahoo.es

Nota

Este blog contiene únicamente información sobre el desarrollo inicial del proyecto. La última entrada aquí publicada relativa al estudio llevado a cabo, data de varios meses antes a la finalización del mismo. La documentación oficial sobre el proyecto de investigación, la cual contiene información sobre el desarrollo completo de la misma, se adjunta en un mensaje posterior.

Este blog es un mero Informe de seguimiento de las fases iniciales del proyecto. Los resultados proporcionados no son definitivos.

Resultados Radiación

RADIACION EMITIDA
*********************************
Radiacion max.(W) 543.73
Ra.max/IrrTot(%) 15.9921
*********************************

RADIACION ENTRE SUPERFICIES
*********************************
MATRIZ FACTORES DE FORMA: Aleta - tubo - Receptor - Fuera
---------------------------------
0 0.052849 0.13864 0.052849
0.15327 0 0.43068 0.20438
0.69346 0.74277 0 0.74277
0.15327 0.20438 0.43068 0
---------------------------------
Enegia total que sale desde cada zona:
---------------------------------
66.62456
68.61243
102.8263
7.622377
---------------------------------
Flujo de calor en cada superficie:
---------------------------------
48.3395 12.5579 0 -60.8974
---------------------------------
Sumatorio : 0
---------------------------------
Emisividad supuesta:
---------------------------------
0.95 0.95 1 0.9
---------------------------------

Cuanta de la radiación emitida se pierde

Una vez conocida la radiación que es emitida, hay que saber que porcentage de esta no llega a perderse.

En primer lugar se debe calcular la temperatura alcanzada por el receptor secundario. Esta temperatura será resultado de un equilibrio entre: Irraciación solar incidente y emisiones del propio cuerpo (se encontrará dentro del cristal).

De este modo ya conoceremos las temperaturas de todos los agentes que intervienen en el intercambio de emisiones (en adelante "sistema"): El conducto, su aleta y el receptor secundario.

Estos tres elementos serán considerados como tres elementos independientes y se----

Fin Transmisión

Como punto final del cálculo de transmisión de calor, se ha hecho lo siguiente:

• Cálculo de las 'h's con una expresión nueva de Nussel (tramo de salida --> gráfica)
• Determinación de Tintermedia. Se realizan 2 iteraciones del cálculo: 171.4305ºC
  
• Determinación Ttubo. Resultado de las iteraciones. 184.4731ºC
• Determinación de la Radiación Total Emitida por el tubo: 16% del total de irradiación recibida ( No toda se perderá ).
  

Radiación Total Emitida por Tubo a 184'5ºC

El total de las emisiones del tubo debido a su temperatura se calcula de la forma que a continuación se indica.
Hay que tener en cuenta que las pérdidas por irradiación no serán tan grandes, ya que se adoptarán medidas que mitiguen el efecto

emisividad = 0.95;
Pperd = 5.67*(10^-8)*emisividad*( (Tpared + 273)^4 - (Text+273)^4 )

Perdidas por radiación : 1871 W/m2 --> 259.27 W/m --> 518.53 W/colector

RADIACION EMITIDA
*********************************
Radiacion max.(W)| 543.73
Ra.max/IrrTot(%) | 15.9921
*********************************

El porcentage correcto para calcular el rendimiento por radiación, debería calcularse a partir de la irradiación que le llega al tubo.

Iteraciones para obtener Tintermedia

Primera iteración ( Tint = (Ts - Te)/2 )

PROPIEDADES ACEITE TERMICO
*********************************
densidad(Kg/m3) | 865
viscosidad(m2/s) | 2e-006
nu (Pa·s) | 0.00173
K (W/m.K) | 0.12795
Cal Espec(J/Kg) | 2200

FLUIDO
*********************************
Caudal (m3/s) | 7.1466e-005
Caudal (l/h) | 257.278
*********************************

DIAMETROS (m)
*********************************
Diam. Exterior | 0.018
Diam. EI | 0.016
Diam. IE | 0.009
Diam. II | 0.007
*********************************

