Evaluación de un sistema de energía solar térmica basado en colectores de tubos de vacío para suministro de agua a alta temperatura

Esta tesis pretende contribuir al fomento y utilización de la energía solar como alternativa para la producción de agua caliente en el sector agroindustrial. La demanda de agua caliente es un aspecto clave en un gran número de agroindustrias y explotaciones agrarias. Esta demanda presenta una gran variabilidad, tanto en los horarios en que se solicita como en la temperatura del agua del depósito requerida (TADr), difiriendo del perfil de demanda habitual para uso doméstico. Existe una necesidad de profundizar en la influencia que tiene la variación de la TADr en la eficiencia y viabilidad de estos sistemas. El objetivo principal de esta tesis es caracterizar el funcionamiento de un sistema solar térmico (SST) con captador de tubos de vacío (CTV) para producir agua a temperaturas superiores a las habituales en estos sistemas. Se pretende determinar la influencia que la TADr tiene sobre la eficiencia energética del sistema, cuantificar el volumen de agua caliente que es capaz de suministrar en función de la TADr y determinar la rentabilidad del SST como sistema complementario de suministro. Para ello, se ha diseñado, instalado y puesto a punto un sistema experimental de calentamiento de agua, monitorizando su funcionamiento a diferentes TADr bajo condiciones ambientales reales. Los resultados cuantifican cómo el aumento de la TADr provoca una disminución de la energía suministrada al depósito, pudiendo superar diferencias de 1000 Wh m-2 d-1 entre 40 ºC y 80 ºC, para valores de irradiación solar próximos a 8000 Wh m-2 d-1 (la eficiencia del sistema oscila entre 73% y 56%). Esta reducción es consecuencia de la disminución de la eficiencia del captador y del aumento de las pérdidas de calor en las tuberías del circuito. En cuanto al agua suministrada, cuanto mayor es la TADr, mayor es la irradiación solar requerida para que tenga lugar la primera descarga de agua, aumentando el tiempo entre descargas y disminuyendo el número de éstas a lo largo del día. A medida que se incrementa la TADr, se produce una reducción del volumen de agua suministrado a la TADr, por factores como la pérdida de eficiencia del captador, las pérdidas en las tuberías, la energía acumulada en el agua que no alcanza la TADr y la mayor energía extraída del sistema en el agua producida. Para una TADr de 80 ºC, una parte importante de la energía permanece acumulada en el depósito sin alcanzar la TADr al final del día. Para aprovechar esta energía sería necesario disponer de un sistema complementario de suministro, ya que las pérdidas de calor nocturnas en el depósito pueden reducir considerablemente la energía útil disponible al día siguiente. La utilización del sistema solar como sistema único de suministro es inviable en la mayoría de los casos, especialmente a TADr elevadas, al no ajustarse la demanda de agua caliente a la estacionalidad de la producción del sistema solar, y al existir muchos días sin producción de agua caliente por la ausencia de irradiación mínima. Por el contrario, la inversión del sistema solar como sistema complementario para suministrar parte de la demanda térmica de una instalación es altamente recomendable. La energía útil anual del sistema solar estimada oscila entre 1322 kWh m-2 y 1084 kWh m-2. La mayor rentabilidad se obtendría suponiendo la existencia de una caldera eléctrica, donde la inversión se recuperaría en pocos años -entre 5.7 años a 40 ºC y 7.2 años a 80 ºC -. La rentabilidad también es elevada suponiendo la existencia de una caldera de gasóleo, con periodos de recuperación inferiores a 10 años. En una industria ficticia con demanda de 100 kWh d-1 y caldera de gasóleo existente, la inversión en una instalación solar optimizada sería rentable a cualquier TADr, con valores de VAN cercanos a la inversión realizada -12000 € a 80 ºC y 15000€ a 40 ºC- y un plazo de recuperación de la inversión entre 8 y 10 años. Los resultados de este estudio pueden ser de gran utilidad a la hora de determinar la viabilidad de utilización de sistemas similares para suministrar la demanda de agua caliente de agroindustrias y explotaciones agropecuarias, o para otras aplicaciones en las que se demande agua a temperaturas distintas de la habitual en uso doméstico (60 ºC). En cada caso, los rendimientos y la rentabilidad vendrán determinados por la irradiación de la zona, la temperatura del agua requerida y la curva de demanda de los procesos específicos. ABSTRACT The aim of this thesis is to contribute to the development and use of solar energy as an alternative for producing hot water in the agribusiness sector. Hot water supply is a key issue for a great many agribusinesses and agricultural holdings. Both hot water demand times and required tank water temperature (rTWT) are highly variable, where the demand profile tends to differ from domestic use. Further research is needed on how differences in rTWT influence the performance and feasibility of these systems. The main objective of this thesis is to characterize the performance and test the feasibility of an evacuated tube collector (ETC) solar water heating (SWH) system providing water at a higher temperature than is usual for such systems. The aim is to determine what influence the rTWT has on the system’s energy efficiency, quantify the volume of hot water that the system is capable of supplying at the respective rTWT and establish whether SWH is feasible as a booster supply system for the different analysed rTWTs. To do this, a prototype water heating system has been designed, installed and commissioned and its performance monitored at different rTWTs under real operating conditions. The quantitative results show that a higher rTWT results in a lower energy supply to the tank, where the differences may be greater than 1000 Wh m-2 d-1 from 40 ºC to 80 ºC for insolation values of around 8000 Wh m-2 d-1 (system efficiency ranges from 73% to 56%). The drop in supply is due to lower collector efficiency and greater heat losses from the pipe system. As regards water supplied at the rTWT, the insolation required for the first withdrawal of water to take place is greater at higher rTWTs, where the time between withdrawals increases and the number of withdrawals decreases throughout the day. As rTWT increases, the volume of water supplied at the rTWT decreases due to factors such as lower collector efficiency, pipe system heat losses, energy stored in the water at below the rTWT and more energy being extracted from the system by water heating. For a rTWT of 80 ºC, much of the energy is stored in the tank at below the rTWT at the end of the day. A booster supply system would be required to take advantage of this energy, as overnight tank heat losses may significantly reduce the usable energy available on the following day. It is often not feasible to use the solar system as a single supply system, especially at high rTWTs, as, unlike the supply from the solar heating system which does not produce hot water on many days of the year because insolation is below the required minimum, hot water demand is not seasonal. On the other hand, investment in a solar system as a booster system to meet part of a plant’s heat energy demand is highly recommended. The solar system’s estimated annual usable energy ranges from 1322 kWh m-2 to 1084 kWh m-2. Cost efficiency would be greatest if there were an existing electric boiler, where the payback period would be just a few years —from 5.7 years at 40 ºC to 7.2 years at 80 ºC—. Cost efficiency is also high if there is an existing diesel boiler with payback periods of under 10 years. In a fictitious industry with a demand of 100 kWh day-1 and an existing diesel boiler, the investment in the solar plant would be highly recommended at any rTWT, with a net present value similar to investment costs —12000 € at 80 ºC and 15000 € at 40 ºC— and a payback period of 10 years. The results of this study are potentially very useful for determining the feasibility of using similar systems for meeting the hot water demand of agribusinesses and arable and livestock farms or for other applications demanding water at temperatures not typical of domestic demand (60ºC). Performance and cost efficiency will be determined by the regional insolation, the required water temperature and the demand curve of the specific processes in each case.

