Ciencias con mención en Energíahttp://hdl.handle.net/20.500.12404/62842024-03-28T11:04:08Z2024-03-28T11:04:08ZDimensionamiento de un nuevo concentrador parabólico compuesto (CPC) con doble absorbedor de un colector lineal fresnel (LFC), aplicado como caso de estudio en la comunidad Alto Andina de Pilpichaca en la región Huancavelica sobre 4000 MSNMDolorier Castillo, Carlos Augustohttp://hdl.handle.net/20.500.12404/127562023-04-14T15:16:40Z2018-09-27T00:00:00ZDimensionamiento de un nuevo concentrador parabólico compuesto (CPC) con doble absorbedor de un colector lineal fresnel (LFC), aplicado como caso de estudio en la comunidad Alto Andina de Pilpichaca en la región Huancavelica sobre 4000 MSNM
Dolorier Castillo, Carlos Augusto
En el presente trabajo de Tesis se desarrolla el dimensionamiento y evaluación simulada
de un nuevo Concentrador Parabólico Compuesto (CPC) de un Colector Lineal Fresnel
(LFC), que tiene la característica de operar con 2 tuberías de absorción en lugar de una
como en el modelo estándar, particularidad que le da ventajas ópticas, térmicas y
proyección a mejores prestaciones operativas, por su disposición como tubería continua
preparada para recirculación. El estudio de sus posibilidades energéticas de servicio, se
centra en la localidad altoandina de Pilpichaca ubicada en el departamento de
Huancavelica en la serranía del Perú, poseedora de un alto potencial solar pero de
climatología fría por la gran altitud de su localización geográfica.
De manera introductoria se presentan los aspectos generales de la tecnología de los
LFCs y de los CPCs señalando sus características y su desarrollo actual.
En el capítulo 1, se abordan los conceptos teóricos necesarios para el diseño y el análisis
posterior, se exponen las ecuaciones implicadas, para el tratamiento de temas como:
Geometría y Óptica solar, Transferencia de Calor y Masa y Termodinámica Aplicada, para
hallar los resultados que servirán para medir el performance operativo del nuevo CPC
propuesto como solución técnica.
En el capítulo 2, se expone la metodología que será aplicada para realizar el pre
dimensionamiento, análisis, evaluación y validación del nuevo diseño de CPC,
presentando la secuencia lógica del flujo de tareas necesarias.
En el capítulo 3, se realiza la caracterización energética y climática de la zona Caso de
Estudio, también se desarrolla la evaluación del recurso en términos de encontrar la
radiación solar directa (DNI) del sitio para los meses estacionales del año, a partir de
hallar los ángulos solares característicos y luego aplicar modelos matemáticos de
distribución horaria de valoración. En este capítulo también se trata un aspecto importante
que es el dimensionamiento básico del LFC en cuanto a la configuración de su Campo
de Espejos y la altura eficiente de ubicación del CPC.
En el capítulo 4, se realiza el dimensionamiento geométrico y óptico del CPC propuesto,
fundamentado en las teorías de optimización de flujo y uniformidad de distribución, para
ello se utiliza la técnica de Trazado de Rayos Ray-Tracing- Montecarlo, a través de un
software especializado de cálculo numérico, probando varios arreglos de CPCs y
realizando contrastación de logros energéticos, esta tarea luego se extiende al modelo
estándar para hallar las ventajas ópticas definitivas de la nueva propuesta.
En el capítulo 5, se desarrolla el Balance Energético en las Tuberías de Absorción del
nuevo CPC, para ello se configura una matriz climática de la zona, para hacerla interactuar con las propiedades térmicas de los materiales a través del modelo
matemático de ecuaciones de conservación de masa y energía, y obtener los resultados
de los rendimientos alcanzados por la instalación, bajo las Leyes de la Termodinámica.
En el capítulo 6, se hace la discusión de los resultados obtenidos y sus implicancias sobre
los logros alcanzados por el nuevo diseño de CPC frente al modelo estándar, haciendo
las aclaraciones relevantes sobre los puntos más sensibles encontrados.
Finalmente se concluye el estudio, validando la ventajas técnicas alcanzadas por el nuevo
diseño de CPC en el aprovechamiento solar como energía de calor para procesos, para
las aplicaciones identificadas como brecha energética, y otras actividades de fomento de
desarrollo socioeconómico para la comunidad usuaria, al término se realizan las
recomendaciones sobre puntos de atención sobre el tema y futuros trabajos a ser
tratados.