TEMPERATURAS(ºC)
*********************************
Tª salida | 180
Salto Termico | 10
*********************************
Tª entrada | 170
Tª intermedia | 171.4305
Tª med. tramo 1 | 172.5
Tª med. tramo 2 | 177.5
*********************************

TRAYECTO ENTRADA (int)
*********************************
Area de paso (m2)| 3.8485e-005
Vel.fluido(m/s) | 1.857
*********************************
Re | 6500
Pr | 29.7449
Nu | 87.3516
hinter.(W/m2·K) | 1596.7196
*********************************

TRAYECTO SALIDA (ext)
*********************************
Area de paso (m2)| 0.00013744
Vel.fluido(m/s) | 0.51996
Diam. hidraulico | 0.007
Perim. mojado | 0.07854
*********************************
Re | 1820
Pr | 29.7449
Nu | 85
hexter.(W/m2·K) | 1553.7343
*********************************
T media de tubo | 186.2579
*********************************

Segunda Iteración:

PROPIEDADES ACEITE TERMICO
*********************************
densidad(Kg/m3) | 865
viscosidad(m2/s) | 2e-006
nu (Pa·s) | 0.00173
K (W/m.K) | 0.12795
Cal Espec(J/Kg) | 2200

FLUIDO
*********************************
Caudal (m3/s) | 7.1466e-005
Caudal (l/h) | 257.278
*********************************

DIAMETROS (m)
*********************************
Diam. Exterior | 0.018
Diam. EI | 0.016
Diam. IE | 0.009
Diam. II | 0.007
*********************************

TEMPERATURAS(ºC)
*********************************
Tª salida | 180
Salto Termico | 10
*********************************
Tª entrada | 170
Tª intermedia | 171.4305
Tª med. tramo 1 | 170.7153
Tª med. tramo 2 | 175.7153
*********************************

TRAYECTO ENTRADA (int)
*********************************
Area de paso (m2)| 3.8485e-005
Vel.fluido(m/s) | 1.857
*********************************
Re | 6500
Pr | 29.7449
Nu | 87.3516
hinter.(W/m2·K) | 1596.7196
*********************************

TRAYECTO SALIDA (ext)
*********************************
Area de paso (m2)| 0.00013744
Vel.fluido(m/s) | 0.51996
Diam. hidraulico | 0.007
Perim. mojado | 0.07854
*********************************
Re | 1820
Pr | 29.7449
Nu | 85
hexter.(W/m2·K) | 1553.7343
*********************************
T media de tubo | 184.4731
*********************************

dTª tubo respecto de Ts y Salto_termico

Salto_termico: Al aumentar el salto térmico, aumenta ( paradójicamente) la diferencia: Ts -Ttubo --> Es lógico, debe estar el tubo más caliente para que se transmita más rapido el calor.

Ts: Al aumentar Ts, Ttubo aumenta exactamente en el mismo valor. Se mantiene constante : Ts - Ttubo

A continuación una muestra. Los resultados son inválidos debido al no. de Reynols, que es muy bajo para la expresion utilizada. Pero la idea sirve.
Ts = [ 120:10:260 ];
salto_termico = [1:15];

Ttubo =
122.2090 123.7815 125.1719 126.4544 127.6613 128.8107 129.9139 130.9789 132.0114
132.2090 133.7815 135.1719 136.4544 137.6613 138.8107 139.9139 140.9789 142.0114
142.2090 143.7815 145.1719 146.4544 147.6613 148.8107 149.9139 150.9789 152.0114
152.2090 153.7815 155.1719 156.4544 157.6613 158.8107 159.9139 160.9789 162.0114
162.2090 163.7815 165.1719 166.4544 167.6613 168.8107 169.9139 170.9789 172.0114
172.2090 173.7815 175.1719 176.4544 177.6613 178.8107 179.9139 180.9789 182.0114
182.2090 183.7815 185.1719 186.4544 187.6613 188.8107 189.9139 190.9789 192.0114
192.2090 193.7815 195.1719 196.4544 197.6613 198.8107 199.9139 200.9789 202.0114
202.2090 203.7815 205.1719 206.4544 207.6613 208.8107 209.9139 210.9789 212.0114
212.2090 213.7815 215.1719 216.4544 217.6613 218.8107 219.9139 220.9789 222.0114
222.2090 223.7815 225.1719 226.4544 227.6613 228.8107 229.9139 230.9789 232.0114
232.2090 233.7815 235.1719 236.4544 237.6613 238.8107 239.9139 240.9789 242.0114
242.2090 243.7815 245.1719 246.4544 247.6613 248.8107 249.9139 250.9789 252.0114
252.2090 253.7815 255.1719 256.4544 257.6613 258.8107 259.9139 260.9789 262.0114
262.2090 263.7815 265.1719 266.4544 267.6613 268.8107 269.9139 270.9789 272.0114

