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se describe el prototipo de colector solar utilizado para las mediciones, luego se detalla la instrumentación y el sistema de adquisición de datos. Finalmente, se realiza la comparación de los datos experimentales con los resultados de la solución numérica del modelo matemático
Tipologia: Resumos
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Área de Ingeniería Mecánico Eléctrica
Esta obra está bajo una licencia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú Repositorio institucional PIRHUA – Universidad de Piura
Modelación matemática, simulación y validación experimental de un colector solar de doble paso y circulación forzada con almacenamiento de energía
“A Dios, que me acompaña siempre, A mis padres Raúl Bedregal e Inés Tissieres,
A mis hermanos Alejandra, Javier y Fabricio
Por todo el sacrificio y su gran paciencia”.
Renzo Bedregal Tissieres
Modelación matemática, simulación y validación experimental de un colector
U N I V E R S I D A D D E P I U R A
FACULTAD DE INGENIERÍA
“Modelación matemática, simulación y validación experimental de un colector solar de doble paso y circulación forzada con almacenamiento de energía”
Tesis para optar el Título de
Msc. en Ingeniería Mecánico Eléctrica
con mención en Automática y Optimización
Renzo Bedregal Tissieres
Asesor: Dr. Rafael Saavedra García Zabaleta
Piura, Mayo del 2016
Prólogo
El presente trabajo forma parte de los requerimientos académicos para la obtención del título de Msc. en Ingeniería Mecánico Eléctrica que otorga la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Piura, según los planes de estudios vigentes.
El punto de partida de este trabajo se centra en el colector solar diseñado y construido por el laboratorio de Sistemas Automáticos de la Universidad de Piura, siendo fuente principal en la interiorización y comprensión de los conceptos que enmarcan la investigación. El presente estudio forma parte del proyecto Círculo de Investigación para mejorar la producción y calidad del cacao seco el cual es financiado por el Concytec y desarrollado con el soporte de especialistas de la Universidad de Piura y los asociados en dicho círculo de investigación.
El secador solar en el proyecto Círculo se diseñará para pequeñas y moderadas capacidades de producción en zonas rurales. Por tal motivo, el diseño, operación y mantenimiento deben ser, en la medida de lo posible, simples, de bajo costo y fácil replicabilidad.
La presente tesis constituye un trabajo de investigación y análisis que no hubiera sido posible sin el apoyo desinteresado, los ánimos, las ideas y la colaboración de valiosas personas que han participado y me han acompañado en esta ardua tarea. En primer lugar, he de expresar mi más sincero agradecimiento a DIOS por guiarme en este proceso.
En segundo lugar deseo expresar mi agradecimiento a mi asesor Dr. Ing. Rafael Saavedra García Zabaleta, por el apoyo y los conocimientos enseñados en el tema de investigación, y porque sus respuestas a mis inquietudes siempre fueron certeras y precisas. Asimismo, deseo reconocer a todos aquellos familiares y amigos que me han apoyado en esas situaciones de tensión por las que se pasa durante la realización de una tesis. Cabe destacar que este trabajo no hubiera sido posible sin el cariño, apoyo y comprensión de mis padres, quienes han sabido cultivarme valores a lo largo de mi vida, a ellos se lo debo todo. A mi alma mater, la Universidad de Piura, por labrar en mí las enseñanzas que conducen a una formación profesional y humanística mediante la exigencia, la calidad de enseñanza y la formación personal íntegra, además agradecer por el apoyo brindado durante la elaboración del trabajo.
Resumen
El secado de alimentos es una técnica esencial para evitar la degradación del mismo. Debido a los costos crecientes del combustible de origen fósil, el secado con energía solar se está volviendo más atractivo. El secado solar artesanal suele darse al aire libre y tiene varias desventajas como: condiciones de temperatura no controladas, exposición directa a radiación UV, posible contaminación con insectos, polvo o materia extraña y falta de protección ante fenómenos naturales como la lluvia. De manera alternativa, el secado puede realizarse de forma indirecta calentando el aire mediante un colector solar y luego enviarlo a una cámara de secado. De esta forma se evita los inconvenientes mencionados anteriormente. Sin embargo, este sistema no es muy utilizado en el sector agrícola del Perú debido al desconocimiento de la implementación adecuada y de los beneficios que trae versus la inversión que requiere. Por consiguiente se realizó una revisión bibliográfica sobre los parámetros que gobiernan el funcionamiento de un colector solar definiendo el modelo matemático completo basado en el balance de la energía, considerando también la variación de la radiación solar y las propiedades termodinámicas del aire húmedo. Así también, se estudió la implementación de aletas y material de almacenamiento de energía térmica. En la simulación realizada se puede evaluar diferentes casos de configuración con respecto al diseño, entre otros, se demuestra que las aletas aumentan la transferencia de calor de la placa colectora al aire de secado y que se requiere un almacenamiento de energía con capacidad calorífica elevada para atenuar la caída de la temperatura del aire calentado en las horas de radiación solar nula. Además se ha desarrollado un prototipo experimental tomando en consideración el mismo dimensionamiento y propiedades de los materiales del colector utilizado para la simulación, de modo que, se realiza la validación midiendo las temperaturas y humedades relativas de entrada y salida en el prototipo experimental y contrastándolo con los valores de simulación obtenidos. El resultado es muy satisfactorio y se puede concluir que el modelo matemático predice el comportamiento del colector solar de manera muy acertada.
