SISTEMAS SOLARES TERMOSIFÓNICOS
Y SU APLICACIÓN EN LA ZONA ECUATORIAL
RESUMEN
Se presenta una variedad de propuestas existentes en la bibliografía sobre modelación, optimización y pruebas para dispositivos
solares tipo termosifón, considerando la posible aplicación en el diseño de dispositivos que se adecuen a la geofísica de la zona
ecuatorial. La particular inclinación con que los rayos solares caen en la zona ecuatorial hace necesario el compilar un abun-
dante marco teórico que se adecue a esta realidad. Aprovechar los avances actuales en sistemas solares termosifónicos pasivos,
presentados principalmente en forma de metodologías varias para la obtención de: ángulo de inclinación óptimo, orientación
del colector, diseño, construcción, predicción del comportamiento de los dispositivos, familiarizarse con las propuestas de prue-
bas de comportamiento de los dispositivos en captación y transferencia de energía en diversas aplicaciones, así como conocer
el comportamiento de la convección libre en diversos casos, la modelización del efecto termosifón en tubos al vacio y en tubos
de cobre con diversas características, dan los lineamientos a seguir para una propuesta innovadora de un dispositivo termosifón
pasivo para la zona ecuatorial.
SUMMARY
The paper presents existing proposals in the literature on modeling, optimization and Thermosiphon solar devices testing,
considering the possible application in the design of devices that t the equatorial geophysics. The angle that the sun’s rays fall
in the equatorial makes it necessary to build a theoretical framework that ts this reality. Harness advances of current Ther-
mosiphon passive solar systems, present mainly in the form of several methodologies to obtain: optimum tilt angle, collector
orientation, design, construction, performance prediction, as well as familiar with the behavioral testing of devices in collection
and energy transfer in various applications. Know the behavior of free convection Thermosiphon effect modeling with vacuum
tubes and copper tubes with different characteristics. Provides guidelines to follow for an innovative proposal regarding passive
Thermosiphon device for equatorial.
Palabras clave: Termosolar, termosifón, Ecuador, modelos, energía alternativa
Keywords: thermosolar, thermosiphon, Ecuador, models, alternative energy.
Celso Recalde
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo – Ecuador. crecalde672000@yahoo.es.
Revisión por Jenny Orbe
imagen ilustrativa
37
Justicación
La búsqueda e implementación de
fuentes energéticas renovables a nivel
global y regional se ha convertido en
política del gobierno ecuatoriano (Plan
Nacional de Desarrollo SENPLADES
2010), los planes de desarrollo local
(Concejo Provincial de Chimborazo
Plan para el Buen Vivir 2009) guardan
coherencia con las tendencias globales
(Protocolo Kioto, Rio de Janeiro, Can-
cún, etc.) y buscan mecanismos para
que estas tecnologías se socialicen y a
futuro se masiquen mitigando las emi-
siones de carbono a la atmosfera. Sin
embargo, se debe considerar el apro-
vechar las ventajas comparativas que
tenga cada lugar, para el diseño de los
sistemas energéticos (Solar engineering of
thermal processes, autor John Dufe and
Willian Beckman, 2006), aprovechando
las condiciones geográcas y resolvien-
do problemas particulares como el caso
de Ecuador (latitud 0).
Los sistemas termo solares en su ma-
yor parte han sido desarrollados en los
países de latitudes media y altas, pen-
sando en sus condiciones geofísicas
predominantes, lo cual ha dado lugar
a la creación de sistemas termosolares
con geometrías particulares que op-
timizan la captación de la radiación
solar. En estos países dependiendo del
hemisferio se observa el Sol de manera
permanente al sur o al norte. En Ecua-
dor la radiación es casi perpendicular
con pequeñas oscilaciones al norte y al
sur (Estudio potencial eólico y solar del
Cantón Riobamba, ESPOCH CONE-
SUP, 2007).
