Modelamiento óptico de temperatura en la superficie de un intercambiador de calor del proyecto VESUW del SIJ-FH Aachen

Abstract

Climate change and the transition to renewable energy have increased investment in ways of using solar thermal energy to compete economically with other technologies. Although solar photovoltaic energy is becoming increasingly efficient, its storage generally relies on lithium batteries, and its auxiliary power systems use diesel generators, or in some cases, biogas. In the case of electricity generation, large thermal power plants use gas turbines or Rankine cycles. In the latter, the direct use of solar thermal energy is proposed as an alternative to the use of fossil fuels for steam production. However, its dependence on solar radiation makes it difficult to meet nighttime energy demand. In order to contribute to efficient solutions, this work performed thermal measurements on the surface of a heat exchanger designed for the VESUW project. For the design and test setup, we traveled to the project laboratory at the Solar Institut Julich - FH Aachen (Aachen, Germany). The thermographic camera (OPTRIS PI 450i) was designed and installed 90 cm away from surface 3, in a rack built specifically for these tests. Because the outer material of the heat exchanger is stainless steel, pre-treatment was required to ensure that the camera could detect reliable values. Therefore, on the central axis, a matt black spray paint with an emissivity of 0.98 and resistant to high temperatures was applied along a 9 cm wide band. Effectively, 10 thermocouples were used in the heat exchanger to model and calibrate the results obtained by the thermographic camera. An extra thermocouple was used to measure the ambient temperature. The test lasted 30 min, where thermographic images were taken every 10s, for a total of 178 samples of 288x382 px, and 10 surface temperatures of the heat exchanger with thermocouples every second. The results obtained highlighted quantitative improvements in the thermal profile after adjustments, reducing the standard deviation of the results by 74.12%.El cambio climático y la transición hacia energías renovables han incrementado la inversión en formas de utilizar la energía solar térmica para competir económicamente con otras tecnologías. Aunque la energía solar fotovoltaica es cada vez más eficiente, su almacenamiento depende generalmente de baterías de litio, y sus sistemas energéticos auxiliares utilizan generadores a diésel, o en algunos casos, biogás. En el caso de generación eléctrica, las grandes plantas térmicas de generación eléctrica emplean turbinas a gas o ciclos Rankine. En este último, el uso directo de la energía solar térmica se plantea como una alternativa al uso de combustibles fósiles para la producción de vapor. Sin embargo, su dependencia de la radiación solar dificulta cubrir la demanda energética nocturna. Con el objetivo de contribuir a soluciones eficientes, este trabajo realizó mediciones térmicas en la superficie de un intercambiador de calor diseñado para el proyecto VESUW. Para el diseño y configuración de los ensayos, se viajó al laboratorio del proyecto, en el Solar Institu Julich FH Aachen (Aachen, Alemania). Se realizó el diseño e instalación de la cámara termográfica (OPTRIS PI 450i) a 90 cm de distancia de la superficie 3, en un rack construido específicamente para estas pruebas. Debido a que el material exterior del intercambiador de calor es de acero inoxidable, se requirió de un tratamiento previo para garantizar que la cámara pudiera detectar valores confiables. Por lo que, en el eje central, se aplicó pintura en spray negra mate, con una emisividad de 0,98 y resistente a altas temperaturas a lo largo de una banda de 9 cm de ancho. De manera efectiva, se utilizaron 10 termocuplas en el intercambiador de calor para modelar y calibrar los resultados obtenidos por la cámara termográfica. Así como una termocupla extra para medir la temperatura ambiental. El ensayo duró 30 min, donde se tomaron imágenes termográficas cada 10s, para en total obtener 178 muestras de 288x382 px, y 10 temperaturas de la superficie del intercambiador de calor con termocuplas cada segundo. Se observó que el tratamiento de la superficie influyó significativamente en la precisión de las mediciones, permitiendo reducir variaciones térmicas en zonas críticas. Además, la posición relativa de los instrumentos mostró ser un factor determinante para obtener un perfil térmico más exacto. Los resultados obtenidos destacaron mejoras cuantitativas en el perfil térmico tras los ajustes, reduciendo la desviación estándar de los resultados en un 74,12%.