Estudo de um permutador de calor para aplicação em sistemas de recuperação de energia térmica

Grande parte da energia contida no combustível consumido por um motor de combustão interna é desperdiçada sob forma de calor, através do sistema de refrigeração do motor, do sistema de recirculação dos gases de escape e principalmente através dos gases de escape. Daí o interesse no estudo de sistemas que permitem o aproveitamento dessa energia residual dos veículos automóveis. Este trabalho centra-se no estudo de sistemas de aproveitamento da energia térmica contida nos gases de escape dos veículos automóveis, sendo o objetivo principal o estudo do permutador de calor que será utilizado para recuperação da energia térmica. Existem vários tipos de permutadores, na sua escolha entram fatores como as características dos fluidos de trabalho envolvidos, o custo, facilidade de manutenção, a aplicação. Para o caso deste estudo selecionou-se um permutador de carcaça e tubos e um permutador de tubos concêntricos. Uma vez que a seleção e otimização de um permutador de calor implica a minimização da perda de carga dos gases de escape e a maximização da eficiência térmica do sistema, numa primeira fase selecionou-se a geometria mais adequada. Em seguida fez-se uma comparação de diferentes modelos de cálculo da perda de carga e analisou-se o desempenho termo hidráulico do permutador. Por fim realizou-se um estudo paramétrico para verificar a influência dos parâmetros de construção (número de tubos, diâmetro e comprimento dos tubos).

