TAZ-TFM-2014-424


Modelado térmico de cavidades para Disco Stirling con cubierta transparente

Gil Gil, Rubén
Monne Bailo, Carlos (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2014
Ingeniería Mecánica department, Máquinas y Motores Térmicos area

Máster Universitario en Energías Renovables y Eficiencia Energética

Abstract: El Disco Stirling es un sistema de concentración solar en fase de desarrollo, compuesto por un concentrador, un conjunto cavidad-absorbedor y un motor Stirling. El concentrador focaliza la energía solar en un punto, el cual es el foco caliente del motor Stirling; el papel de la cavidad en este sistema es el de hacer que el intercambio de energía entre el concentrador y el motor sea lo mejor posible. Hasta el momento, los estudios llevados a cabo no reportan resultados concluyentes en cuanto a una geometría óptima, existiendo multitud de variantes que influyen en el diseño de la misma (condiciones climáticas de operación, potencia del sistema, propiedades de los materiales…). Algunos de ellos proponen la inclusión de una cubierta transparente que cubra la cavidad, constituyendo ésta una alteración del funcionamiento de la cavidad, tanto a nivel de convección, como de conducción y radiación. Tras realizar una revisión de los conceptos que rigen la transferencia de calor en una cavidad y los estudios realizados hasta el momento, se parte de una geometría de cavidad con cubierta transparente para realizar un modelo térmico. Éste ha de permitir la variación geométrica de la misma, así como la variación de las propiedades de los materiales de los que está construida, con el objeto de poder realizar así un amplio análisis del comportamiento del sistema. La herramienta utilizada para desarrollar el modelo térmico es Matlab, la cual no presenta ningún tipo de limitación de variables y constituye un potente instrumento de simulación. Para el desarrollo del modelo se utiliza el método de las diferencias finitas, incluyendo intercambio de calor por conducción, convección y radiación. El intercambio de calor por radiación se evalúa utilizando el método de las radiosidades, y se contemplan dos espectros en su desarrollo, uno referente a la radiación de onda larga (radiación emitida por la cavidad y la cubierta) y otro referente a la radiación de onda corta (radiación emitida por el Sol). Para implementar el modelo de cubierta se ha utilizado el método de la radiación neta y los balances de energía que a partir de él se pueden plantear. La fuente solar, que incide sobre la cubierta transparente se divide en diferentes zonas con valores de irradiación distintos para que la situación se asemeje a la real en la medida de lo posible. Las principales dificultades que surgen al desarrollar el modelo están relacionadas con el hecho de que la geometría sea variable, teniendo que definir de forma “dinámica”, tanto los balances de energía, como la evaluación de radiosidades, como de factores de vista (calculados de manera exacta), ya que el número de superficies sobre las que éstos se evalúan dependen de la geometría y la precisión deseadas para resolver el problema (variables de entrada). La principal ventaja y resultado del trabajo es que se ha desarrollado una potente herramienta que evalúa de forma conjunta todas las pérdidas que tienen lugar en la cavidad, y que puede desempeñar un papel muy útil en el diseño de cavidades para disco Stirling (tanto con cubierta transparente como abiertas). Esta herramienta se ha utilizado para obtener unas pautas de diseño geométrico y de selección de materiales a utilizar, así como analizar los beneficios de inclusión de una cubierta transparente en el modelo.

Tipo de Trabajo Académico: Trabajo Fin de Master
Notas: Licencia cambiada a solicitud del autor (parte Ayudica TicketUZ-201505040034417)

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