Se han desarrollado por más de 50 años
calentadores solares domésticos am-
bientalmente amigables para regiones
de latitudes medias y altas, sin embar-
go, no han podido ser comercialmente
competitivos respecto a los dispositivos
a gas o eléctricos (Diario el Comercio
Quito 2005), por lo que se busca nuevos
diseños con iguales o mejores prestacio-
nes que las unidades convencionales,
para la zona ecuatorial principalmente
sistemas pasivos (termosifónico).
En los sistemas solares pasivos compac-
tos tradicionales la ubicación del tan-
que acumulador es en la parte superior
del sistema con lo cual se facilita la con-
vección del uido de trabajo, pero esta
solución para la latitud 0, tiene el in-
conveniente de producir sombra sobre
el colector lo cual conlleva a la dismi-
nución de su área efectiva de captación
y además hace estos sistemas menos
compactos. Por este motivo se propone
el hacer un nuevo diseño de dispositivo
que elimine o minimice esta realidad.
Marco teórico
En Ecuador no existe una normativa
para el uso de dispositivos termosolares.
El Ministerio de Energía para mitigar
en algo esta situación está usando nor-
mativas europeas, como requisito que
deben cumplir los proveedores. Por tan-
to, la necesidad de establecer métodos
de prueba para analizar el comporta-
miento de los sistemas solares termosi-
fónicos se hace urgente.
El Departamento de Ingeniería Me-
cánica de la Universidad Nacional de
Taiwan en el año 1991
1
, propuso un
método de evaluación del comporta-
miento térmico de los sistemas termosi-
fónicos. Se sugiere que para calicar el
desempeño general se debe incluir: (1)
Prueba de la eciencia del sistema du-
rante la fase de recolección de energía
y (2) prueba de pérdida en el sistema de
enfriamiento durante la fase de refrige-
ración. Ambas actividades proponen
se realicen al aire libre. La prueba de
pérdidas en refrigeración se realiza in-
mediatamente después de la prueba de
eciencia.
Con este n se emplea un modelo semi-
empírico de la eciencia del sistema con
una variable (Ti-Ta)/ Ht se deduce al
correlacionar los resultados de las prue-
bas de eciencia diaria, mientras se usa
un modelo simple de primer orden con
un tiempo de enfriamiento constante
TC para evaluar el parámetro de pér-
dida en la fase de enfriamiento. Se pro-
pone un método de prueba y un sistema
experto diseñado para realizar pruebas
al aire libre. Se muestra que se obtiene
muy buena correlación del modelo de
eciencia del sistema y los parámetros
obtenidos del sistema pueden ser utili-
zados para valorar el rendimiento tér-
mico en la fase de recolección de ener-
gía, mientras que el comportamiento
térmico en la fase de enfriamiento es
evaluado examinando la constante de
tiempo TC del modelo de pérdida en
enfriamiento.
T
i
= Temperatura inicial del tanque,
o
C.
T
a
= Temperatura promedio ambiente.
o
C.
Ht= Irradiación total diaria incidente
sobre el colector inclinado, MJ/m
2
dia.
Sin embargo, para el testeo de los dis-
positivos termosolares, se debe consi-
derar la metodología desde el diseño,
donde los estudios numéricos de termo-
sifón inclinado en convección natural
1 HUANG, B.; Du, S. “A Perfor-
mance Test Method of Solar
Thermosyphon Systems”.
Figura 1. Muestra rango de oscilación rayos solares en Ecuador.
38
delinean la geometría nal. Un artículo
interesante lo escribió 1992 F. O. Gaa
y otros
2
. Analizan numéricamente el
problema del ujo en un colector solar
de tubos al vacio. Plantea el dispositivo
con geometría cilíndrica, la parte supe-
rior conectada a un reservorio a tem-
peratura constante. Debido al calenta-
miento del tubo se establece un ujo a
circulación natural, donde el uido frío
del reservorio entra al termosifón ca-
lentándose, y el uido más cálido sale
por la parte superior. Se supone que el
uido está limitado por paredes sólidas
a acepción de la parte superior. El ca-
lentamiento del tubo se ha simplicado
suponiendo una temperatura uniforme
en la supercie superior de la pared
curva, con una temperatura uniforme
diferente en la pared inferior. El uido
ingresa al termosifón desde el reservo-
rio suponiendo que tiene la tempera-
tura del reservorio. El extremo cerrado
del cilindro se supone adiabático. El
dominio de la solución está restringi-
da a cilindros con condiciones límites
modelados para un extremo superior
abierto. La formulación del potencial
vector-vorticidad de las ecuaciones de
conservación en coordenadas cilíndri-
cas esta aproximado por el método de
diferencias nitas y resueltas por ADI.