Evaluación de la integridad estructural de tubos de generadores de vapor con defectos volumétricos debidos al fretting.

Los Generadores de vapor (GVs) en una central nuclear están conformados por un manojo de tubos que actúan como una barrera entre el sistema primario contaminado y el secundario. A través de los tubos de GVs (TGVs) se desarrolla el intercambio de calor que produce el vapor que después accionará las turbinas de la central. Estos componentes están sometidos a unas condiciones térmicas, químicas y mecánicas bastante severas, que pueden provocar la aparición de defectos geométricos y volumétricos comprometiendo su integridad estructural. Es por esta razón que el mantenimiento de los GVs es importante para la operación económica y segura de las centrales nucleares. Uno de los principales mecanismos de desgaste de los tubos de GVs es el fenómeno conocido como fretting. El mismo provoca el adelgazamiento de las paredes de los TGVs debido a pequeños movimientos relativos entre superficies en contacto. Dado el caso particular de los GVs del reactor CAREM-25 en los que el circuito primario se encuentra del lado externo de los tubos que lo constituyen, la ocurrencia de este mecanismo de daño podría comprometer la integridad de los mismos haciéndolos más susceptibles al daño por colapso. El presente trabajo constituye una continuación del Proyecto integrador finalizado en el 2015 por Pablo Lazo en el que se evaluó la influencia de efectos de ovalización en el colapso de los tubos de los GVs. Se evalúa ahora la influencia de defectos volumétricos debido a fretting. Esto se realizó a través de modelos numéricos que estiman la presión de colapso en los tubos con y sin defecto. Los resultados de los modelos se compararon con resultados de expresiones analíticas obtenidas por otros autores, valores experimentales propios y otros valores de referencia. A partir del análisis de los resultados se derivaron algunas conclusiones que ayudan a entender el comportamiento de los tubos de GVs con defectos debido a mecanismo de daño por fretting. Además se desarrollaron expresiones matemáticas que ayudan a definir las dimensiones de los defectos que comprometen la integridad estructural de los TGVs en el caso del reactor CAREM-25.

Evaluación de la integridad estructural de tubos de generadores de vapor con defectos volumétricos debidos al fretting.

Los Generadores de vapor (GVs) en una central nuclear están conformados por un manojo de tubos que actúan como una barrera entre el sistema primario contaminado y el secundario. A través de los tubos de GVs (TGVs) se desarrolla el intercambio de calor que produce el vapor que después accionará las turbinas de la central. Estos componentes están sometidos a unas condiciones térmicas, químicas y mecánicas bastante severas, que pueden provocar la aparición de defectos geométricos y volumétricos comprometiendo su integridad estructural. Es por esta razón que el mantenimiento de los GVs es importante para la operación económica y segura de las centrales nucleares. Uno de los principales mecanismos de desgaste de los tubos de GVs es el fenómeno conocido como fretting. El mismo provoca el adelgazamiento de las paredes de los TGVs debido a pequeños movimientos relativos entre superficies en contacto. Dado el caso particular de los GVs del reactor CAREM-25 en los que el circuito primario se encuentra del lado externo de los tubos que lo constituyen, la ocurrencia de este mecanismo de daño podría comprometer la integridad de los mismos haciéndolos más susceptibles al daño por colapso. El presente trabajo constituye una continuación del Proyecto integrador finalizado en el 2015 por Pablo Lazo en el que se evaluó la influencia de efectos de ovalización en el colapso de los tubos de los GVs. Se evalúa ahora la influencia de defectos volumétricos debido a fretting. Esto se realizó a través de modelos numéricos que estiman la presión de colapso en los tubos con y sin defecto. Los resultados de los modelos se compararon con resultados de expresiones analíticas obtenidas por otros autores, valores experimentales propios y otros valores de referencia. A partir del análisis de los resultados se derivaron algunas conclusiones que ayudan a entender el comportamiento de los tubos de GVs con defectos debido a mecanismo de daño por fretting. Además se desarrollaron expresiones matemáticas que ayudan a definir las dimensiones de los defectos que comprometen la integridad estructural de los TGVs en el caso del reactor CAREM-25.

