Post on 24-Aug-2019
DETERMINACIÓN NUMÉRICA DE LA EFICIENCIA TÉRMICA DE TRES
COLECTORES SOLARES DE AIRE PARA SU UTILIZACIÓN EN EL SECADO DEL CACAO
PhD. MENDOZA ORBEGOSO ELDERPhD. SAAVEDRA GARCIA ZABALETA RAFAEL
PhD. MARCELO ALDANA DANIELPhD. LA MADRID OLIVARES RAUL
Sección EnergíaUniversidad de Piura
Av. Ramón Mugica 131, Piura
INTRODUCCIÓN
• Los granos de cacao son semillas que provienen de los árboles del cacao.
• Estos crecen en las zonas rurales de la costa y selva, y son recolectadas y transformadas en semillas de cacao seco.
• Actualmente, la transformación del cacao seco es realizado por medios artesanales.
• Este proceso demora aproximadamente 10-12, generando cuellos de botella en la línea de producción.
• Recientemente, el gobierno peruano está promoviendo investigaciones e innovaciones tecnológicas de manera a optimizar la producción del cacao.
• Parte de estas investigaciones están enfocadas al desarrollo de prototipos de secador solar indirecto para el secado de cacao.
• Estos prototipos, generalmente consisten de una cámara de secado y un colector solar de aire
Colectores solares indirectos
Colector solar de aire
Colector solar de aire
Drying chamber
Drying chamber
INTRODUCCIÓN
PROPÓSITO DE LA INVESTIGACIÓN
Diseño y análisis(*) del colector solar y la cámara de
secado capaz de cubrir el requerimiento energético de
un secador solar de 100 kg de cacao por lote.
(*) Para ellos se empleará herramientas sofisticadas basada en la
Dinámica de los Fluidos Computacional (CFD).
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN COLECTOR SOLAR DE AIRE
DE 1 PASO
Entrada
de aire
Placa
absorvedora
Cubierta
de vidrio
Material
aislante
Salida de
aire
Sol
viento
METODOLOGIA DE ANÁLISIS/DISEÑO
1. Construcción de un modelo CFD que simula el funcionamiento de un colector solar.
2. Validación del modelo CFD construido a través de datos experimentales.
3. Análisis de colectores solares de distintas configuraciones.
4. Diseño del secador solar (colector solar y cámara de secado) que atiendan los requerimientos de 100 kg/lote de cacao.
DINÁMICA DE LOS FLUIDOS
COMPUTACIONAL (CFD)
PROBLEMA REAL
Hipótesis Simplificadoras
Sistema Físico
Modelo Matemático
Modelo Experimental
Analítico Numérico
Integral DiferencialTécnicas
Experimentales
PrevisionesPrevisiones
Discretización
Geometría
Config. del problema
Resolución de las ecs. discretizadas
Modelado enCFD
Resultadosexperimentales
Resultadosnuméricos
VALIDACIÓN DEL MODELO CFD
Colector solar de 1 pasoMontaje Experimental
(Singh y Kumar, 2012)
Modelo CFD
(Orbegoso et al., 2016)
Vidrio
Aislante
Placa
Aire
Irradiancia solar:
300 – 800 W/m2
Flujos de aire:
- 0.026 kg/s
- 0.017 kg/s
- 0.009 kg/s
- Conv. natural
Temp. ambiente:
24.7 – 30.8 oC
Condicionesde operación
RESULTADOS I – Validación del Modelo CFD
Temperatura media del Aire a la salida del colector de 1 paso
0.026 kg/s
0.009 kg/s
0.017 kg/s
RESULTADOS I – Validación del Modelo CFD
Temperatura puntual de la Placa Absorbente del Colector de 1 Paso
0.026 kg/s
0.009 kg/s
0.017 kg/s
RESULTADOS I – Validación del Modelo CFDIrradiancia
I [W/m2]
Temp.
amb.
Tamb [oC]
Temperatura del aire a la salida
Tair,exit [oC]
Temperatura de la placa
Tplate [oC]
Singh &
Kumar
CFD
Simulation
%
error
Singh &
Kumar
CFD
Simulation
%
error
𝒎 𝒂𝒊𝒓 = 𝟎.𝟎𝟐𝟔 kg/s
300 27.63 30.93 30.44 1.6 43.15 41.49 3.8
450 26.90 31.54 30.88 2.1 47.31 46.92 0.8
600 27.87 32.52 32.28 0.7 51.96 50.63 2.6
750 27.87 33.25 33.49 0.7 55.50 57.10 2.9
800 30.07 36.31 36.03 0.7 59.78 61.20 2.4
𝒎 𝒂𝒊𝒓 = 𝟎.𝟎𝟏𝟕 kg/s
300 28.85 32.64 32.21 1.3 47.19 44.30 6.1
450 28.61 33.13 32.66 1.4 52.32 47.91 8.4
600 28.61 34.60 34.27 1.0 57.95 55.78 3.7
750 29.58 37.16 36.69 1.3 63.94 64.07 0.2
810 30.81 38.63 38.50 0.3 65.65 68.19 3.9
𝒎 𝒂𝒊𝒓 = 𝟎.𝟎𝟎𝟗 kg/s
300 29.34 36.43 34.43 5.5 54.16 48.67 10.1
450 30.07 38.26 37.60 1.7 62.47 59.13 5.3
600 30.07 39.85 39.81 0.1 69.07 68.22 1.2
750 29.34 40.71 40.91 0.5 75.06 75.53 0.6
800 30.07 42.54 41.94 1.4 78.73 78.04 0.9
Convección Natural
300 24.69 35.57 33.73 5.2 53.91 46.83 13.1
450 24.94 38.51 37.59 2.4 64.67 57.35 11.3
550 24.69 38.88 39.89 2.6 68.34 64.27 6.0
600 25.43 40.22 41.70 3.7 71.27 68.23 4.3
650 25.43 41.81 43.40 3.8 74.21 72.34 2.5
700 25.43 43.03 44.22 2.8 77.38 74.87 3.2
750 24.94 44.25 44.71 0.6 79.46 77.09 3.0