2018-09-27T00:00:00ZAnálisis energético de la central hidroeléctrica Santa Rosa 1 de 1,33 MWConte Chirinos, Antonio Ricardohttp://hdl.handle.net/20.500.12404/81612024-03-13T20:37:24Z2017-03-11T00:00:00ZAnálisis energético de la central hidroeléctrica Santa Rosa 1 de 1,33 MW
Conte Chirinos, Antonio Ricardo
Hidroeléctrica Santa Rosa 1 es una central de pasada que emplea una turbina Francis doble de
1,33 MW. Desde su puesta en operación, la máxima medición de potencia eléctrica registrada
en los bornes del generador está 14% por debajo de la potencia eléctrica de placa. Por otra
parte, la medición de caudal muestra que el caudal disponible está 12% por encima del caudal
de placa; por lo que el valor de la potencia eléctrica debería ser incluso mayor que la de placa.
La empresa efectuó el cambio del rodete de la turbina con el propósito de aumentar la potencia
de la central y/o eficiencia de la turbina, sin éxito.
La propuesta solución que se planteó fue hacer una evaluación energética del sistema
hidroeléctrico evaluando los parámetros relevantes que contribuyen con el problema como son:
la longitud de la tubería de presión, el salto neto, el caudal y la geometría del rodete. Asimismo,
se consideró que la eficiencia del grupo turbogenerador se mantenía constante.
En primer lugar, se cuantificó teóricamente la energía hidráulica específica de la central, para
lo cual se determinó que la longitud de la tubería de presión no era lo suficientemente larga
para garantizar que el flujo dentro de la tubería de presión sea desarrollado. Posteriormente, se
determinó que la diferencia entre la energía hidráulica específica de placa y la energía hidráulica
específica teórica era de aproximadamente 33 J/kg. Con el valor de la energía hidráulica
específica teórica, se determinó que la potencia eléctrica de la central cuando emplea el caudal
de placa es de 1,13 MW, y para aumentar esta potencia se planteó aumentar el diámetro del
tramo recto de 1,2 m a 1,5 m; observándose una ganancia de aproximadamente 70 kW.
Asimismo, se determinó que la energía anual de la central y los ingresos aumentarían en
351 MWh y S/. 56 699 respectivamente. Luego, se recomendó efectuar el cambio de la tubería
ya que el tiempo de recuperación de la inversión sería de 3 años. Finalmente, se efectuó el
cambio de manómetro en la tubería de presión encontrándose que en el 77% de las mediciones
de presión, la correspondiente potencia medida en los bornes del generador estaba por debajo
de su respectiva potencia teórica esperada. En el 23% restante de las mediciones, sucedía lo
contrario por lo que se recomendó que la toma de datos sea digital.
En segundo lugar, se evaluó la medición del caudal disponible, para lo cual se graficó el perfil
vertical de velocidades en el canal, encontrándose que la velocidad teórica (al 60% de profundidad de la superficie libre) es 4% mayor que la velocidad medida. Seguidamente, se
determinó que el caudal teórico es un 30% mayor que el caudal disponible. Sin embargo, se
estimó que la incertidumbre de la medición es de 13,3 %, esto debido a que se encontró los dos
siguientes errores en la medición: en primer lugar, se consideró el mínimo número de líneas
verticales (7 puntos en vez de 12) y en segundo lugar, que la medición de la velocidad se efectuó
una vez en cada línea vertical cuando se debió hacer al 20% y 80% de profundidad de la
superficie libre respectivamente. Efectuados dichos cambios, la incertidumbre se reduciría en
aproximadamente 50%. Asimismo, se observó que la sección del canal considerado en la
evaluación del caudal disponible, luego de efectuado las mediciones de la velocidad, era
rectangular cuando debió ser trapezoidal; con lo cual el caudal disponible podría disminuir en
casi 4%. Por todo lo mostrado anteriormente, el caudal disponible no debe ser tomado como un
valor confiable sino que se la empresa deberá realizar futuras mediciones.