Las soluciones han sido obtenidas para
agua (Pr=6.5) y numero de Rayleigh en
el rango de 1000 a 500000. Se han con-
siderado las dimensiones del cilindro
(longitud/radio) de 4 y 10.
En el 2001 Khanafer y otros en la Inter-
national Journal of Heat and Mass Transfer,
presentan un trabajo sobre condiciones
de frontera reales para ujos impulsa-
dos por otabilidad y la transferencia
de calor en recintos bidimensionales
con los extremos abiertos
3
. Se realiza
una representación precisa de las con-
diciones reales de contorno para una
amplia gama de parámetros en la aber-
tura plana de una estructura de dos di-
mensiones abierta en los extremos. Las
condiciones de frontera reales presentes
están correlacionadas con el número de
Rayleigh, de Prandtl y la relación del
2 GAA, F.; BEHNIA, L.; MORRISON
G. “A Numerical Study of Natural
Convection in an Inclined Thermo-
syphon with an Open Top”.
3 KHANAFER, K.; VAFAI, K. “Ef-
fective Boundary Conditions for
Bouyancy-driven Flows and Heat
Transfer in Fully Open-Ended Two-
dimensional Enclosures”.
aspecto de la geometría con extremos
abiertos. El procedimiento numérico se
basa en el método de los residuos pon-
derados de Galerkin con formulación
de elementos nitos. Se presentan com-
paraciones exhaustivas entre la investi-
gación usando condiciones de frontera
reales con el modelo de extremos ce-
rrados y los resultados computacionales
conrman la exitosa implementación
del modelo propuesto. La aplicación de
esta representación reduce las principa-
les dicultades asociadas con las condi-
ciones a extremos abiertos, con resulta-
dos en ahorro de CPU y memoria. El
trabajo presenta el modelado básico y
genérico de un conjunto de condiciones
de contorno reales en la apertura del
plano para varias aplicaciones de inte-
rés práctico.
Otro trabajo interesante sobre la con-
vección libre de un cilindro semicir-
cular vertical e inclinado a diferentes
orientaciones, presentado en el 2003
en la revista de Ingeniería de Alejan-
dría
4
, se estudia experimentalmente a
diferentes orientaciones la transferencia
de calor por convección libre desde la
supercie exterior de un cilindro semi-
circular vertical e inclinado. Los expe-
rimentos se desarrollaron para estudiar
el efecto de los ángulos de inclinación
y orientación del cilindro semicircular
en la distribución de temperatura de la
pared, los coecientes local y promedio
de transferencia de calor, el número
de Nusselt local y promedio para una
amplia gama de números de Grashof.
Además, se obtuvieron en una forma
adimensional las correlaciones para el
coeciente de transferencia de calor por
convección libre de un cilindro semicir-
cular vertical e inclinado en función de:
número de Rayleigh, ángulo de inclina-
ción y ángulo de orientación del cilin-
dro. Los experimentos se realizaron con
el cilindro semicircular en cuatro ángu-
los de inclinación: α=0º, 30º, 45º y 60º
medidos desde la vertical. Se investiga-
ron para cada inclinación del cilindro
semicircular tres orientaciones diferen-
tes: (1) la parte plana del cilindro semi-
circular hacia arriba (θ= 0º), (2) la parte
plana del cilindro semicircular vertical
(θ= 90º), y (3) la parte plana del cilin-
dro semicircular hacia abajo (θ= 180
º). Los experimentos se ejecutaron con
4 NADA, S.; MOWAD, M. “Free
convection from a vertical and
inclined semicircular cylinder at
different orientations”.
