Estudio de la transferencia de calor y de los flujos convectivos inducidos en una cubierta hídrico-solar

Abstract

La investigación realizada tiene su origen en la necesidad de caracterizar la transferencia de calor, los flujos convectivos inducidos y la potencia disipada en una cubierta hídrico-solar. Esta cubierta se monta sobre el techo de un edificio y consiste en una estructura rígida formada por dos partes: la primera es una chimenea solar (constituida por placas que forman un canal convergente e inclinado) que capta la radiación solar y genera un flujo de aire en su interior, y la segunda consta de una zona donde se pulveriza el agua en sentido contrario al flujo de aire generado. Ambas partes se encuentran físicamente unidas. La función principal de la cubierta es la de enfriar agua. Para abordar este problema se han estudiado tres configuraciones: primer prototipo de cubierta hídrico-solar, segundo prototipo y sistema de placas (este último para cubrir la ausencia de conocimiento existente en el problema de transferencia de calor por convección natural y gasto másico inducido en sistemas de placas inclinadas y convergentes que aparecen en la cubierta). Las dos primeras configuraciones han sido estudiadas tanto experimental como numéricamente mientras que la tercera ha sido estudiada numéricamente y validada con estudios experimentales de la bibliografía. Para cada una de las configuraciones estudiadas se ha planteado un modelo matemático formado por las ecuaciones de conservación así como las condiciones de controno adecuadas para cada configuración. En aquellos casos donde el flujo es turbulento se ha empleado un modelo de turbulencia (modelo k-epsilon para el flujo turbulento en los prototipos y modelo k-omega para el flujo turbulento en el sistema de placas). Para caracterizar la pulverización de agua que tiene lugar en la cubierta se ha empleado un modelo la grangiano de ecuaciones basado en la trayectoria de las gotas y acoplado con el sistema de ecuaciones generales de conservación a través de términos fuente. El sistema de ecuaciones planteado ha sido resuelto numéricamente mediante el método de los volúmenes finitos utilizando el código de propósito general Fluent. El estudio realizado sobre los prototipos ha proporcionado un conocimiento profundo del funcionamiento de ambos así como información válida para una mejora de futuros diseños. En el estudio de los canales convergentes e inclinados se ha obtenido la influencia del ángulo de convergencia, el ángulo de inclinación, la relación de aspecto del canal y el número de Rayleigh modificado sobre la transferencia de calor y el gasto másico tanto para régimen laminar como para régimen turbulento. Estos resultados obtenidos para las tres configuraciones objeto de estudio se han resumido por medio de correlaciones generales de la transferencia de calor, el gasto másico y la potencia disipada.