Simulación en estudio de optimización de colectores solares
En las tres últimas décadas, la demanda de energía ha aumentado considerablemente debido al crecimiento demográfico, la modernización de los procesos industriales y la urbanización mundial. El uso de energía convencional, como los combustibles, ha causado daños ambientales preocupantes para el planeta. Con el fin de mitigar estos impactos, las fuentes de energía renovable, como la solar, se han convertido en importantes temas de investigación, como el que se presenta a continuación, desarrollado por investigadores de la Universidad Federal ABC en Santo André, São Paulo.
El estudio “Análisis de sensibilidad paramétrica y optimización de un colector solar de aire con varias líneas de generadores de vórtices longitudinales” fue realizado por el Prof. Daniel Dezan, en colaboración con los ingenieros André Rocha y Wallace Ferreira, con el fin de aumentar la transferencia de calor en un colector solar para el calentamiento del aire.
Para llevar a cabo el estudio, los ingenieros utilizaron Ansys Fluent para el análisis de flujo y la transferencia de calor. Para la optimización, basada en los sustitutos, las superficies de respuesta fueron generadas con el software ESTECO modeFrontier (mF). Ambas tecnologías son suministradas por ESSS. Según Dezan, que tiene un doctorado en Ingeniería Mecánica de la Universidad de São Paulo y es profesor adjunto de la UFABC, las herramientas han ayudado a resolver una mayor cantidad de problemas con más agilidad que cualquier otra forma de respuesta conocida.
“Estas herramientas se implementan con la intención de que corran cada vez más rápido, siendo un desarrollo multidisciplinario. Al ser tan avanzadas, nos permiten ahorrar tiempo en la simulación para resolver nuestros problemas de ingeniería. Las usamos inteligentemente para ganar tiempo, sin que algunos impedimentos de la comunidad científica cuestionen los resultados. mF posee varias herramientas matemáticas que también aceleran nuestro trabajo. Ansys Fluent está muy consolidado y la relación costo-beneficio también es positiva. Se ha utilizado mucho en las universidades para el desarrollo del estudio”, subraya Dezan.
El artículo se publicó en enero de 2020 en Applied Energy, una galardonada revista sobre innovación, investigación, desarrollo y demostración en las esferas de la conversión y conservación de la energía, los recursos energéticos, la optimización de los procesos energéticos, la mitigación de los contaminantes ambientales y los sistemas de energía sostenible. En poco menos de seis meses de publicación, ya se ha convertido en una cita de otros estudios.
Relevancia del estudio
Además de ser renovable, la energía solar es una fuente verde, gratuita e inagotable. La conversión de la radiación solar en energía térmica para fines de calefacción puede lograrse mediante diversos tipos de colectores solares térmicos. Los colectores solares son dispositivos que se utilizan en aplicaciones que requieren temperaturas moderadas, especialmente las relacionadas con el calentamiento, secado y ensilado de granos, frutas y verduras.
Las ventajas de estos colectores son la simplicidad, el bajo costo de fabricación y el medio de transferencia de calor, los cuales no presentan riesgos ambientales o para la salud. Sin embargo, la capacidad de transferencia de calor de estos equipos es pequeña. Existen varios diseños diferentes de colectores solares de aire, que pueden clasificarse básicamente como sectores de la trayectoria del flujo de aire involucrados en sistemas de paso simple y doble. El estudio realizado trata del tipo de paso único, como se ilustra en la imagen.
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Vista lateral de un colector solar de aire de paso único.
Las investigaciones sobre la mejora de la transferencia de calor entre la plataforma más baja y el flujo son muy importantes, ya que las características de la transferencia de calor se rigen principalmente por la velocidad y el patrón de flujo. La formación de una capa límite en la placa absorbente es la principal resistencia a la transferencia de calor. Por lo tanto, los esfuerzos para aumentar la transferencia de calor deben dirigirse a interrumpir la capa límite. El aumento de la transferencia de calor entre la placa absorbente y el aire que fluye reduce los niveles de temperatura del tipo de canal, lo que afecta positivamente a la eficiencia del colector, ya que se mitigan las pérdidas de calor en el medio ambiente. Hay muchos factores que afectan a la eficiencia del colector, entre ellos el material y las dimensiones de la placa, la velocidad del viento, la temperatura ambiente, las condiciones del flujo de entrada, el tipo y cantidad de vidrio, la cubierta, la suciedad de la cubierta de vidrio, el tipo y grosor del aislamiento.
En este contexto, la optimización de los colectores solares de aire del tipo canal con generadores de vórtice (en este caso, delta winglets) es el área de interés de la investigación de la UFABC. Otra posible forma de mejorar el rendimiento termo-hidráulico de los colectores solares es el uso de generadores de vórtice longitudinal (LVGs), que promueven una mejor mezcla de fluido caliente y frío. Los generadores de vórtices longitudinales aumentan el coeficiente de transferencia de calor entre la placa absorbente y el aire, haciendo posible una disposición más pequeña y compacta para la misma temperatura de funcionamiento o temperaturas más altas en la salida.