II
2.3.11. Variación de humedad relativa ............................................................................... 30 2.3.12. Eficiencia del colector solar ................................................................................... 31 2.4. Determinación de constantes ......................................................................................... 32
Capítulo 3 Modelación y simulación numérica de distintas configuraciones de colectores solares ………………………………………………………………………………………….. 35
3.1. Estructura del programa de cálculo ................................................................................ 40 3.1.1. Etapa de pre-proceso............................................................................................... 40 3.1.2. Etapa de proceso ..................................................................................................... 43 3.1.3. Etapa de post-proceso ............................................................................................. 46 3.2. Datos del programa ........................................................................................................ 47 3.3. Configuración 1: Colector solar de doble paso y placa absorbente ............................... 50 3.4. Configuración 2: Colector solar de doble paso con placa absorbente y material de almacenamiento de energía térmica.......................................................................................... 53 3.5. Configuración 3: Colector solar de doble paso y placa absorbente con material de almacenamiento de energía térmica y aletas ............................................................................ 55 3.6. Configuración 4: Colector solar de doble paso con placa absorbente, material de almacenamiento de energía térmica y generadores de turbulencia. ......................................... 57
Capítulo 4 Análisis de sensibilidad de distintas configuraciones de colectores solares .……. 59
4.1. Variando el ancho del colector solar y manteniendo constante el largo, flujo másico y ángulo de inclinación ................................................................................................................ 59 4.2. Variando el largo del colector solar y manteniendo constante el ancho, flujo másico y ángulo de inclinación ................................................................................................................ 61 4.3. Variando el flujo másico y manteniendo constante el largo, ancho y ángulo de inclinación................................................................................................................................. 62 4.4. Variando el ángulo de inclinación y manteniendo constante el ancho, largo y flujo másico. ...................................................................................................................................... 64 4.5. Variando la altura de las aletas, manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento del colector constante ................................................................................. 65 4.6. Implementación de generadores de turbulencia, manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento del colector constante ................................................................................. 66
Capítulo 5 Mediciones experimentales en un colector solar de dos pasos con placa absorbente aleteada y material de almacenamiento de energía térmica ……………… …………………… 69
5.1. Descripción del colector solar ........................................................................................ 69 5.1.1. Sensores de temperatura ......................................................................................... 69 5.1.2. Sensor de radiación solar ........................................................................................ 71 5.1.3. Sensor de humedad relativa .................................................................................... 72 5.1.4. Sensor de velocidad de aire .................................................................................... 72 5.2. Construcción e instrumentación ..................................................................................... 73 5.3. Procedimiento de adquisición de datos .......................................................................... 77 5.3.1. Antes de las mediciones.......................................................................................... 77 5.3.2. Durante las mediciones ........................................................................................... 83
V
Figura 18 – Traslación de la tierra alrededor del sol .....................................................................
Figura 19 – Ángulos de incidencia de la radiación solar en la superficie terrestre .......................
Figura 20 – Variación del ángulo de declinación solar a lo largo del año ....................................
Figura 21 – Variación del ángulo de elevación solar a lo largo de un día promedio en enero para
una latitud de -5° ...........................................................................................................................
Figura 22 – Determinación radiación incidente ............................................................................
Figura 23 – Humedad relativa horaria promedio mensual de los últimos cinco años (2010-2014)
.......................................................................................................................................................
Figura 24 – Radiación solar horaria promedio mensual de los últimos cinco años (2010-2014).