ujo de calor constante. Los resultados
mostraron que (i) el promedio del nú-
mero Nusselt aumenta como el ángulo
de inclinación del cilindro semicircular
(medido a partir de la vertical) aumenta
para las tres diferentes orientaciones del
cilindro, y (ii) en algunas inclinaciones
de los cilindros, el número de Nusselt es
mayor para la orientación θ= 90º que
el de la orientación θ= 0º, que a su vez
es superior a la de θ=180º. Se han desa-
rrollado correlaciones para predecir el
promedio del número de Nusselt para
el cilindro semicircular en función del
número de Rayleigh, el ángulo de in-
clinación y el ángulo de orientación de
los cilindros. Se encontró concordancia
entre la tendencia de los resultados y la
existente en la literatura.
Un trabajo similar presenta la escuela
de Ingeniería Mecánica de la Univer-
sidad de New South Wales, Australia, se
estudia la transferencia de calor y el
ujo en termosifones abiertos inclina-
dos
5
, describe la estructura del ujo de
un termosifón cilíndrico inclinado y la
transferencia de calor por convección
libre en el extremo abierto de un colec-
tor solar de tubos de vacío. La estruc-
tura de ujo fue visualizado por el tinte
azul de timol y partículas marcadoras
de ujo (reoscopicas). Los perles de
temperatura se miden con un termo-
par con registrador. Durante el calen-
tamiento uniforme del tubo se observó
una región estancada signicativa en la
parte inferior del tubo, la cual disminu-
ye con el aumento de la temperatura de
la pared. Para el caso de la diferencial
de calentamiento de la mitad superior
del tubo de sección transversal, a la mi-
tad inferior con temperatura superior,
no había región estancada. Cuando la
mitad superior se calienta a una tem-
peratura inferior que la mitad inferior
había una región signicativa del mo-
vimiento celular en el extremo inferior
del tubo. Una región de recirculación
inactiva en un colector solar de tubo
de vacío y en otros termosifones abier-
tos puede disminuir la efectividad de la
transferencia de calor a través del extre-
mo abierto del tubo.
Paitoonsurikarn y Lovegrove estudia-
ron numéricamente las pérdidas por
convección natural en colectores sola-
5 BEHNIA, M.; MORRINSON,
G.; PARAMASIVAM S. “Heat
Transfer and Flow in Inclined Open
Thermosiphons”.
39
res tipo cavidad en sistemas de ener-
gía solar térmica, especialmente para
aplicaciones de alta concentración. La
convección natural contribuye con una
fracción signicativa de la pérdida de
energía, sus características por lo tanto,
necesitan ser entendidos para ser ecaz-
mente minimizada y mejorar la ecien-
cia del sistema. Se investiga la inuen-
cia en la pérdida por convección de la
geometría de la cavidad y la inclinación
a través de la abertura. Se utilizó el pa-
quete Computacional de Dinámica de
Fluidos “Fluent 6.0” para tres casos
geométricamente diferentes de recepto-
res. Los resultados de pérdida de calor
calculado muestran una dependencia
no lineal con el ángulo de inclinación
y cualitativamente buena aproximación
con los cálculos propuestos por diferen-
tes modelos empíricos. El modelo Clau-
sing (1981) muestra la predicción más
cercana de los resultados numéricos y
experimentales a pesar de su uso origi-
nal es en sistemas de recepción central
de gran escala.
