Immigrants

Eficiencia Térmica.

La eficiencia experimental estuvo por debajo de la calculada con el modelo. Se le atribuye que la diferencia se debe las imperfecciones de los materiales principalmente, ya que se están utilizando las propiedades y características del material como si fuera ideal y en condiciones prácticas el equipo y componentes del concentrador muestran un desgaste físico, además se tiene cierta incertidumbre en los dispositivos de medición, tales como flujómetro, termopares, pirheliómetro, entre otros. Sin embargo, la eficiencia del nanofluido con 2% y 3% de concentración incremento con respecto a la del agua como se esperaba.

Flujo Volumétrico.

Cuando se disminuye el flujo volumétrico la eficiencia térmica baja ya que el régimen del flujo, representado por el número de Reynolds (𝑅𝑒), es menor lo que indica que el efecto de las fuerzas viscosas predomina a medida que el flujo volumétrico se acerca a cero, y por ende se genera un intercambio de calor menor entre el tubo receptor y el flujo.

Pérdidas por imperfecciones de los componentes del CSPL.

El desempeño del concentrador solar se ve afectado, en gran medida, por los errores que se presentan en los diferentes componentes del colector, como lo es el espejo reflejante, cubierta de borosilicato y tubo receptor. Ya que las pruebas experimentales se realizan a la intemperie, resulta imposible controlar el polvo, la humedad y otros factores que disminuyen la eficacia de los componentes. En la figura 6.31 se muestra que el polvo incrustado en el espejo receptor es considerable y este puede disminuir la reflectancia del espejo e impedir que los rayos del sol incidentes en el mismo se reflejen en su totalidad en el receptor; otro aspecto que se debe considerar es la alineación de la parábola del espejo ya que, si tiene imperfecciones y esta desalineada puede concentrar menor cantidad de energía solar en el receptor afectando el calor total recibido.

La figura 6.32 presenta los errores que se pueden generar debido a la humedad, polvo incrustado, suciedad y desgaste del material de la cubierta de cristal, afectando directamente a la transmisividad de la misma; en la figura 6.15 se muestra como esta propiedad tiene un efecto significativo en la eficiencia del concentrador.

La reflectancia del espejo, la absortividad y transmisividad de la cubierta de cristal afectan en la eficiencia óptica y por ende disminuye el calor total que le llega al tubo receptor afectando el desempeño del concentrador parabólico.

Fig. 6.31. Errores del espejo reflejante del concentrador parabólico lineal.

Fig. 6.32. Errores de la cubierta de cristal del concentrador parabólico lineal.

Otro de los errores significativos está en el recubrimiento del tubo receptor como lo muestra la figura 6.33. El recubrimiento sirve para mejorar la absortancia de la radiación incidente en el tubo y este, no está adherido en su totalidad al tubo de acero AISI 304, es por eso que debido al movimiento del receptor a lo largo del tiempo se ha desgastado especialmente en las zonas donde están los soportes de aluminio.

Fig. 6.33. Errores del tubo receptor del concentrador parabólico lineal.

Los errores presentados se estiman en el modelo teórico basados en el trabajo de Forristal [4] para poder compararlo los resultados experimentales.

Comparación de eficiencia térmica con datos teóricos.

La figura 6.34 muestra la eficiencia para diferente concentración volumétrica del nanofluido (𝐻2𝑂 − 𝐴𝑙2𝑂3) en base a la temperatura reducida. La gráfica presentada muestra que la máxima eficiencia se obtiene cuando la temperatura reducida es menor; una tendencia similar en el comportamiento de la eficiencia lo muestra Kaloudis et al. [5] para simulación numérica de un tubo, que usa diferentes nanofluidos como fluido de trabajo, y que es sometido a radiación, tal como en un concentrador solar. La figura 6.34 son los resultados presentados por Kaloudis, en donde se observa que la eficiencia obtenida con sus simulaciones es mayor que la que se obtuvo en este trabajo, sin embargo, la tendencia que tienen la muestra de incrementar el desempeño térmico con forme aumenta la concentración de nanopartículas en el fluido es similar. La temperatura reducida varía significativamente con dos parámetros, la temperatura media del fluido y la radiación solar incidente, En el trabajo de Kaloudis et al. [5], se varía la temperatura de entrada del fluido que afecta directamente a la temperatura media, y se mantiene constante la radiación solar.

