Análisis de segunda ley de la termodinámica de un colector solar de aire y validación experimental del modelo matemático utilizado para su optimización y caracterización térmica no estacionaria.

Abstract

Los colectores solares tienen un bajo rendimiento térmico y es necesario mejorar su eficiencia. El objetivo en este trabajo fue encontrar las condiciones de operación con las mínimas pérdidas de energía útil mediante la selección de parámetros óptimos de diseño. Para ello, se desarrolló un modelo matemático no estacionario basado en seis ecuaciones diferenciales acopladas a partir de los balances de energía de seis componentes del colector. Las ecuaciones se resolvieron numéricamente utilizando el método de Runtge-Kutta-Fehlberg con un código iterativo en MATLAB. En el procedimiento de solución, el calentador solar se dividió en elementos de volumen diferencial de longitud Δx y se determinó el tamaño de paso de tiempo óptimo en cada paso de integración. Los resultados numéricos se validaron con datos experimentales de un prototipo construido y se obtuvo una buena concordancia con un error menor al 4% en todos los casos. Los resultados revelaron que la eficiencia exergética mejoró hasta 1.1 veces cuando el espesor del absorbedor disminuyó de 0.001 a 0.0005 m, mientras que el valor más alto de eficiencia aumentó 3 veces cuando el espesor del marco lateral varió de 0.015 a 0.035 m. Asimismo, para un caudal másico de 0.0017 kg/s, la exergía útil y la temperatura de salida alcanzaron sus valores máximos de 6.7 W y 58 °C, respectivamente. Además, se utilizó la técnica del algoritmo genético para obtener un conjunto óptimo de parámetros geométricos del calentador con la máxima ganancia de exergía. Se encontró un área de calefacción óptima de 1.72 m2. Se definieron tres modelos para cuantificar los efectos de diferentes combinaciones de parámetros geométricos y materiales. Se encontró que el modelo III mejoró el valor más alto de eficiencia exergética en 6 y 4 % en comparación con los modelos I y II con un valor constante máximo de 7 % entre 10 y 16 horas. Finalmente, se realizó un análisis comparando la eficiencia exergética proporcionada para diversas configuraciones de la placa absorbedora y determinar así cual configuración nos proporciona el mejor rendimiento en estado transitorio.