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Caracterización experimental del factor de fricción y la rugosidad hidráulica en tuberías de acero al carbono con costura y sin costura
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-01-31) López Bonilla, Joel Martín; Chirinos García, Luis Ricardo
El presente trabajo pretende caracterizar experimentalmente el fenómeno de la pérdida de presión en dos tipos de tubería: acero al carbono con costura y acero al carbono sin costura, adquiridos en el mercado nacional peruano. Esta caracterización se realiza utilizando aire comprimido, seco y regulado para presiones manométricas entre 1 y 7 bar, bajo condiciones de incompresibilidad en la línea de pruebas y con un rango de número Reynolds entre 9x104 y 8x105. El trabajo comprende la determinación experimental del factor de fricción, mediante un ensayo de pérdida de presión, con la finalidad de comprobar que su comportamiento, para las dos tuberías, obedece al modelo monotónico de Colebrook que se suma a las afirmaciones de Kemler en 1933, Moody en 1944, Schlichting en 1979, Bradshaw en 2000, Perry en 2001 y Langelandsvik en 2008. Esto permite calcular la rugosidad hidráulica para los dos tipos de tubería, resultando que la tubería de acero al carbono con costura tiene una rugosidad hidráulica experimental igual a 0,186 mm, siendo el parámetro de rugosidad Rz y el modelo de Afzal en 2007, las mejores opciones para estimar el valor experimental. Del mismo modo, la tubería de acero al carbono sin costura tiene una rugosidad hidráulica experimental igual a 0,018 mm, siendo el parámetro de rugosidad Rq y los modelos de Langelandsvik en 2008 y Botros en 2016, las mejores opciones para estimar el valor experimental. Así, es posible determinar, con mayor acercamiento, la rugosidad hidráulica (ks) para las tuberías de acero al carbono con y sin costura, conociendo solamente los parámetros de rugosidad superficial (Ra, Rz y Rq). Además, se puede tener la seguridad de utilizar el modelo monotónico de Colebrook para realizar el cálculo del factor de fricción (Λ). Con esto, la estimación de pérdida de presión y el gasto de energía involucrado es mucho más próximo a lo requerido.
Estimación de la potencia nominal y tiempo total de descarga nominal de sistemas industriales de aire comprimido operando como CAES con presiones de almacenamiento menores a 9 bar(a) y volúmenes de tanque de almacenamiento entre 0,11 y 8,92 m3
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-05-26) Vidal Coral, Rafael Jesus; Chirinos García, Luis Ricardo
El presente trabajo, toma a los sistemas de aire comprimido industrial, con sus respectivas características, como base para posibles sistemas de almacenamiento de aire comprimido o compressed air energy storage (CAES, por sus siglas en inglés), los cuales, se caracterizan por sus parámetros nominales: tiempo total de descarga nominal y potencia nominal. Las características del aire comprimido industrial consideradas para el presente trabajo son: presiones de almacenamiento menores o iguales a 8 bar(g), y volúmenes de almacenamiento individual entre 0,11 a 8,92 m3. Los resultados permiten conocer a qué clasificación dentro de los sistemas CAES de menor escala (S-CAES o micro-CAES), pertenecerían los sistemas CAES basados en la industria del aire comprimido, y, por otro lado, permiten conocer el posible aprovechamiento, basado en la estimación de los parámetros nominales. Estos parámetros, se encuentran en función de la presión en el tanque, la temperatura en el tanque, y el flujo másico, que ocurren durante el proceso de descarga. Para poder determinar estos parámetros nominales, se