En tercer lugar, se compararon las geometrías de: el rodete actual, el segundo rodete y el rodete
teórico; encontrándose que el segundo rodete corresponde a una turbina más radial. De la
misma manera, se comparó los triángulos de velocidades en los rodetes, encontrándose que la
pérdida por choque en el segundo rodete era mayor. De la misma forma, la superficie mojada
por álabe para el segundo rodete es mayor en aproximadamente 30% respecto al álabe del
rodete actual, y por ende las pérdidas por rozamiento del flujo. Se concluyó que el rodete actual
es el que más semejanza guarda con el rodete teórico para las condiciones nominales de la
central.
Se concluye que es posible aumentar la energía generada en la central hidroeléctrica Santa
Rosa 1 aumentando el diámetro del tramo recto de la tubería forzada a 1,5 m, con lo cual se
aumentaría en 351 MWh la energía generada anual lo que significa un aumento de los ingresos
anuales por 56 699 nuevos soles. Asimismo, es importante verificar el tipo de flujo que se
obtiene con el trazado de la tubería de presión, ya que de acuerdo al tipo de flujo la energía
hidráulica específica disponible en la central hidroeléctrica es diferente.
2017-03-11T00:00:00ZCFD analysis of performance and downstream vortices on a savonius typer vertical axis wind turbineGuignard, Nathanhttp://hdl.handle.net/20.500.12404/66862023-04-14T15:16:40Z2016-04-06T00:00:00ZCFD analysis of performance and downstream vortices on a savonius typer vertical axis wind turbine
Guignard, Nathan
Since the turn of the century, the talk about the limited reserve of fossil fuels and the effects of their burning on our climate has become a major topic of the media. The evidence is staggering and as a consequence most of our world’s countries have started an energy transition. The main goal is to get away from fossil fuels and use “renewable energies”, so called because the resources are constantly renewed and compared to fossil fuels seem infinite. Energies such as solar, wind, biomass and geothermal are examples of such sources of renewables. Denmark is the current leader in wind generated electricity, California and Spain are showing how to harness the power of the Sun, and all those efforts to generate more with renewables has to be matched with the effort to make those solutions more efficient and more attractive to other countries who still view fossil fuels as the easy solution and keep on using them. With the knowledge available now renewables it feels for some that burning fossil fuels is a primitive solution. Nonetheless it should be the duty of engineers to enlarge and better that knowledge for everyone to use.
Now more specifically about wind energy. Humans have harvested the energy in the wind for more than 2000 years (the Persians used windmills around 200 B.C.) and with time our technology has improved. They have designed incredible new machines such as the Savonius and Darreus type turbines and their knowledge of fluid dynamics has permitted the implementation of new streamlined blades that harvest more energy from the wind. Albert Betz has shown that a maximum of 59% was the limit for the efficiency of a wind-turbine. They have been getting closer to this number with the years but there is still room for improvement on certain types of turbines. Vertical axis wind turbines (or VAWTs) have always been considered not as suitable for energy production as horizontal type wind turbines. It is true because not all blades are exposed to the wind at all times (like in a horizontal axis wind turbine), but new studies have proved that streamlining the blades a certain way and adding a wing like thickness to them improved the overall efficiency of the turbine. Knowing that and considering that HAWTs are significantly cheaper to produce and maintain than HAWTS, it makes them a more viable solution notably for local decentralized production in isolated areas of the world.That leads to Peru. Peru is a fast growing still yet a 3rd world country. Its potential for renewable energies production (especially wind energy) is tremendous, yet the great amount of gas and oil available in the underground and them coming at a cheap price does not encourage the government to subsidize renewables. It leaves Peru dependent on foreign investments to develop this sector and takes away a great opportunity to forego its energetical transition and get ahead of competition in South America. Some projects have surfaced notably in northern Peru, in the Trujillo region, but there are few compared to the mega industry of oil and gas.
This thesis paper has for goal to further the knowledge of wind turbines in the context of hoping to change Peru’s view on their use and also for the world to use as a database for further research and other works.
