Estudios del flujo laminar en conductos sometidos a cambio térmicoexperimentación en captadores de energía solar térmica

Abstract

Esta tesis doctoral se estructura en cinco capítulos estrechamente relacionados, cada uno basado en parte de las conclusiones y resultados del anterior. El objetivo general ha sido simular los perfiles de temperaturas en el interior del fluido circulante a través de tubos de un captador solar térmico plano. El primer capítulo plantea las bases teóricas y experimentales en que se sustenta toda esta investigación. El segundo capítulo amplía la base teórica aplicando el Análisis Dimensional Discriminado al estudio de tuberías en las condiciones del Problema de Graetz, y actúa uniendo los fundamentos y la investigación concreta de captadores solares. Tras un análisis numérico se propone una nueva variable de diseño de conductos de fluido caloportador denominada longitud característica, a partir de la cual se han obtenido los perfiles de las curvas universales de temperatura y calor del fluido circulante. En el tercer capítulo se ha ampliado el Problema de Graetz a tres dimensiones para romper la simetría del problema y acercarlo al fenómeno térmico real mediante variaciones en el perfil de velocidad y en las condiciones de contorno. En el cuarto capítulo, simultáneamente a los anteriores, se describe el proceso de toma de medidas experimentales útiles para la comunidad científica así como el análisis de datos en base a la norma EN-12975:2006. Se comparan los datos recogidos en los puntos indicados por la norma con los demás datos obtenidos en esta experimentación, tomados en más de 80 puntos. Los datos experimentales se utilizan para comparar y validar los resultados de los modelos de simulación numérica elaborados en esta investigación. El quinto capítulo presenta las bases de un modelo de simulación 3D que contempla todas las consideraciones y conclusiones de todos los capítulos anteriores. Se realizan propuestas para perfeccionar el modelo añadiendo condiciones de contorno para futuras investigaciones.

En las conclusiones generales de la tesis se resume que los modelos de simulación numérica planteados en el segundo y tercer capítulo resuelven problemas distintos. Que ambos modelos aproximan más los resultados a los experimentales que los encontrados en la literatura científica en las cuatro secciones transversales de medición estudiadas. Que el modelo de simulación numérica planteado en el capítulo cinco aproxima los resultados a los medidos experimentalmente en el capítulo cuatro aún mejor que los modelos anteriores por haberse impuesto una condición de contorno de calor constante. Que en cuanto al estudio experimental, se han aportado dos métodos alternativos al indicado en la norma para la obtención de la temperatura media del absorbedor de un captador solar, uno de ellos es más aproximado y el otro es más operativo que el indicado en la norma.

Es aportación la comparación de rendimientos térmicos de dos sistemas distintos de unión placa-tubo, encontrándose más eficiente el conjunto formado por tubos de cobre soldados por puntos a un absorbedor de aluminio, que el formado por tubos de cobre abrazados mecánicamente y soldados con estaño a un absorbedor de cobre. El análisis estático y dinámico de los elementos del captador aporta una descripción de la inercia térmica de cada uno de dichos elementos, encontrándose que se deberían tener en cuenta los efectos de la cubierta posterior, superficie acristalada y aislamiento sobre la inercia global del captador. Se confirma que el aire interior no tiene influencia en esta previsión. Se ha obtenido un acuerdo importante entre las predicciones realizadas con el nuevo modelo cuasi-dinámico y los resultados reales observados.

Por último, los anexos completan los resultados obtenidos en algunos capítulos, fundamentan parte de la metodología utilizada en toda la investigación, y añaden sugerencias destinadas al uso de esta metodología y resultados aplicados a la docencia en enseñanzas técnicas. This doctoral thesis is structured into five closely related chapters, each based in part on the conclusions and results of the previous one. The general objective has been to simulate the temperature profiles inside the circulating fluid through tubes of a flat solar thermal collector. The first chapter raises the theoretical and experimental bases on which this research is based. The second chapter expands the theoretical basis applying the Discriminated Dimensional Analysis to the study of pipelines under the conditions of the Graetz Problem, and acts as a link between the general foundations and the concrete investigation of solar collectors. After a numerical analysis, a new design variable for the heat transfer fluid in ducts, denominated characteristic length, is proposed. From it, the profiles of the universal temperature and heat curves of the circulating fluid have been obtained. In the third chapter, the three-dimensional Graetz Problem has been extended to break the symmetry of the problem bringing it closer to the actual thermal phenomenon through variations in the velocity profile and in the boundary conditions. In the fourth chapter, simultaneously to the previous ones, the process of taking experimental measures, useful for the scientific community, as well as the data analysis based on the standard EN-12975: 2006 is described. The data collected in the points indicated by the standard are compared with the other data obtained in this experiment, taken in more than 80 points. The experimental data are used to compare and validate the results of the numerical simulation models elaborated in this research. The fifth chapter presents the basis of a 3D simulation model which contemplates all the considerations and conclusions of all the previous chapters. Proposals are made to refine the model by adding boundary conditions for future research.