implementó un banco de ensayos que permitió realizar las experiencias de descarga de un tanque de almacenamiento de aire comprimido de 1 m3, operando a 14 condiciones de ensayo, basadas en la combinación de presiones iniciales de almacenamiento de 8, 7, 4 y 2 bar(g) con diámetros característicos de la restricción de 4, 3, 2 y 1 mm, sin considerar las combinaciones de: 8 bar(g) 1 mm, ni 7 bar(g) 1 mm. De modo que, se generó la data experimental que abarcó distintas características de descarga. Luego, en la condición que se obtendría la mayor potencia (4 mm – 8 bar(g)), se determina que el modelo de Ardanuy (n=k), es el más representativo de los 6 evaluados, considerando el RMSE y el error relativo de las variables presión en el tanque y tiempo total de descarga, respectivamente. El modelo presenta errores relativos máximos entre 20-25% para la presión en el tanque, 35-45% para la temperatura en el tanque, y 30- 100% para el flujo másico, y, además, RMSE iguales a 18,80 kPa, 71,18 K, y 4,95 kg/h, respectivamente. Además, presenta errores relativos asociados al tiempo total de descarga, mínimo, máximo y promedio, iguales a 3,57%, 35,60% y 16%, respectivamente. Las estimaciones de los parámetros nominales, se realizan en base al modelo más representativo, a la información disponible en la literatura acerca de los procesos de generación de potencia (procesos de expansión), y a sistemas CAES planteados (individual, serie y paralelo), considerando las características del aire comprimido industrial. Los resultados establecen que, sería posible implementar sistemas CAES en base al aire comprimido industrial y a los sistemas planteados, que alcancen potencias nominales de hasta 9300 W, pero con duraciones menores a 1 hora, y, por otro lado, sistemas que alcancen tiempos totales de descarga nominales cercanos a las 3 horas, pero, con potencias nominales mucho menores a 7,5 kW. Para aquellos sistemas que considera 0,97 m3 de almacenamiento, volumen similar al del banco de ensayos, se estima que, podría obtenerse potencias nominales entre 10 a 185 W, asociadas a tiempos totales de descarga nominales en el rango de 590 a 1770 s. Por otro lado, se estima que podría obtenerse 9200 W como potencia máxima asociada a un tiempo total de descarga nominal menor a 25 s. Además, para los sistemas que consideran hasta 4 tanques en serie, se determina que, generarían entre 440 a 590 W, con tiempos totales de descarga nominales de 400 s. Finalmente, se destaca que, el factor limitante de los sistemas planteados es la presión de almacenamiento, considerada como máximo 9 bar(a), para una presión atmosférica de 1 bar, y que ninguno de los sistemas planteados pertenecería a la definición de sistemas S-CAES, pero sí, a la de micro-CAES.
Exergy optimization of HVAC with air recirculation
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-08-04) Chacón Chauca, Justo Antonio; Vaudrey, Alexandre Lucien Victor; Chirinos García, Luis Ricardo
In the next pages, an energetic and exergetic analysis of one specific Heat, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system, using air recirculation, will be detailed. Different operating conditions will be presented and the ones of least exergy destruction will be highlighted and analyzed. Both the first and second law of thermodynamics are used to understand and describe these phenomena through a specific performance criterion called Duty Specific Exergy Consumption1, noted DSExC in the rest. The main results presented in this document have been published in a peer-reviewed French journal dedicated to HVAC systems, see (Chacon Chauca, Quintanilla Munoz, & Vaudrey, 2019).