Caracterização térmica de tubos de explorações petrolíferas em águas profundas

Este trabalho foi realizado devido aos novos desafios existentes na área petrolífera, pois tem-se verificado novas necessidades na transferência de calor em tubagens em águas profundas. Com estes novos cenários de produção em águas profundas, existe a preocupação de garantir o escoamento do produto evitando cenários de obstrução nas tubagens. Os principais problemas aquando da exploração petrolífera prendem-se com a ocorrência de parafinas nas paredes dos tubos bem como a formação de hidratos. É descrito neste trabalho as soluções existentes para a transferência do produto e comparação das mesmas. Numa segunda fase é realizado um modelo matemático para análise térmica das tubagens comparando os materiais isolantes propostos, afim de garantir a temperatura mínima do fluido circulante. De salientar que houve a preocupação de ter em conta uma paragem na exploração do petróleo, por motivos de manutenção por exemplo, e garantir dessa maneira a temperatura mínima do mesmo. Este trabalho propõe soluções de isolamento térmico e discute todos os desafios e problemas existentes.

Caracterização térmica de tubos de explorações petrolíferas em águas profundas

Este trabalho foi realizado devido aos novos desafios existentes na área petrolífera, pois tem-se verificado novas necessidades na transferência de calor em tubagens em águas profundas. Com estes novos cenários de produção em águas profundas, existe a preocupação de garantir o escoamento do produto evitando cenários de obstrução nas tubagens. Os principais problemas aquando da exploração petrolífera prendem-se com a ocorrência de parafinas nas paredes dos tubos bem como a formação de hidratos. É descrito neste trabalho as soluções existentes para a transferência do produto e comparação das mesmas. Numa segunda fase é realizado um modelo matemático para análise térmica das tubagens comparando os materiais isolantes propostos, afim de garantir a temperatura mínima do fluido circulante. De salientar que houve a preocupação de ter em conta uma paragem na exploração do petróleo, por motivos de manutenção por exemplo, e garantir dessa maneira a temperatura mínima do mesmo. Este trabalho propõe soluções de isolamento térmico e discute todos os desafios e problemas existentes.

Evaluación de dieciséis genotipos de frijol común de calor negro (Phaseolus vulgaris L), en época de postrera, El Sapote, San Ramón, Matagalpa, 2002

El presente trabajo se realizó durante el período de postrera (Septiembre-Diciembredel 2002), en El Sapote, municipio de San Ramón, Matagalpa. Trata sobre la evaluación de rendimiento y adaptabilidad de 16 genotipos de frijol común(Phaseolus vulgaris L.) de grano negro. El diseño utilizado consistió en un bloque completo al azar (BCA) con cuatro repeticiones. Para el análisis de las variables cuantitativas se realizó el análisis de varianza y separación de medias por Tukey con significancia (Alpha) de acuerdo a los resultados de la probabilidad obtenida con el ANDEVA. De igual manera, se realizó correlación de Pearson a las variabes relacionadas para determinar su interacción. Los resultados obtenidos indican que los materiales que presentaron mayores rendimientos fueron MN13337-26 y B 2067 con 1533.2 y 1437.6 kg/ha respectivamente. Los genotipos con mayor precocidad respecto a días a floración fueron BRUNCA y MN 13337-26 con 31 días; para madurez fisiológica el genotipo más precoz fue B 2059 con 63 días después de la siembra. La mayoría de los materiales mostraron hábito de crecimiento II a excepción de MN 13074-4, MN 13071-56, B 2056 y Negro INIFAP. Los días de cosecha oscilan entre 68 y 77, siendo B 2059 el primer genotipo cosechado. De manera general, los genotipos presentaron buena adaptabilidad vegetativa. En relación a la incidencia de Mancha Angular(Isariopsis griseola Sacc), los genotipos resistentes fueron Negro INIFAP y B 2067. En la correlación realizada a las distintas variables, se presentó una correlación alta y significativa entre el número de plantas cosechadas y números de vainas por plantas con el rendimiento final obtenido para cada uno de los genotipos.

