{"id":131665,"date":"2012-08-16T11:46:58","date_gmt":"2012-08-16T10:46:58","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=131665"},"modified":"2012-08-16T18:14:05","modified_gmt":"2012-08-16T17:14:05","slug":"los-estudios-termo-fluidodinamicos-como-herramienta-para-optimizar-el-funcionamiento-de-las-plantas-solares-termoelectricas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2012\/08\/16\/131665","title":{"rendered":"Los estudios termo-fluidodin\u00e1micos como herramienta para optimizar el funcionamiento de las plantas solares termoel\u00e9ctricas"},"content":{"rendered":"

Las plantas termosolares utilizan la radiaci\u00f3n solar como fuente de energ\u00eda primaria y funcionan en base a un ciclo termodin\u00e1mico; con lo cual, los aspectos relacionados con la termodin\u00e1mica, la transmisi\u00f3n de calor y la fluidodin\u00e1mica son cruciales para un \u00f3ptimo funcionamiento de las mismas. Un an\u00e1lisis termo-fluidodin\u00e1mico de determinados sistemas en la planta podr\u00eda revelar posibles deficiencias y mostrar interesantes oportunidades de mejora.<\/strong><\/p>\n

[Autora: Pilar Orihuela-INTA]<\/strong><\/p>\n

La termo-fluidodin\u00e1mica es una rama de la ciencia que abarca e integra varias disciplinas: las principales son la termodin\u00e1mica, la fluidodin\u00e1mica, y los fen\u00f3menos de transferencia de calor y de materia. La qu\u00edmica de la combusti\u00f3n tambi\u00e9n est\u00e1 incluida aunque no siempre se menciona de forma expl\u00edcita. Aunque a\u00fan no est\u00e1 recogido en el diccionario, el t\u00e9rmino termo-fluidodin\u00e1mico<\/em> es un t\u00e9rmino cada vez m\u00e1s empleado en el \u00e1mbito de la investigaci\u00f3n y la ingenier\u00eda para designar a un tipo concreto de estudio, cuya finalidad principal es predecir las distribuciones de temperatura y los flujos de calor asociados a un sistema energ\u00e9tico.<\/p>\n

La termo-fluidodin\u00e1mica es de aplicaci\u00f3n a numerosos campos. Un ejemplo muy representativo de su aplicaci\u00f3n podemos encontrarlo en el sector aeron\u00e1utico, en particular en el campo de la propulsi\u00f3n. Tambi\u00e9n se ha aplicado recurrentemente al estudio de la turbomaquinaria, no s\u00f3lo para estudiar fen\u00f3menos concretos como la refrigeraci\u00f3n o las p\u00e9rdidas de carga, sino incluso para la realizaci\u00f3n de nuevos dise\u00f1os.<\/p>\n

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\u00a0Aplicaci\u00f3n de la termo-fluidodin\u00e1mica al dise\u00f1o de los \u00e1labes de un compresor axial [1,2].<\/strong><\/p>\n

Aunque a\u00fan no hay muchas referencias en el sector de las renovables, las plantas termosolares son un claro objeto de aplicaci\u00f3n de este tipo de an\u00e1lisis. Las plantas termosolares utilizan la radiaci\u00f3n solar como fuente de energ\u00eda primaria y funcionan en base a un ciclo termodin\u00e1mico; con lo cual, los aspectos relacionados con la termodin\u00e1mica, la transmisi\u00f3n de calor y la fluidodin\u00e1mica son cruciales para un \u00f3ptimo funcionamiento de las mismas. Hay varios elementos en una planta solar termoel\u00e9ctrica cuyo estudio desde un punto de vista t\u00e9rmico y fluidodin\u00e1mico podr\u00eda revelar posibles deficiencias e interesantes oportunidades de mejora: el receptor, los tanques de almacenamiento de fluido t\u00e9rmico, los sistemas de captaci\u00f3n, el ciclo de potencia, etc. Una mejora en cualquiera de ellos afectar\u00e1 de forma global y optimizar\u00e1 el funcionamiento de la planta.<\/p>\n

Por no entrar mucho en detalle, diremos que un estudio termo-fluidodin\u00e1mico consiste b\u00e1sicamente en delimitar el sistema que queremos estudiar, y en aplicarle todo el conjunto de ecuaciones matem\u00e1ticas que simulan su comportamiento, particularizadas para unas condiciones de funcionamiento y unas circunstancias externas concretas. Como resultado de resolver dichas ecuaciones se obtendr\u00e1 una soluci\u00f3n, que ser\u00e1 b\u00e1sicamente una predicci\u00f3n de c\u00f3mo se comportar\u00e1 el sistema (energ\u00e9ticamente hablando) en las condiciones establecidas.<\/p>\n

Todo estudio termo-fluidodin\u00e1mico requiere un paso previo de modelizaci\u00f3n. Generar un modelo supone establecer una descripci\u00f3n detallada del sistema a estudiar: definir su geometr\u00eda y establecer sus caracter\u00edsticas t\u00e9rmicas.<\/p>\n

Si el sistema es sencillo y no hay duda acerca de sus propiedades, generar un modelo puede reducirse simplemente a recopilar los datos necesarios para el estudio.<\/p>\n