Columns 10 through 15

133.0155 133.9948 134.9520 135.8891 136.8081 137.7105
143.0155 143.9948 144.9520 145.8891 146.8081 147.7105
153.0155 153.9948 154.9520 155.8891 156.8081 157.7105
163.0155 163.9948 164.9520 165.8891 166.8081 167.7105
173.0155 173.9948 174.9520 175.8891 176.8081 177.7105
183.0155 183.9948 184.9520 185.8891 186.8081 187.7105
193.0155 193.9948 194.9520 195.8891 196.8081 197.7105
203.0155 203.9948 204.9520 205.8891 206.8081 207.7105
213.0155 213.9948 214.9520 215.8891 216.8081 217.7105
223.0155 223.9948 224.9520 225.8891 226.8081 227.7105
233.0155 233.9948 234.9520 235.8891 236.8081 237.7105
243.0155 243.9948 244.9520 245.8891 246.8081 247.7105
253.0155 253.9948 254.9520 255.8891 256.8081 257.7105
263.0155 263.9948 264.9520 265.8891 266.8081 267.7105
273.0155 273.9948 274.9520 275.8891 276.8081 277.7105

Rendimientos

Factores que restan efectividad. Rendimientos intermedios:

• En espejo
• Absorción
• Reflexión no ideal (difusion)
  
• En reflector 2ario
• Absorción
• Reflexión no ideal se considera perdida minima. Distancias cortas
  
• Componente difusa de la irradiación.
• Transmisión de calor
• Radiación emitida por el tubo. Debida a la Temperatura

El rendimiento total de la instalación, será el producto de los rendimientos intermedios.

Reflexión Especular. Rugosidad

Al incidir la luz sobre un espejo perfecto, su comportamiento es el de reflejarse en su totalidad con un ángulo de salida igual al de entrada.

Al comparar este comportamiento con el de un caso real (espejo real), vemos que difieren principalmente en tres aspectos:

• La reflexión no es total. El espejo absorverá parte de la energía que le llegue.
• El ángulo de salida no es igual al de entrada.
  
• El rayo incidente no es reflejado en una sola dirección.

El estudio de la reflexión de la luz sobre una superficie, está fuertemente ligado a la rugosidad de la misma. De hecho, la similitud de su comportamientocon el especular, vendrá dado por su Grado de rugosidad.

Siguientes pasos:

1. Consultar el significado del diagrama figure 8. ¿Como puede estar el pico de bethaR en 90º, cuando el ángulo de incidencia betha es 60º.
   

Irradiaciones Directa y Difusa

La irradiación solar incidente sobre un cuerpo en la tierra se puede aproximar a la suma de dos componentes: La irradiación solar directa y la irradiación solar difusa.
La primera es la que llega al cuerpo desde la dirección del Sol.
La segunda es irradiación cuya dirección ha sido modificada por diversas circustancias ( densidad atmosférica, partículas u objetos con los que chocar,reemisiones, etc). Por sus características esta luz se considera venida de todas direcciones.

Analizando estas dos componentes de la luz solar, se observa que la difusa no puede ser considerada, en proporción alguna, en los cálculos energéticos para este sistema de colección de energía.

Por otro lado, esta descomposición no es más que un modelo para explicar el comportamiento de la energía solar. Por lo tanto es necesario el estudio añadido de comportamientos reales, lo cual pueda llevarnos a establecer un grado aproximado de la exactitud del modelo.
En la redacción del presente documento, no se está en posesión de datos reales con los que contrastar estas simplificaciones. No se puede por tanto determinar la magnitud de su aproximación a la realidad.