Aspectos destacados del estudio
Como se ha mencionado, la investigación se centró en el análisis de sensibilidad y la optimización basada en la sustitución de los tipos de canales de colectores solares de aire con tres pares de mangueras, distribuidos en ambas orientaciones (de flujo común a flujo bajo y de flujo común a flujo alto) en los números 5.000 y 10.000 de Reynolds.
El rendimiento del canal se investigó considerando la variación de nueve parámetros de entrada relacionados con el cordón, la altura y el ángulo de ataque de cada línea de pares de delta winglet, en los que las líneas de los generadores de vórtice son independientes unas de otras.
El análisis de sensibilidad (AS) se realizó utilizando los indicadores Morris, FAST y PAW. A partir de este análisis, se destacó que el factor de fricción es mucho más sensible a las variables del proyecto que el número de Nusselt.
El procedimiento de optimización consistió en combinar el modelo de Krigeaje Anisotrópico y el Algoritmo Genético de Clasificación No-Dominada (NSGA-II). Las soluciones optimizadas indicaron que los mayores rendimientos del canal se logran cuando los generadores de vórtice no se distribuyen periódicamente a lo largo del canal. En lo que respecta a la relación de potencia de tonet, la matriz Common-Flow-Up tuvo un mejor rendimiento que las matrices de Common-Flow-Down y la mejora de este parámetro no se edita cuando se aumenta el número de Reynolds.
Los vórtices principales generados por los pares de alas delta en Re = 10.000 propagan el mismo flujo más cerca de la placa absorbente, y los vórtices de las esquinas son débiles y se disipan rápidamente a lo largo de la dirección del flujo principal, tanto para las matrices Common-Flow-Up como Common-Flow-Down.
El uso de herramientas de simulación en el estudio
Para Dezan, el mayor reto de este estudio fue unir la elaboración de la geometría, la discretización computacional (mallas computacionales), la simulación de flujo y la transferencia de calor, de forma automática, seguido de análisis de sensibilidad y optimización. Las herramientas Ansys y modeFrontier se utilizaron en varias etapas del estudio, como puede verse a continuación en algunas fases relevantes.
El análisis de sensibilidad puede definirse como el estudio de la incertidumbre en la salida de un modelo, sea numérico o de otro tipo, que puede atribuirse a diferentes fuentes de incertidumbre en la entrada del modelo. Hay muchos enfoques diferentes de los AS, así como muchos paquetes de software diferentes que implementan estos métodos. El proceso general de ejecución del análisis y optimización de la sensibilidad se ilustra en el diagrama de flujo que figura a continuación. En general, este proceso se basa en el diseño y modelado mediante experimentos computacionales basados en superficies de respuesta.
Diagrama de flujo con proceso computacional aplicado para modelado, análisis y optimización.
Los nueve parámetros geométricos del estudio (c1, c2, c3, H1, H2, H3, θ1, θ2 y θ3) varían en el dominio del diseño (DoE, diseño de experimentos) dentro de sus respectivos intervalos usando el algoritmo Uniform Latin Hypercube (ULH), disponible en el software Esteco modeFrontier 2018R2.
Para las mallas volumétricas 3D (capas de prisma y tetraédricas) se utilizó el software Ansys Tgrid. El solucionador para ejecutar las simulaciones numéricas fue realizado con Ansys Fluent v19.0. Para la optimización basada en los sustitutos, las superficies de respuesta fueron generadas con el software ESTECO modeFrontier.
Para todas las respuestas modeladas en el estudio, se generaron 250 muestras de diseño, rotadas en Ansys Fluent para que fuera posible un análisis de sensibilidad robusto (250 respuestas para la pérdida de calor y 250 respuestas para la caída de presión). Primero, para cada caso, se generaron 90 muestras de DoE (diez veces el número de entradas) con ULH, tras lo cual se generaron superficies de respuesta y se comprobaron las métricas de error. Posteriormente, se generaron nuevas muestras de diseño de forma iterativa en el software ESTECO modeFrontier utilizando el algoritmo de llenado de espacio incremental hasta que las superficies de respuesta fueron lo suficientemente precisas para fines de optimización.
Para medir la precisión, los datos se dividieron en conjuntos de entrenamiento y validación con proporciones de 80% y 20%, respectivamente. Las métricas de error utilizadas para asegurar la exactitud de las superficies de respuesta fueron las mismas que las utilizadas para el análisis de sensibilidad.
Los detalles de la metodología y los análisis y experimentos del estudio se describen en el artículo completo publicado en el sitio web de Applied Energy.
Próximos pasos del estudio
Según el profesor Dezan, el equipo continúa estudiando y/o combinando técnicas para intensificar la transferencia de calor y aumentar la eficiencia térmica de los colectores solares para calentar el aire. Sobre la aplicación del estudio, destaca “después de que el estudio haya concluido y hayamos encontrado las mejores condiciones y configuraciones, es posible pensar en el montar un prototipo que pueda ser utilizado para secar granos y frutas o variaciones de este tipo”.