Sin embargo, la mayor\u00eda de las veces los sistemas a estudiar son complejos y dif\u00edciles de caracterizar. Con frecuencia se desconocen las propiedades t\u00e9rmicas de los materiales involucrados; a veces dichas propiedades ni siquiera son constantes, sino que dependen de factores externos como la temperatura ambiental, o del propio estado de funcionamiento del sistema, lo que complica enormemente su definici\u00f3n. En ocasiones, la propia experiencia nos advertir\u00e1 que una geometr\u00eda, aunque definible, es demasiado enrevesada para la posterior aplicaci\u00f3n de las ecuaciones. En casos as\u00ed, el proceso de modelizaci\u00f3n conlleva una necesidad adicional de simplificaci\u00f3n y\/o idealizaci\u00f3n del sistema original.<\/p>\n

Una idealizaci\u00f3n podr\u00eda ser, por ejemplo, modelar una tuber\u00eda como un conducto infinito. Si la tuber\u00eda es lo suficientemente larga, los efectos de borde ser\u00e1n despreciables en un tramo central de la misma, y en dicho tramo los resultados ser\u00e1n muy similares a pesar de tener un modelo mucho m\u00e1s sencillo. Tambi\u00e9n es muy frecuente, por ejemplo, que si no se esperan grandes variaciones de temperatura, se considere constante el calor espec\u00edfico de los fluidos.<\/p>\n

Una vez definido el sistema y su modelo geom\u00e9trico, el siguiente paso es establecer las condiciones iniciales y de contorno. Esto quiere decir definir las circunstancias particulares, internas y externas, en las que vamos a querer simular el comportamiento del sistema: velocidad del fluido a la entrada de un conducto, temperatura ambiental, presi\u00f3n de descarga de una tobera, flujo de calor recibido por radiaci\u00f3n, etc.<\/p>\n

Una consideraci\u00f3n muy habitual a la hora de estudiar sistemas de almacenamiento t\u00e9rmico es, por ejemplo, suponer que las paredes de los tanques son adiab\u00e1ticas. Si el aislamiento de los tanques es bueno, las p\u00e9rdidas de calor a trav\u00e9s de sus superficies podr\u00edan ser despreciables y no afectar realmente al resultado del estudio.<\/p>\n

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Distribuci\u00f3n de temperaturas en un tanque de almacenamiento de sales de paredes adiab\u00e1ticas [3].<\/strong><\/p>\n

La parte m\u00e1s dif\u00edcil de todo estudio termo-fluidodin\u00e1mico es la resoluci\u00f3n de las ecuaciones. Independientemente de la complejidad del sistema a estudiar, los principios que rigen el transporte energ\u00e9tico y el comportamiento de los fluidos, presentan unas formulaciones muy avanzadas y su aplicaci\u00f3n implica la resoluci\u00f3n de una serie de sistemas de ecuaciones diferenciales. Hasta hace unas d\u00e9cadas los estudios termo-fluidodin\u00e1micos, tal como hoy los entendemos, no se llevaban a cabo simplemente por la dificultad que entra\u00f1aban; con los medios disponibles este tipo de estudios eran una tarea casi inalcanzable. Sin embargo, los avances en la inform\u00e1tica y el aumento de la potencia de c\u00e1lculo en las computadoras han permitido el desarrollo de nuevas t\u00e9cnicas de c\u00e1lculo m\u00e1s eficaces y precisas.<\/p>\n

Uno de los m\u00e9todos de resoluci\u00f3n num\u00e9rica m\u00e1s extendidos en la actualidad es el M\u00e9todo de los Elementos Finitos (MEF). El MEF consiste b\u00e1sicamente en dividir el dominio espacial del sistema que se quiere estudiar en un n\u00famero elevado de peque\u00f1os elementos, llamados celdas, y que est\u00e1n interconectados entre s\u00ed en una serie de puntos, llamados nodos. De esta forma se consigue pasar de un sistema continuo con infinitos grados de libertad, a un sistema discreto con un n\u00famero de grados de libertad finito. Las inc\u00f3gnitas del problema dejan de ser funciones matem\u00e1ticas y pasan a ser el valor de estas funciones en los nodos.<\/p>\n

El M\u00e9todo de los Elementos Finitos aplicado a problemas de mec\u00e1nica de fluidos y transferencia de calor, se suele denominar Din\u00e1mica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en ingl\u00e9s, Computational Fluid Dynamics).<\/p>\n

En el sector termosolar el uso de esta t\u00e9cnica est\u00e1 cada vez m\u00e1s extendido. Hasta ahora se aplicado sobre todo al estudio t\u00e9rmico de receptores; ya sean receptores de tubo para colectores cilindro-parab\u00f3licos [4], como receptores de cavidad para plantas de torres [5] o sistemas de Disco-Stirling [6]. Pero ya pueden encontrarse tambi\u00e9n algunos ejemplos de aplicaci\u00f3n en sistemas de captaci\u00f3n, sobre todo para determinar el efecto del viento o de la deposici\u00f3n de polvo [7, 8].<\/p>\n