Propuesta metodológica para el tratamiento de datos para la evaluación del desempeño de sistemas fotovoltaicos. Caso de estudio: Tres sistemas fotovoltaicos de 1,5 kWac con tecnologías distintas, en el Campus-PUCP, en San Miguel
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-06-13) Berastain Hurtado, Arturo Emilio; Chirinos García, Luis Ricardo
El presente trabajo busca proponer una metodología que permita asegurar la calidad de los registros de medición utilizados para evaluar un sistema fotovoltaico, de acuerdo a la norma IEC-61724. La evaluación, de acuerdo a la norma, requiere de un largo periodo experimental (al menos un año de medición). Durante este período, diversas fuentes de error pueden presentarse que afecten los indicadores de desempeño de la instalación. Para el caso del presente trabajo, la metodología propuesta fue implementada para evaluar de tres sistemas fotovoltaicos durante un periodo de dos años. La propuesta metodológica comprende la implementación de criterios de filtrado para detectar registros que no deben considerarse al momento de calcular indicadores. Para llegar a la serie de criterios utilizados, se revisaron en la bibliografía cuatro series de criterios, y el efecto de cada uno en los indicadores de desempeño fueron comparados. Adicionalmente, se propone una metodología para detectar puntos durante el registro en los que la instalación fotovoltaica se vio afectada por la presencia de sombras, basándose en la medición de irradiancia incidente en el plano de la instalación. Estos puntos no son detectados por criterios de filtrado convencionales, pero afectan significativamente los indicadores. Una vez que los registros que no deben ser utilizados son detectados y se toma en consideración posibles fallas en los sensores que ocurren durante un largo periodo de medición, se corre el riesgo que la cantidad de puntos correctos disponibles no sea suficiente para que los indicadores calculados sean representativos. La metodología propuesta incluye la implementación y evaluación de cuatro modelos de estimación de temperatura del módulo fotovoltaico, cuatro modelos de estimación de irradiancia en el plano de la instalación y cuatro modelos de estimación de potencia generada por la instalación fotovoltaica. Estos modelos fueron comparados entre ellos para identificar los más adecuados para corregir registros y completar puntos que no pudieron ser registrados. Finalmente, se presenta una comparación entre los resultados de calcular los indiciadores de desempeño de las tres instalaciones fotovoltaicas antes y después de haber implementado la propuesta metodológica. Con esto, se obtuvo una metodología replicable para otros estudios relacionados a instalaciones fotovoltaicas.
Sistema de refrigeración con efecto Peltier y superficies extendidas, para enfriamiento sensible de aire. Caso de estudio: dimensionamiento de una carga térmica de 100 w de refrigeración
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-06-25) Gonzales Toledo, Richard Daniel; Chirinos García, Luis Ricardo
El efecto Peltier, el cual se origina por el paso de una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores distintos, es un fenómeno que puede ser aprovechado para procesos de refrigeración y aire acondicionado. Para obtener el efecto refrigerante, con un dispositivo o celda Peltier, solo es necesario realizar trabajo eléctrico. Sin embargo, su uso es limitado debido a su bajo coeficiente de desempeño (COP). Los sistemas de refrigeración termoeléctricos no están en condiciones de competir con sistemas convencionales, debido a su desempeño energético. A pesar de ello, es una opción que debe ser explotada, debido a que su principal ventaja es no utilizar gases refrigerantes. Para ello, los parámetros relacionados con el coeficiente de performance (COP) deben ser diseñados, de tal forma que el sistema opere cerca del punto de máximo desempeño. Las superficies extendidas (aletas), son componentes que permiten el intercambio de calor, forman parte esencial de un sistema de refrigeración termoeléctrica. La magnitud de las resistencias térmicas influye en el desempeño de la celda Peltier. Por lo tanto, para el presente trabajo se realiza el análisis del comportamiento del sistema, formado por una celda Peltier el cual utiliza superficies extendidas. El objetivo principal es determinar la relación entre el coeficiente de desempeño de celda Peltier seleccionada, la cual permita extraer una carga de refrigeración de 100 W con las resistencias térmicas de sus focos frío y caliente. Se considera que las superficies extendidas son de aluminio y se ha elegido una celda Peltier comercial (TEC1-24126), formado por termopares de telururo de bismuto (Bi2Te3). En el modelamiento se ha considerado los procesos de transferencia de calor en superficies extendidas; flujo interno del aire y las relaciones termodinámicas entre los flujos de calor y trabajo en la celda Peltier. Las ecuaciones planteadas se han resuelto utilizando el software: “Engenering Equation Solver (EES)”, que utiliza una variación del método de Newton, para resolver sistemas de ecuaciones no lineales. Para el prototipo propuesto se ha comprobado la magnitud de cada resistencia térmica. La resistencia total en lado frío y caliente, respectivamente son 0,0838 W/K y 0,0840 W/K. Cada resistencia térmica está conformada por la resistencia de contacto, la resistencia de constricción o propagación y la resistencia térmica de la superficie extendida, la resistencia térmica más significativa corresponde a la superficie extendida que representa el 83%, luego la de constricción o propagación que representa un 12%, finalmente la resistencia térmica de contacto con un 5%. Con dichos valores, la celda Peltier seleccionada puede extraer una carga térmica de 101,4 W, con un coeficiente de desempeño de 0,65.