Unsteady laminar convection in cylindrical domainsnumerical studies and application to solar water storage tanks

Resumo

Los dispositivos de almacenamiento de energía térmica son ampliamente usados en diversos sistemas térmicos caracterizados por un desfase temporal entre la producción de energia y su consumo, como es el caso de los sistemas de energía solar térmica. El diseño optimizado de estos equipos puede representar un considerable aumento en el rendimiento térmico de la instalación de la cual forman parte. En la línea de optimización de sistemas y equipos térmicos, en los últimos años la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) se ha consolidado como una herramienta básica, proporcionando a investigadores e ingenieros un método para ensayar virtualmente sus diseños, disminuyendo los costes en términos de tiempo, recursos y personal. Es en esta línea se encuentran las principales aportaciones de esta tesis, la cual tiene como principal objetivo la simulación numérica de procesos de convección laminar en régimen transitorio y dominios cilíndricos para su aplicación al estudio de los fenómenos de transferencia de calor y dinámica de fluidos que tienen lugar en los tanques de almacenamiento de energía. Se presenta la metodología seguida para la resolución de las ecuaciones gobernantes de la transferencia de calor y dinámica de fluidos en coordenadas cilíndricas, mostrando las principales particularidades de su discretización para este tipo de geometrías y se detalla el tratamiento realizado para resolver estas singularidades dentro del código numérico. Posteriormente, se expone la metodología para la solución de flujos transitorios e incompresibles y se realiza un riguroso proceso de verificación del código y las soluciones numéricas obtenidas. Esta metodología se aplica al estudio del comportamiento de los tanques de almacenamiento de energía estratificados. Un aspecto básico del funcionamiento de estos equipos es la calidad de la energía almacenada. Esta calidad viene determinada por el grado de estratificación térmica, en la cual influyen diferentes factores como la mezcla que ocurre debido a las corrientes de fluido que entran durante los procesos de carga y descarga térmica y también debido al intercambio de calor con el ambiente. En este sentido, en este trabajo se analiza la estratificación térmica para diferentes condiciones de trabajo y configuraciones por medio de las simulaciones numéricas multidimensionales. Para medir el grado de estratificación se han tenido en cuenta diferentes parámetros y como resultado del estudio, se propone un parámetro adimensional basado en un análisis exergético. Esta exergía adimensional ha permitido comparar el funcionamiento de los tanques en las diferentes situaciones analizadas y se ha mostrado útil para cuantificar la calidad de la energía almacenada. Por otra parte, se estudia el comportamiento térmico de los tanques de almacenamiento durante su modo de operación estático y considerando las pérdidas de energía al ambiente. Este estudio tiene como objetivo fundamental caracterizar el proceso de enfriamiento del fluido en tanques que forman parte de sistemas solares térmicos para el rango de bajas y medianas temperaturas. Se presenta la metodología seguida para el análisis, desde la identificación de los números adimensionales que definen el problema, la formulación de un modelo zonal para la predicción del comportamiento térmico, el estudio paramétrico llevado a cabo y el posterior post-proceso de los resultados con el objetivo de proporcionar los parámetros necesarios para alimentar el modelo zonal. El modelo propuesto, junto con las correlaciones obtenidas, predicen correctamente el comportamiento del fluido, constituyendo una alternativa interesante para reproducir el proceso de enfriamiento del fluido en los tanques durante largos periodos de tiempo. -----------------------------