Morrinson L. estudió el comportamien-
to de calentadores de agua solares de
tubos al vacio
6
con coecientes de pér-
dida de calor mucho menores que los
colectores de placa plana estándar, por
lo tanto tienen perspectivas para sumi-
nistrar calor a temperaturas superiores
a 100° C. El comportamiento de los co-
lectores de tubos de vacío también pue-
de ser superior a los colectores de placa
plana que operan a menor temperatu-
ra, debido a la favorable respuesta al
ángulo de incidencia, mayor eciencia
en los períodos de baja irradiación y a
la temperatura ambiente. Presenta los
resultados de tres años de seguimiento
de una serie de sistemas solares de agua
caliente sanitaria que incorpora colec-
tores solares de tubos de vacío. Colec-
tores tubulares de vacio a ciclo forzado
(bombeo) y termosifónicos con sistemas
solares de calentamiento de agua están-
dar de placa plana.
En el 2000 la revista international Heat
and Mass Transfer
7
hace un análisis de
ujos impulsados por otabilidad y
6 MORRISON G. “Performance of
Evacuated Tubular Solar Water
Heaters”.
7 KHANAFER, K.; VAFAI K. “Buoyan-
cy-driven ow and Heat Transfer in
open-ended Enclosures: Elimina-
tion of the Extended Boundaries.
de la transferencia de calor de celdas
abiertas: con eliminación de límites am-
pliados. Se centra en obtener una re-
presentación precisa de las condiciones
de contorno reales en el lado abierto
de estructuras abiertas de dos y tres di-
mensiones. La aplicación de esta repre-
sentación reduce las muy complicadas
condiciones de contorno abierto a un
dominio cerrado y resulta en un sustan-
cial ahorro del uso de CPU y memoria.
El procedimiento numérico utilizado
en este trabajo se basa en el método de
ponderación residual de Galerkin con
formulación de elementos nitos. Las
comparaciones entre la investigación
utilizando las correlaciones del mode-
lo cerrado propuesto y los resultados
computacionales valida la aplicación
del modelo propuesto. Los resultados
presentados en este trabajo constituyen
una forma innovadora para describir
correctamente las condiciones de fron-
tera en el lado abierto de un contorno
abierto.
En el 2007 en ScienceDirect se presen-
tó el diseño, construcción y predicción
del comportamiento de un colector so-
lar integrado al techo usando análisis
de elementos nitos
8
, es una aplicación
diferente pero de mucha actualidad. El
colector solar fue diseñado integrado
al techo buscando fácil construcción,
eciencia energética, integración fun-
cional, comportamiento, sostenible,
conable, exible, mejor costo efectivo,
ecaz. Se desarrollada una estrategia
de construcción del colector y asegurar
la calidad, facilidad y repetitividad de
manufactura. Se desarrollaron modelos
con elementos nitos tridimensionales
para avaluar el comportamiento termal
del colector solar integrado al techo.
El modelo fue usado para predecir el
conjunto de variables óptimo usadas al
construir un confort térmico adecuado.
En el modelo se consideró la conduc-
ción acoplada a la convección forzada,
se desarrollaron los modos de radia-
ción térmica de transferencia de calor
de onda larga. Para propósitos demos-
trativos, se modelo en la localidad de
Blacksburg. Los resultados mostraron
que el colector integrado al techo tiene
un comportamiento térmico aceptable
8 HASSAN, M.; BELIVEAU, Y.
“Design, construction and perfor-
mance Prediction of Integrated
solar roof collectors using nite
element analysis”.
para suplir aproximadamente el 85%
del calentamiento en el espacio cons-
truido y los requerimientos de agua
caliente.
El camino solar en el cielo y la posición
de los colectores dene la cantidad de
radiación captada y por tanto son pará-
metros que denen la posición óptima
de los dispositivos, esto es un requeri-
miento previo al diseño de un sistema
de conversión basado en el sol, conocer
la orientación optima y la inclinación
de la supercie al pico de energía so-
lar colectada
9
. En muchas partes del
mundo, sin embargo, no siempre son
disponibles los datos de radiación solar
para la supercie de interés. El artículo
presenta una aproximación numérica
para calcular la radiación solar sobre
los planos inclinados integrados a me-
diciones de la distribución de radiación
en el cielo. La radiación anual total
obtenida a diferentes inclinaciones de
las supercies mostrando varias orien-
taciones y la radiación solar mensual a
la optima inclinación de la supercie y
fue determinado tres planos verticales
hacia el este, sur y oeste. Las salidas de
energía y la eciencia fueron simuladas
usando un paquete computacional. Los
benecios ambientales en término de
reducción de gases efecto invernadero e
implicaciones de costo fueron también
considerados. Busca dar información
técnica para diseños ingenieriles y eva-
luación de los sistemas fotovoltaicos los
cuales pueden contribuir al ambiente,
energía y aspectos económicos.
