Publication: Estudio numérico de transferencia de calor en conductos en régimen turbulento
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Publication date
2013-09-25
Defense date
2013-09-25
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Abstract
El objetivo de este trabajo es analizar el origen de algunos problemas que ocurren en las
centrales termosolares de torre.
El problema principal afecta a las tuberías del receptor. Debido a varias causas, entre las que
destaca el sobrecalentamiento de sus paredes, dichas tuberías se rompen, obligando a
sustituirlas. Para poder solventar este problema es necesario conocer la relación entre la
temperatura en las paredes de la tubería y los parámetros que controlan el flujo (número de
Reynolds, número de Prandtl, distribución de calor, etc.). También es interesante conocer la
temperatura en toda la sección de la tubería de las sales de nitrato que circulan por dentro de
ella. De esta manera podremos comprobar si están trabajando a las temperaturas de trabajo
adecuadas, evitando su degradación prematura.
Para poder solucionar esos problemas hemos realizado un estudio de la transferencia de calor
en una tubería mediante un DNS. Las simulaciones se han corrido con un software de código
abierto llamado NEK5000, que permite correr en paralelo. En total, se han usado 460 horas de
procesado. Cada caso ha corrido en 12 procesadores.
Para este proyecto se han desarrollado tres casos. El Caso 1 en el que se aporta calor a la
tubería de forma uniforme. El Caso 2 que tiene un flujo de calor sinusoidal. Es decir, se
introduce calor por una mitad de la tubería y se extrae por la otra mitad. El Caso 3 tiene unas
condiciones aproximadas a las que tiene una tubería de una central termosolar. Está
configurado de manera que por una mitad de la tubería se introduzca calor de forma no
homogénea (zona donde incide la radiación solar a la tubería) y la otra mitad sea adiabática.
Hemos hecho la suposición de que la tubería está aislada de forma perfecta en la mitad donde
no incide la radiación solar. Evidentemente es una simplificación de lo que ocurre en realidad.
Los resultados obtenidos con NEK5000 se ajustan bastante bien a los que obtuvieron Wu y
Moin [11] en su DNS del flujo al mismo número de Reynolds. El campo de temperaturas del
Caso 1 se parecía notablemente al que obtuvo Piller [7] para su condición de contorno IWHF
con el mismo número de Reynolds y de Prandtl que se ha usado en este proyecto. Las ligeras
diferencias entre nuestros resultados y los de Piller [7] se deben principalmente a la resolución
de la malla, ligeramente insuficiente en nuestro caso.
Para los casos 2 y 3 se han obtenido estadísticas del campo de temperaturas y de los flujos
turbulentos de calor, resultados que aún sin validación parecen concordar con lo físicamente
esperado. De esta forma, este proyecto deja en el Departamento de Bioingeniería e Ing.
Aeroespacial una base de datos contrastada de transferencia de calor en tuberías con flujo
turbulento. Esta base de datos puede resultar útil en estudios preliminares de transferencia de
calor en flujos turbulentos con aporte de calor no uniforme.
Finalmente, hemos comparado las temperaturas en la pared de la tubería obtenidas de las
simulaciones con las que proporcionan los modelos semi-empíricos usados en la industria. Las
temperaturas obtenidas de estas correlaciones tienen errores significativos, superiores al
25%. En un futuro trabajo se podría ampliar este estudio. Utilizando una malla con más puntos, que
permitiera imponer un mayor número de Reynolds. También sería interesante tener en cuenta
el efecto de que las propiedades del fluido (densidad y viscosidad) varíen con la temperatura.
Sin embargo, estos trabajos necesitarían una potencia de cálculo superior a la utilizada en este
proyecto.
Description
Keywords
Transferencia de calor, Dinámica de fluidos, Tuberías, Centrales termosolares