2016-04-06T00:00:00ZSimulación numérica de un flujo de agua a través de una válvula tipo mariposa de doble excentricidadVillarroel Quinde, Luis Felipehttp://hdl.handle.net/20.500.12404/64082023-04-14T15:16:40Z2015-11-18T00:00:00ZSimulación numérica de un flujo de agua a través de una válvula tipo mariposa de doble excentricidad
Villarroel Quinde, Luis Felipe
Las válvulas mariposa son componentes muy utilizados para el transporte de fluidos a
través de tuberías. Dentro de estas válvulas, destacan las válvulas mariposas de doble
excentricidad por tener ciertas ventajas como por ejemplo la reducción del desgaste de
su sellado en comparación con las válvulas mariposas clásicas. Sin embargo, su asimetría origina un comportamiento más crítico en cuanto a las características hidráulicas del flujo, como son: la pérdida de carga, la distorsión del perfil de velocidades y el riesgo a la cavitación. Como es usual utilizar estas válvulas para control on-off de flujos, se desean bajas pérdidas de carga en su posición totalmente abierta. Cuando estas válvulas se sitúan directamente en el ingreso de turbomáquinas, es importante conocer el grado de distorsión del perfil de velocidades que entra en la máquina ya que ésto modifica los ángulos de ataque del flujo con los álabes y con ello
el punto de operación. Y si se opera con presiones bajas también se debe considerar
el riesgo de cavitación en partes de la válvula donde se eleve localmente la velocidad.
Son estas tres características las que se estudiarán en una válvula mariposa previamente diseñada en la PUCP, con el fin de mejorar la geometría original y con
ello su comportamiento hidráulico. Idealmente, se deben realizar ensayos experimentales para conocer el comportamiento hidráulico, pero estos métodos generalmente resultan muy costosos. Una alternativa utilizada hoy en día para la optimización de productos es el estudio computacional CFD (Computational Fluid Dynamics) el cual tiene ciertas ventajas, ya que entrega la información de todos los puntos del dominio y permite realizar cambios en la geometría o en el flujo de forma rápida y menos costosa.
En el presente trabajo se realiza el análisis CFD de una válvula mariposa de doble excentricidad con un diámetro nominal de 610mm, en posición completamente abierta con un caudal aproximado de agua de 1 m3/s a 10ºC lo que implica una velocidad media en la tubería de aproximadamente 3.5 m/s. Para ello se utilizó el programa ANSYS CFX 14.0 y se empleó el modelo de turbulencia SST. Luego, se realizó una modificación del diseño original para obtener un diseño alternativo el cual es incluso un
2% más ligero. Lo más importante fue que se consiguió una reducción del 38.3% del
coeficiente de pérdidas del diseño original y se aumentó un 40.4% la resistencia a la
cavitación del diseño original. Sin embargo, al igual que en el diseño original, el flujo
recién comienza a recuperar la forma que tenía antes de ingresar a la válvula después
de 14 diámetros nominales aguas abajo de la misma.; Butterfly valves are components used for the transport of fluids through pipes. Among these valves, double eccentric butterfly valves have certain advantages, for example
the reduction of wear in the sealing system compared to classic butterfly valves.
However, its asymmetry originates some problems in the hydraulic characteristics of
the flow such as: pressure loss, distortion of the velocity profile and the risk of
cavitation. It is usual to use these valves in the control on-off of flows and because of
that, minimum losses are desired when the valves are fully opened. When these valves
are located directly at the inlet of turbomachinery, it is important to know the degree of
distortion of the velocity profile that enters the machine because this can modify the
angles of attack of the flow with the blades and thus the point of operation. And if the
valve operates with low pressures, it will be necessary to study the risk of cavitation in
the regions of the flow with high velocities.
These three characteristics are going to be studied in a butterfly valve previously
designed at PUCP, in order to improve the original geometry and its hydraulic behavior.
Ideally, experimental methods are required in order to know the hydraulic behaviour,
but these methods are usually very expensive. An alternative used today for the
optimization of products is the computational study CFD (Computational Fluid
Dynamics), which has certain advantages, since it gives information of all the points of
the domain and allows the researcher to make fast and inexpensive changes in
geometry or flow conditions.
In this work, a CFD analysis of a double eccentric butterfly valve is done. The nominal
diameter of the valve was 610mm and the valve was fully opened. Its nominal flow was
approximately 1 m3/s of water at 10 °C which implied a mean velocity of the flow of 3.5
m/s. The CFD simulation was done using ANSYS CFX 14.0 and the SST turbulence
model was used. Then, a modification of the original design was made in order to
obtain an alternative design which was 2% lighter. The most important achievement
was that the alternative design had a reduction of 38.3% of the loss coefficient of the
original design and had an increased of 40.4% of the cavitation resistance of the
original design. However, the same as the original design, the flow started to achieve a
uniform velocity profile after 14 nominal diameters, downstream of the valve.
2015-11-18T00:00:00Z