Fig. 6.34. Eficiencia de un colector respecto la concentración de nanopartículas de un nanofluido (𝑯𝟐𝑶 − 𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑), para diferentes temperaturas de entrada [5].

Propiedades del nanofluido (𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑− 𝑯𝟐𝑶).

Para mantener la solución homogenizada se utiliza un surfactante, en este caso, el surfactante debió de ser añadido en la muestra que se adquirió con el proveedor (US Nanomaterials Research, Inc.), sin embargo, la muestra adquirida no se mantiene con la solución homogenizada y estable, por lo que se tiene una sedimentación más rápida que otras muestras antes adquiridas (figura 6.35), provocando un efecto en las propiedades termofísicas que perjudica las pruebas realizadas en la investigación. A continuación, se analiza cada una de las propiedades medidas experimentalmente, las cuales son las de mayor relevancia para la investigación.

Fig. 6.35. Muestra de nanofluido (𝑯𝟐𝑶 − 𝑨𝒍𝟐𝑶𝟑) de 𝝓𝑽𝒐𝒍= 𝟑%, 15 días después de la

dispersión ultrasónica.

La densidad de un fluido es la masa contenida en una unidad de volumen, es por esto que los datos obtenidos en la figura 6.9 no muestran variación con respecto a los calculados con la correlación, porque esta propiedad no depende directamente de las interacciones de las nanopartículas sólo de su peso.

Por otro lado, la viscosidad es una de las propiedades de nanofluidos más estudiada, por su gran variación respecto a valores calculados con correlaciones. En la figura 6.10 se muestra que la viscosidad experimental tiene una diferencia notable respecto a la obtenida con la correlación del modelo de Williams, esto se debe a que dicha propiedad se ve afectada por el tipo de nanopartícula que se utilizó en el nanofluido y la concentración volumétrica, y no existe una relación general que se pueda aplicar a diferentes muestras con características del fluido y nanopartículas distintas. Generalmente, se tienen correlaciones empíricas desarrolladas en diferentes investigaciones. En este trabajo se utiliza la correlación obtenida por Williams et. al. [2], aplicada para nanofluidos compuestos de agua y óxido de aluminio a concentraciones de 0 ≤ 𝜙_𝑉𝑜𝑙 ≤ 3%.

Sin embargo, aunque se aplicó una ecuación obtenida en base a datos experimentales con condiciones similares a las de este proyecto, si hubo variación considerable entre el

modelo y las mediciones. La variación puede ser debido al uso de un surfactante diferente en las muestras. Como se menciona anteriormente, se desconoce el surfactante usado en para la preparación del nanofluido adquirido con el proveedor, esto es por políticas de confidencialidad de la empresa. De igual manera no se conoce el surfactante usado por Williams [2] para obtener la correlación. Es importante mencionar que cada surfactante o solución agregada al nanofluido para mantener la estabilización de la muestra, es muy variable y tiene efectos significativos en las propiedades del nanofluido. Es decir, si en nuestra muestra el surfactante no está haciendo su función como se espera, puede ser que la dispersión no se esté realizando de manera adecuada porque no hay una separación permanente de las nanopartículas, por tal motivo la viscosidad será mayor que la estimada.

Pérdida de concentración volumétrica en nanofluido (𝑨𝒍_𝟐𝑶_𝟑− 𝑯_𝟐𝑶).

Como se menciona anteriormente, se hicieron pruebas con nanofluido de agua y óxido de aluminio a concentraciones del 2 y 3%. Sin embargo, debido a que se realizaron diversas pruebas durante varios días con el fin de tener las condiciones climatológicas adecuadas, las nanopartículas del fluido preparado para cada prueba se pudieron aglomerar y por consecuencia sedimentar, disminuyendo la calidad de las muestras conforme pasaba el tiempo.