Films de polietileno oxo-degradados mediante envejecimiento acelerado por radiación UV y calor

Resumen: Los materiales plásticos utilizados en la industria del embalaje y transporte de mercaderías familiares e industriales, presentan numerosas ventajas que los han puesto en su lugar durante los últimos 50 años. En la actualidad, son miles de millones de toneladas anuales de bolsas o embalajes de polietileno, las que diariamente se producen, se usan, se recuperan (en muy pequeña parte) y son finalmente dispuestas, quemadas o literalmente arrojadas al medio ambiente. La alta estabilidad química o la muy baja tasa de degradación, hace que estos residuos perduren en el medio - en la mayoría de los casos por más de 100 años- dependiendo las condiciones ambientales locales. Hace pocos años, se adaptaron conocimientos científicos a esta problemática, y de ello nacieron dos formas de atacar la eliminación del plástico como desecho (más allá del reciclado y uso racional): por un lado, la utilización de bioplásticos con propiedades biodegradables; y por otro, el agregado de aditivos pro-degradantes a plásticos convencionales. El presente trabajo, tiene por objeto tomar a esta última herramienta, sobre la cual se han comenzado a estudiar los mecanismos químicos por los cuales cumplen su función, evaluándolos en distintas condiciones aceleradas de laboratorio. De esta manera, se caracterizaron velocidades de degradación abiótica mediante envejecimientos acelerados con radiación ultravioleta y térmica, para films de polietileno aditivados con un compuesto oxodegradante comercial. Se estudiaron distintas concentraciones de aditivo en el polímero, en función del tiempo de envejecimiento. Las caracterizaciones incluyeron análisis mecánico, análisis térmico diferencial, espectroscopía de absorción infrarroja y de Absorción Atómica.

A possible alchemist apparatus from the early islamic period excavated at Ramla, Israel

Abstract: During extensive salvage excavations carried out during the years 2004-2008 in a large Early Islamic industrial area at the vicinities of Ramla, in Central Israel, an unparalleled industrial device was unearthed. The star-shaped, soil embedded installation, whose lower part was preserved, consisted of a central pottery jar surrounded by five minor jars, linked by ceramic pipes. Evidence of heat was observed mainly around the central vessel, and metal hollow cones perforated in the tip were found inside the surrounding jars. Although the manufacturing procedures and operation techniques of the installation are not completely clear, it is proposed that the installation is part of an industrial workshop or an alchemy laboratory. Both industry and alchemy were well-developed during the Early Islamic period and very often closely related, to the point that sometimes it is difficult to distinguish between them. The identification proposed is based on comparisons with tools described in literary sources, and somewhat later drawings and etchings. Circumstantial ceramic evidence was found, as well as the proximity of a bathhouse whose guests could have been the consumers of perfumes and unguents seem to reinforce this possibility. Due to the poor state of preservation of the device and the lack of available comparisons, the identification proposed here is tentative, and future research coupled with eventual new discoveries is needed in order to clarify this matter.

La envolvente de los edificios como generador de calor y energía eléctrica

[ES]El presente documento analiza las principales funciones que se le exigen actualmente a un sistema constructivo; concretamente, a la envolvente de los edificios. Se plantean inicialmente las causas y necesidades que han derivado en el nuevo concepto de envolvente así como las nuevas funciones que se le son exigibles. Se describen los conceptos relativos a los diferentes sistemas constructivos, a los métodos de ventilación natural y, a continuación, se analizan los criterios de generación fotovoltaica y solar térmica en los edificios, además de la integración de estos sistemas en los edificios. También se analizan los fundamentos sobre materiales de cambio de fase. Todo ello permite presentar los criterios de construcción de edificios ecoeficientes. Asimismo se presentan una serie de soluciones arquitectónicas desde el punto de vista de la eficiencia energética.