800 26.16 46.09 46.69 1.3 82.40 80.75 4.3
Temperatura aire salida[oC]
RESULTADOS II: análisis colector 1 paso
Temperatura media placa[oC]
RESULTADOS II – Análisis Colector 1 PasoCASO 1: 0.026 kg/s
CASO 2: Convección Natural (0.004 kg/s)
Temperatura del aire
Temperatura del aire
Temperatura de la placa
Temperatura de la placa
RESULTADOS III – Análisis Colectores
1 Paso y 3 Pasos
1paso
3 pasos – tipo A
Taire = 41.9 oC
Qabs,aire= 94 W
3 pasos – tipo B
Tplaca = 78 oC
ηTr = 28.4 %
Taire = 44.1 oC
Qabs,aire= 127 W
Tplaca = 65.2 oC
ηTr = 38.2 %
Taire = 47.4 oC
Qabs,aire= 157 W
Tplaca = 63.4 oC
ηTr = 47.4 %
Tamb = 30.1 oC I = 800 W/m2 𝒎𝒂𝒊𝒓𝒆 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟗 kg/s
Capacidad = 100 kg cacao/lote
Colector solar de 3 pasos tipo B
Tamb = 30.1 oC 𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟓𝟎 kg/s
𝑫𝒊𝒎𝒆𝒏𝒔𝒊𝒐𝒏𝒆𝒔 ∶ 𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚
Aire frio
Aire caliente
Aire frio
Aire caliente
Con material de almacenamientoSin material de almacenamiento
CASO DE ANÁLISIS/DISEÑO
RESULTADOS IV – Análisis Estacionario Colector Real 3 Pasos – tipo B
Con material de almacenamiento
Taire = 43.6 oC
Qabs,aire= 831 W
ηTr = 68.2 %
Tamb = 30.1 oC I = 800 W/m2 𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟓𝟎 kg/s
Sin material de almacenamiento
𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚
Taire = 62.6 oC
Qabs,aire= 1484 W
ηTr = 23.2 %
Qabs,matalm= 2535 W
Qtotal= 4363 W
Tamb = 30.1 oC I = 800 W/m2 𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟓𝟎 kg/s𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚
Con material de almacenamiento
Tplaca = 57.6 oC
Sin material de almacenamiento
Tplaca = 81.1 oC
Tmat alm = 48.2 oC
Ealm = 21.3 MJ
Que es equivalente a uma reserva de 1000 W durante 6 horas
RESULTADOS IV – Análisis Estacionario Colector Real 3 Pasos – tipo B
Parámetros ambientales media 5 años (Estación Meteorológica Universidad de Piura)
0 5 10 15 20 250
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tiempo [h]
Irra
dia
ncia
sola
r [W
/m2]
Radiación solar
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Noviembre
Diciembre
0 5 10 15 20 2518
20
22
24
26
28
30
32
34
Tiempo [h]
Te
mp
era
tura
[°C
]
Temperatura ambiente
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Noviembre
Diciembre
0 5 10 15 20 250
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Tiempo [h]
Ve
locid
ad [
m/s
]
Velocidad del viento
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Noviembre
Diciembre
0 5 10 15 20 2545
50
55
60
65
70
75
80
85
Tiempo [h]
Hum
edad [
%]
Humedad relativa
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Noviembre
Diciembre
Análisis Transitorio Colector Real 3 Pasos – tipo B
𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟓 kg/s𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚
Con material de almacenamiento
RESULTADOS V – Análisis Transitorio Colector Real 3 Pasos – tipo B
ENERO
𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟓 kg/s𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚
Con material de almacenamiento
RESULTADOS V – Análisis Transitorio Colector Real 3 Pasos – tipo B
𝒎𝒂𝒊𝒓 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟓 kg/s𝑳 x 𝑨 = 𝟒. 𝟎 x 𝟐. 𝟎 𝑚
Con material de almacenamiento
RESULTADOS V – Análisis Transitorio Colector Real 3 Pasos – tipo B
PROTOTIPO DEL SECADOR SOLAR (1/2)
CONCLUSIONES
• El modelo CFD para la simulación del colector solar fue validado con resultados experimentales de Singh y Kumar (2012), presentando diferencias porcentuales por debajo de 5.5% en la temperatura del aire a la salida del colector.
• Se determinó que el colector de 3 pasos de tipo B es el mas eficiente de todas las configuraciones aquí estudiadas.
• La eficiencia del colector solar de 3 pasos de tipo B se incrementa cuando se utiliza material de almacenamiento.
• Se diseñó un colector y una cámara de secado para cubrir el requerimiento energético de un secador solar de 100 kg de cacao por lote.
• Ambos equipos demostraron, cada uno, eficiencias de aprovechamiento de la energía térmica que pueden superar el 60%.
PhD. MENDOZA ORBEGOSO ELDERPhD. SAAVEDRA GARCIA ZABALETA RAFAEL
PhD. MARCELO ALDANA DANIELPhD. LA MADRID OLIVARES RAUL
Sección EnergíaUniversidad de Piura
Av. Ramón Mugica 131, Piura
GRACIAS!!!