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L\u00edneas de corriente y contornos de temperatura en el tubo absorbedor de un colector cilindro-parab\u00f3lico\u00a0 [9].<\/strong><\/p>\n

Los estudios termo-fluidodin\u00e1micos son una herramienta de gran potencial para el an\u00e1lisis de cualquier sistema t\u00e9rmico. Es cierto que los resultados obtenidos de forma te\u00f3rica no tienen total validez hasta que no se confirman con los resultados experimentales. Sin embargo, dado que es un m\u00e9todo de an\u00e1lisis mucho m\u00e1s econ\u00f3mico que los estudios en laboratorio o los ensayos en planta, su uso es aconsejable en la mayor\u00eda de los casos para disponer de predicciones fiables y facilitar la toma de decisiones.<\/p>\n

En el caso concreto del sector termoel\u00e9ctrico, la aplicaci\u00f3n de estos m\u00e9todos de an\u00e1lisis t\u00e9rmico y fluidodin\u00e1mico ya no es s\u00f3lo aconsejable sino casi imperativa. La grave crisis financiera que atravesamos ha llevado a la Administraci\u00f3n a retirar las ayudas a las renovables, y a gestionar con total escr\u00fapulo cada euro invertido en investigaci\u00f3n y desarrollo. Dada la situaci\u00f3n, es<\/p>\n

dif\u00edcil que conservemos la posici\u00f3n de Espa\u00f1a a la vanguardia del sector. Sin embargo, disponemos de recursos como \u00e9ste – los an\u00e1lisis termo-fluidodin\u00e1micos – que comentamos en esta entrada de blog, que brindan grandes posibilidades a bajo coste.<\/p>\n

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Bibliograf\u00eda:<\/p>\n

[1] Graham R. W, Adamczyk J. J, Rohlik H. E, 1985. Computational Thermo-Fluid Dynamics Contributions to Advanced Gas Turbine Engine Design. NASA Technical Memorandum 86865.<\/p>\n

[2] Gourdain N, Burguburu S, Leboeuf F, Michon G J, 2010. Simulation of rotating stall in a whole stage of an axial compressor. Computers & Fluids<\/a>, Volume 39, Issue 9<\/a>, Pages 1644\u20131655.<\/p>\n

[3] Yang Z, Garimell S. V, 2010. Molten-salt thermal energy storage in thermoclines under different environmental boundary conditions. Applied Energy<\/a>, Volume 87, Issue 11<\/a>, Pages 3322\u20133329.<\/p>\n

[4] Kumar K. Ravi; Reddy K. S, 2012. Effect of porous disc receiver configurations on performance of solar parabolic trough concentra<\/a>tor.\u00a0 Heat and Mass Transfer, Volume 48,\u00a0Issue 3,\u00a0Pages 555-571.<\/p>\n

[5] Chen H, Chen Y, Hsieh H, 2007. Computational Fluid Dynamics Modeling of Gas-Particle Flow Within a Solid-Particle Solar Receiver. Journal of Solar Energy Eng<\/a>ineering, Volume 129, Issue 2, Pages 160-170<\/a> .<\/p>\n

[6] Prakash M, Kedare S. B, Nayak J. K, 2009. Investigations on heat losses from a solar cavity receiver <\/a>. Solar Energy, Volume 83,\u00a0Issue 2,\u00a0Pages 157-170.<\/p>\n

[7] Christo Farid C, 2012. Numerical modelling of wind and dust patterns around a full-scale paraboloidal solar dish<\/a>. Renewable Energy, Volume 39,\u00a0Issue 1,\u00a0Pages 356-366.<\/p>\n

[8] Bakic Vukman V, Zivkovic Goran S, Pezo Milada L, 2011. Numerical simulation of the air flow around the arrays of solar collectors. Thermal Science, Volume 15, Issue 2, Pages 457-465.<\/p>\n

[9] Reddy K. S, Satyanarayana G. V, 2008. Numerical study of porous finned receiver for solar parabolic trough concentrator. Engineering applications of computational fluid mechanics, Volume 2, Issue 2, Pages 172-184.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Las plantas termosolares utilizan la radiaci\u00f3n solar como fuente de energ\u00eda primaria y funcionan en base a un ciclo termodin\u00e1mico; con lo cual, los aspectos relacionados con la termodin\u00e1mica, la transmisi\u00f3n de calor y la fluidodin\u00e1mica son cruciales para un \u00f3ptimo funcionamiento de las mismas. Un an\u00e1lisis termo-fluidodin\u00e1mico de determinados sistemas en la planta podr\u00eda revelar posibles deficiencias y mostrar interesantes oportunidades de mejora. [Autora: Pilar Orihuela-INTA] La termo-fluidodin\u00e1mica es una rama de la ciencia que abarca e integra varias disciplinas: las principales son la termodin\u00e1mica, la fluidodin\u00e1mica, y los fen\u00f3menos de transferencia de calor y de materia. La qu\u00edmica\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[545,547,549],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/131665"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=131665"}],"version-history":[{"count":8,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/131665\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":131675,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/131665\/revisions\/131675"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=131665"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=131665"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=131665"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}