Figura 25 – Temperatura ambiente horaria promedio mensual de los últimos cinco años (2010-
Figura 26 – Solucionador de Easy Java Simulations .....................................................................
Figura 27 – Algoritmo de resolución adicional al solver de Easy Java Simulations.....................
Figura 28 – Diseño de interfaz en Easy Java Simulations .............................................................
Figura 29 – Diagrama de flujo del programa de cálculo ...............................................................
Figura 30 – Programa de simulación empaquetado en archivo .jar...............................................
Figura 31 – Esquema de un colector solar de doble paso y placa absorbente ...............................
Figura 32 – Distribución de temperaturas de los componentes de un colector solar de doble paso
y placa absorbente .........................................................................................................................
Figura 33 – Humedad relativa del aire atmosférico a la salida del colector solar en función del
tiempo ............................................................................................................................................
Figura 34 – Esquema de un colector solar de doble paso con placa absorbente y material de
almacenamiento de energía térmica ..............................................................................................
Figura 35 – Distribución de temperaturas de los componentes de un colector solar de doble paso
con placa absorbente y almacenamiento de energía térmica .........................................................
Figura 36 – Humedad relativa del aire atmosférico a la salida del colector solar en función del
tiempo ............................................................................................................................................
Figura 37 - Distribución de temperaturas de los componentes de un colector solar de doble paso
y placa absorbente con almacenamiento de energía térmica y aletas ............................................
Figura 38 – Humedad relativa del aire atmosférico a la salida del colector solar en función del
tiempo ............................................................................................................................................
Figura 39 - Distribución de temperaturas de los componentes de un colector solar de doble paso
y placa absorbente con almacenamiento de energía térmica, aletas y generadores de turbulencia.
.......................................................................................................................................................
VI
Figura 40 – Humedad relativa del aire atmosférico a la salida del colector solar en función del
tiempo ........................................................................................................................................... 58
Figura 41 – Comparación de humedad relativa a la salida del colector solar variando el ancho, y
manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento constantes ......................................... 59
Figura 42 - Comparación de temperatura final del aire a la salida del colector solar variando el
ancho, y manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento constantes .......................... 60
Figura 43 - Comparación de humedad relativa a la salida del colector solar variando el largo, y
manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento constantes ......................................... 61
Figura 44 - Comparación de temperatura a la salida del colector solar variando el largo, y
manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento constantes ......................................... 61
Figura 45 - Comparación de humedad relativa a la salida del colector solar variando el flujo
másico, y manteniendo los demás parámetros constantes ............................................................ 62
Figura 46 - Comparación de temperatura final del aire a la salida del colector solar variando el
flujo másico, y manteniendo los demás parámetros constantes ................................................... 63
Figura 47 - Comparación de humedad relativa a la salida del colector solar variando el ángulo de
inclinación, y manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento constantes .................. 64
Figura 48 - Comparación de temperatura final del aire variando el ángulo de inclinación del
colector solar, y manteniendo los demás parámetros de dimensionamiento constantes .............. 64
Figura 49 - Comparación de humedad relativa a la salida del colector solar variando la altura de
las aletas, y manteniendo los demás parámetros constantes ......................................................... 65
Figura 50 - Comparación de temperatura del aire a la salida del colector solar variando la altura
de las aletas, y manteniendo los demás parámetros constantes .................................................... 66
Figura 51 - Comparación de humedad relativa a la salida del colector solar variando el tipo de
generadores de turbulencia, y manteniendo los demás parámetros constantes ............................ 67
Figura 52 - Comparación de temperatura final del aire a la salida del colector solar variando el
tipo de generadores de turbulencia, y manteniendo los demás parámetros constantes ................ 67
Figura 53 – Diagrama de ubicación de sensores en el prototipo de colector solar ....................... 70
Figura 54 – Termistor tipo platina RTD PT100 ........................................................................... 70
Figura 55 – Termistor tipo sonda RTD PT100 ............................................................................. 71
Figura 56 – Piranómetro LSI DPA863 ......................................................................................... 71
Figura 57 – Higrómetro NOVUS RHT-DM ................................................................................. 72
Figura 58 – Anemómetro Delta Ohm HD 403TS2 ....................................................................... 72
Figura 59 – Instalación de aislamiento térmico en prototipo de colector solar ............................ 73
Figura 60 – Montaje de RTD de tipo platina en la cubierta de vidrio superior ............................ 74
Figura 61 – Montaje de termistores tipo platina en las cubiertas de vidrio y placa absorbente ... 74