En el 2010 se presentan simulaciones
numéricas de transferencia estable de
calor por convección natural en un
tubo de entrada simple a 3 dimensio-
nes sujetas a un nano uido
10
. En este
trabajo, la simulación numérica tri di-
mensional del ujo de convección natu-
ral constante y la transferencia de calor
son estudiadas en un tubo de entrada
simple con ingreso de calor no unifor-
me. Aparte de otras aplicaciones, sirve
como modelo simplicado de un tubo
9 LI, D.; LAM, T. “Determining the
Optimum Tilt Angle and Orientation
for Solar Energy Collection Based
on Measured Solar Radiance
Data”.
10 SHAHI, M.; HOUSHANG, A..
“Numerical Simulation of Steady
Natural Convection Heat Transfer
in a 3-dimensional single-ended
tube subjected to a nanouid”.
40
solar de vacío de vidrio con entrada
simple para calentar agua. Se supone
que el extremo cerrado del tubo es adia-
bático y la abertura del tubo será some-
tido a nano uidos de cobre y agua. Se
deducen las ecuaciones en coordenadas
cilíndricas que gobiernan el fenómeno
basándose en el modelo conceptual.
Las ecuaciones se han aproximado por
medio del método de volumen de con-
trol nito (FVM), utilizando en el arre-
glo el algoritmo SIMPLE. El estudio ha
sido llevado a cabo para la fracción de
volumen solida 0 ≤ φ ≤ 0,05 y ujo de
calor máximo 100 ≤ q
m
≤ 700 metros
cuadrados. Teniendo en cuenta que el
ujo impulsado en el tubo se ve inuido
por las dimensiones y el ángulo de in-
clinación del tubo solar, los patrones de
ujo y la distribución de temperatura
cuando el tubo se coloca en diferentes
orientaciones se presentan en diferentes
planos de corte transversal y secciones
longitudinales.
Se presenta en el 2009 revista interna-
cional Thermal Sciences un trabajo sobre
enfriamiento por convección natural
inestable de un tanque de almacena-
miento de agua con uido de gases
de combustión
11
, El proceso de enfria-
miento por convección natural en ca-
vidades cilíndricas es un fenómeno que
tiene lugar en varias aplicaciones tales
como en sistemas de energía solar. Se
estudia experimental y numéricamen-
te un tanque de almacenamiento con
un conducto con gas de combustión
durante su proceso de enfriamiento a
largo plazo. El dominio computacional
incluye dos líquidos, es decir, el agua
en el tanque y el aire en la chimenea, y
dos capas externas e internas de acero
separados por material de poliuretano
como aislamiento. En este trabajo, el
análisis numérico y experimental del
campo de temperaturas en el interior
del tanque al someterse a un proceso de
enfriamiento por convección externa
con coeciente constante de transferen-
cia de calor por convección. Los perles
de temperatura de aire y agua a lo largo
de líneas verticales se obtienen experi-
mentalmente y numéricamente, para
un período de refrigeración de 90 h. El
análisis numérico se realiza utilizando
11 HMOUDA, I.; RODRIGUEZ, C.;
BOUDEN, C.; OLIVA, A. “Unsteady
natural convection cooling of a
water storage tank with an internal
gas ue”.
un código especíco de CFD (Computa-
tional Fluid Dynamics) desarrollado para
este trabajo, un dominio de simetría
axial se ha considerado. Por último, se
proporciona una descripción detallada
de los fenómenos que ocurren en la par-
te interna del agua del durante el domi-
nio del proceso de enfriamiento.