Además, el tanque utilizado en el sistema del CSPL tenía la salida para la bomba 10 cm por encima de la base, impidiendo que se removiera en su totalidad el fluido utilizado en cada muestra. Por esta razón, se asume que la disminución de la concentración se pudo dar por los dos motivos siguientes:

• Mezcla del nanofluido con agua. Debido a que el nanofluido se mezcló con agua que no se pudo remover del sistema, la cual pudo estar en la parte baja del tanque y en ciertas partes de la tubería. Al tener mayor cantidad de agua, decrece la concentración del nanofluido.

• Sedimentación. Conforme pasa el tiempo las nanopartículas se sedimentan en la tubería y en el tanque, por esto no se retiró la misma masa del sistema que se le puso al principio de las pruebas. En la figura 6.36 se muestra la sedimentación en una parte de la tubería; cabe mencionar que cuando se pone en movimiento el fluido dentro de la tubería se vuelve a mezclar, haciendo la capa de sedimentación más delgada.

Fig. 6.36. Sedimentación de nanopartículas en la tubería del sistema de pruebas.

Efecto del ángulo de incidencia sobre el CSPL.

A lo largo de la investigación se han analizado diferentes parámetros que afectan la eficiencia del concentrador solar, uno de estos parámetros es el ángulo de incidencia, el cual se analiza a continuación. El ángulo de incidencia es importante ya que muestra la inclinación que tiene el sol sobre el CSPL. Cuando el sol es normal al colector el ángulo es de cero grados, este sería el ángulo ideal, ya que los rayos del sol estarían incidiendo en el área total de captación y el calor útil sería el máximo posible; como se menciona anteriormente, este ángulo se alcanza en la temporada de verano.

Las pruebas experimentales llevadas a cabo en la investigación se hicieron en los meses de febrero a mayo, teniendo en febrero un ángulo promedio de 30° y en mayo y últimos días de abril, un ángulo de 10°. En la gráfica 6.30 se presentan las eficiencias de los diferentes experimentos realizados para esta investigación de acuerdo a su ángulo de incidencia, encontrando que se obtuvo mayor eficiencia cuando el ángulo de incidencia es menor.

En la figura 6.37 se puede apreciar que hay una parte del tubo receptor que no está sometido a concentración solar debido a que, cuando el ángulo de incidencia es mayor significa que el sol está sesgado al sur, y esto hace que el enfoque de la parábola del espejo del CSPL cambie y tienda a reflejar los rayos del sol, que inciden en el mismo, hacia el norte, provocando que una zona del tubo no reciba radiación solar concentrada. Este efecto provoca que con ángulos de incidencia mayores a 15° se tenga una zona considerable de No-Concentración en el tubo receptor, la cual afecta el desempeño térmico del

concentrador. Para las pruebas realizadas, el efecto del ángulo de incidencia tiene mayor peso, ya que la zona de No-Concentración se produce en la salida del tubo receptor, lo cual provoca que el fluido pierda cierta temperatura antes de la lectura del termopar.

6.6. Referencias.

[1] Lee, J. H., Hwang, K. S., Jang, S. P., Lee, B. H., Kim, J. H., Choi, S. U. S., & Choi, C. J. (2008). Effective viscosities and thermal conductivities of aqueous nanofluids containing low volume concentrations of Al2O3 nanoparticles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 51(11-12), 2651–2656. http://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.10.026

[2] Williams, W., Buongiorno, J., & Hu, L.-W. (2008). Experimental Investigation of Turbulent Convective Heat Transfer and Pressure Loss of Alumina/Water and Zirconia/Water Nanoparticle Colloids (Nanofluids) in Horizontal Tubes. Journal of Heat Transfer, 130(4), 42412. http://doi.org/10.1115/1.2818775

[3] Tagle Salazar, Pablo D. Caracterización Y Evaluación Técnica De Un Sistema De Concentradores Parabólicos Lineales Para la Norma SRCC 600. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. (2014)

[4] Forristall, Russell. (2003). 27--Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Trough Solar Receiver Implemented in Engineering Equation Solver. National Renewable Energy Laboratory, (October), 164. http://doi.org/NREL/TP-550-34169

[5] Kaloudis, E., Papanicolaou, E., & Belessiotis, V. (2016). Numerical simulations of a parabolic trough solar collector with nanofluid using a two-phase model. Renewable Energy, 97, 218–229. http://doi.org/10.1016/j.renene.2016.05.046