Estudio experimental de la transferencia de calor en un lecho empacado de rocas horizontal

Abstract

A pesar de la amplia adopción de sistemas de almacenamiento térmico con sales fundidas en plantas solares de concentración comerciales, estas tecnologías enfrentan desafíos en términos de costos y un control exhaustivo para su operación. Como alternativa, se han investigado sistemas de almacenamiento térmico de calor sensible de lecho empacado que son más económicos y operan con rangos de temperaturas más elevados. En este estudio, se ha investigado experimentalmente un sistema de almacenamiento térmico de calor sensible mediante un lecho empacado de escoria de cobre con aire como fluido de transferencia de calor. A diferencia de investigaciones anteriores, donde comúnmente se colocaba el lecho en posición vertical, en este caso se presenta dispuesto en posición horizontal con un flujo de aire longitudinal. Se llevaron a cabo una serie de experimentos para obtener datos experimentales que sirvieron para ajustar parámetros de un modelo numérico basado en modelos de transferencia de calor, y en particular, determinar los coeficientes de transferencia de calor convectivo entre la fase sólida y gaseosa del sistema. Los experimentos abarcaron valores del número de Reynolds entre 170 y 550, rango que corresponde a regímenes de flujo de transición hasta turbulentos. Los resultados revelan que el flujo de aire tiene un impacto significativo en el coeficiente de transferencia de calor. A partir de los datos recopilados, se ha desarrollado una correlación entre el número de Nusselt (Nu), el número de Reynolds (Re) y el número de Prandtl (Pr). Esta correlación está relacionada con el flujo de aire a través del número de Reynolds, una cantidad adimensional utilizada en la construcción de la correlación del número de Nusselt, que a su vez relaciona la transferencia de calor por convección forzada y la conductiva en la superficie de los sólidos. Además, se ha cuantificado el valor de la métrica de error R2 , el cual se aproxima a la unidad. Este resultado indica que los valores predichos por la correlación se acercan de manera significativa a los valores experimentales. Nu = 1.32 · Re0.59 · P r 1 3 , R2 = 0.98 Los Nusselt de la correlación obtenida fueron superiores en un 30 % al de los estudios anteriores para un mismo rango de Reynolds. Esta mejora se atribuye a la consideración de la forma irregular del material de empaque, lo que produce una mayor turbulencia en la interfaz sólido-fluido y, por consiguiente, un aumento en la transferencia de calor.