En el 2009 en Rourkela India, se plan-
teó un análisis CFD de la convección
natural en un diferencial cerrado de ca-
lor
12
El control térmico se logra amplia-
mente en muchos sistemas aplicando el
proceso de convección natural por su
bajo coste, abilidad y fácil manteni-
12 KUMAR, S.; “CDF Analysis of
Natural Convection in Differentially
Heated Enclosure”.
miento. Las aplicaciones típicas inclu-
yen los intercambiadores de calor, refri-
geración de equipos electrónicos y los
reactores nucleares, chimeneas solares y
muros Trombe en el sector de la cons-
trucción, etc. Estudios numéricos y ex-
perimentales de los ujos de convección
natural en dos canales dimensionales,
en las dos secciones nales abiertas a las
condiciones ambientales, han sido am-
pliamente reportados en la literatura,
pero la mayoría de ellos son tratados en
situaciones idealizadas. Código CFD de
la convección natural con propiedades
variables y las condiciones de desliza-
miento se presentan en el trabajo. El
2D, simulaciones laminar se obtienen
mediante la resolución de las ecuacio-
nes que gobiernan un uido. Se consi-
Gráco Nº 1. Simulación colector orientado al Norte en Ecuador con diversas
inclinaciones.
Imagen Nº1. Dispositivo con 15º de inclinación, instalado en Pulinguí, Ecuador
41
dera que las variaciones de temperatura
no son tan altas y la aproximación de
Boussinesq se aplica. Este último lleva
a la simplicación del sistema de ecua-
ciones. Los resultados calculados para
el número de Nusselt, la velocidad y
perles de temperatura y velocidad de
transferencia de calor están directa-
mente comparados con las propuestas
en la bibliografía, dejando por lo tanto
la validación del procedimiento numé-
rico empleado.
Estudio Numérico de convección mix-
ta en un canal con una cavidad abierta
llena de un medio poroso
13
, convección
mixta en cavidades abiertas rellenadas
con un material poroso con una pared
calentada con ujo de calor uniforme
es estudiada numéricamente. Las con-
guraciones investigadas son: un canal
horizontal con una cavidad en la pared
inferior (cavidad en forma de U), un
canal vertical, con una cavidad en la
pared (cavidad en forma de C). Una in-
vestigación a dos dimensiones el estado
de equilibrio se lleva a cabo con el n de
evaluar los principios naturales y com-
portamiento básico de los ujos que
se presentan empleando el modelo de
Darcy-Brinkman extendido Forchhe-
imer. Los resultados se obtienen para
dos números de Reynolds y dos núme-
ros de Richardson. Algunos comporta-
mientos diferentes se observan entre las
dos conguraciones geométricas en tér-
minos del patrón de ujo en la cavidad
abierta y los perles de temperatura de
la pared.
Es importante conocer el comporta-
miento térmico transitorio de un tan-
que solar vertical de almacenaje con un
manto intercambiador de calor en Ope-
ración no ujo
14
de un sistema domés-
tico, se ha investigado numéricamente
en el modo de carga. Se supone que el
tanque está inicialmente lleno de agua
fría. En un instante de tiempo, el uido
caliente sale del colector, se inyecta de
manera uniforme en la parte superior
del intercambiador de calor de manto y
después de la transferencia de calor con
13 BOUNOMO,B.; FOGLIA, G.;
MANCA, O.; NARDINI, S. “Numeri-
cal study on Mixed Convection in a
Channel with an open Cavity Filled
with Porous Media”.