Análisis y estudio técnico de una instalación industrial para la fabricación de tubos de acero sin costura

[ES]En este trabajo se analiza el proceso de fabricación de tubos de acero sin soldadura en la planta de Tubos Reunido Industrial (en lo sucesivo TRI) en la localidad alavesa de Amurrio. Además, se acompaña el análisis con puntualizaciones sobre las alternativas aplicables en cada paso del proceso y la conveniencia de aplicarlas en la planta estudiada. De esta manera se realiza un estudio de los procesos y equipos requeridos para los distintos pasos que se dan para fabricar tubos de acero sin soldadura de gran calidad a partir de chatarra de acero. Así mismo, dada la importancia de la calidad y el medio ambiente en la estrategia de TRI, se aporta también en este trabajo un resumen de los métodos utilizados en estas áreas.

Estudo do envelhecimento de poliuretanos aplicados na indústria de petróleo

A indústria do petróleo é um dos setores com maior número de sistemas produtivos empregando alta tecnologia. O Brasil é mundialmente renomado como um líder na extração de petróleo, em águas profundas e ultraprofundas. Dentro da cadeia produtiva, grande parte do petróleo e do gás produzido é escoado através de dutos flexíveis que conectam os poços de produção com as plataformas. Existem dois segmentos dessas linhas que recebem diferentes denominações de acordo com o seu local de aplicação. Quando estão apoiadas sobre o fundo do mar, em condição de serviço estático, são denominados flowlines e quando se elevam do fundo do mar até a plataforma, em condição de serviço dinâmico, são denominados risers. Os tubos projetados para aplicações dinâmicas são dotados de bends stiffeners, componentes com formato cônico e, em geral, de base uretânica que têm a função de fornecer uma transição de rigidez suave entre a estrutura dos tubos flexíveis e a extremamente rígida, à plataforma, não permitindo que este componente infrinja seu raio mínimo de operação. A adequada compreensão dos enrijecedores de curvatura e do material empregado em sua fabricação vem se tornando cada vez mais importante na indústria devido à sua crescente utilização, bem como à ocorrência de falhas que vem sendo constatada nos últimos anos. Este trabalho abordou a variação das propriedades mecânicas de poliuretanos pela ação da hidrólise, calor e pela ação dos raios-UV por envelhecimento acelerado, assim como variação de massa, considerando que esses materiais são projetados para uma vida útil superior a vinte anos para trabalhos imersos em meio aquoso.

Generación combinada a partir de biogás de calor y electricidad

[ES]El análisis y la resolución de casos prácticos engloban la resolución de casos prácticos, el análisis de las alternativas posibles o la resolución de casos concretos. En este trabajo se pretende analizar y resolver un caso concreto, de un proceso de producción de hidrógeno. Una vez expuesto el contexto y el análisis de las alternativas, se procederá a explicar el proceso de obtención y aprovechamiento del hidrógeno. El hidrógeno, se obtendrá a partir de la gasificación d la biomasa. Una vez se haya obtenido la corriente de hidrógeno, esta alimentará a una pila de alta temperatura tipo SOFC, para obtener generación combinada de calor y electricidad.

Um problema inverso na modelagem da difusão do calor

O presente trabalho aborda um problema inverso associado a difus~ao de calor em uma barra unidimensional. Esse fen^omeno e modelado por meio da equac~ao diferencial par- cial parabolica ut = uxx, conhecida como equac~ao de difus~ao do calor. O problema classico (problema direto) envolve essa equac~ao e um conjunto de restric~oes { as condic~oes inicial e de contorno {, o que permite garantir a exist^encia de uma soluc~ao unica. No problema inverso que estudamos, o valor da temperatura em um dos extremos da barra n~ao esta disponvel. Entretanto, conhecemos o valor da temperatura em um ponto x0 xo no interior da barra. Para aproximar o valor da temperatura no intervalo a direita de x0, propomos e testamos tr^es algoritmos de diferencas nitas: diferencas regressivas, leap-frog e diferencas regressivas maquiadas.

Avances en el modelado de la combustión de biomasa en spouted bed cónico

290 p.