14 BARZEGAR, A.; DEHGHAN
,A.“Transient Thermal Behavior of
a Vertical Solar Storage Tank with
a Mantle Heat Exchanger During
No-Flow Operation”.
el uido dentro del tanque, retirándose
de la parte inferior del intercambiador
de calor. Las ecuaciones de conserva-
ción en coordenadas cilíndricas y en
condiciones de eje-simétricos se han
utilizado de acuerdo con la geometría
investigada. Se han discretizado las
ecuaciones que gobiernan empleando
el método de volúmenes nitos y el Al-
goritmo SIMPLE se ha utilizado para
el acoplamiento entre las ecuaciones de
movimiento y presión. El modelo bajo
número de Reynolds (LRN) k-ω se utili-
za para el tratamiento de la turbulencia
en el uido. En primer lugar, se inves-
tigaron el comportamiento transitorio
térmico del tanque de almacenamiento
de calor y el proceso de formación de
la estraticación térmica en el tanque
de almacenamiento de calor. Enton-
ces, la inuencia de Número de Ra-
yleigh en el tanque de almacenamiento
de calor, el número de Reynolds en el
intercambiador de calor de manto y la
posición vertical del manto en el ujo,
los campos térmicos y la formación
de la estraticación térmica fue inves-
tigado. Se encuentra que para valores
mayores del número de Rayleigh, una
estraticación térmica más adecuada
se establece en el interior del tanque.
También se advierte que el aumento de
la velocidad entrante del uido a través
del intercambiador de calor de manto
provoca una formación más rápida de
la estraticación térmica. Un rendi-
miento térmico superior se logró cuan-
do el intercambiador de calor de manto
se coloca en la mitad de la altura del
tanque de almacenamiento.
Existe una gran variedad de estudios
presentados a través de artículos, te-
sis, etc., que presentan la problemáti-
ca relacionada con la aplicación de la
energía termosolar, y se muestra que un
cambio de condiciones, de dispositivo o
de aplicación implica un esfuerzo teó-
rico cientíco previo a la construcción
de un prototipo y su posible aplicación
en dispositivos comerciales. Los algorit-
mos y principios físico matemáticos son
similares, de donde previa a una apli-
cación masiva de la energía termosolar
en Ecuador obliga a un esfuerzo acadé-
mico cientíco-tecnológico en que las
instituciones de educación superior y
los centros de investigación, desarrollo
e innovación deben implementar esta
línea de trabajo.
La posición geofísica de Ecuador hace
que países con similares problemáticas
sean pocos y es el único con sistemas
ecológicos con actividad antropogénica
importante a alturas superiores a 2000
msnm. El camino del sol en el cielo es
casi perpendicular oscilando levemen-
te de sur a norte y viceversa (-23.5
o
a
23.5
o
) con una importante área tropical,
pero también subtropical y alto andino,
es decir con una variación climática
muy grande.
Estas condiciones ambientales, geofísi-
cas y geográcas corresponden a condi-
ciones físicas y de frontera diferentes a
las encontradas en la mayoría de papers
estudiados, lo que implica que en base
de los mismos principios físicomate-
maticos con algoritmos similares a los
mostrados en las publicaciones se po-
drían proponer nuevos prototipos que
funcionen bajo las condiciones propias
de Ecuador.
El problema más evidente se muestra
en la inclinación de los colectores sola-
res existentes en el mercado ecuatoria-
no que en general están a 45º o más res-
pecto a la horizontal lo que hace que en
el caso de colectores orientados hacia el
norte se observa que a cero grados la
radiación es máxima, pero los calefones
de circulación natural pueden presentar
problemas de estraticación del uido.
Con 15 grados se pierde alrededor del
3% promedio, con diferencias máximas
de sólo el 15%.
A inclinación de 45º conlleva una per-
dida promedio del 27% con respecto a
la inclinación de 15°, mostrándose que
hay una pérdida máxima que llega has-
ta el 55%.
Reconocimiento
A la Fundación Climate and Develop-
ment Italia por impulsar el desarrollo
cientíco en la ESPOCH, como una
continuación del trabajo de los prime-
ros docentes italianos de las carreras de
Doctorado en Química, Física y Mate-
mática.
Conclusiones
Es necesario desarrollar algoritmos que
modelen dispositivos de captación de
energía solar térmica horizontales o
con pequeñas inclinaciones en Ecuador.
Construir prototipos para la zona Ecua-
torial que validen y sirvan para ajustar
los modelos y simulaciones teóricas.
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