Modelado de evaporadores de flujo bifásico para plantas termosolares de colectores cilindro-parabólicos

Resumen

El principal objetivo de esta tesis doctoral era contribuir al modelado de canales de evaporación (evaporadores) de flujo bifásico para plantas termo-solares de colectores cilindro-parabólicos. El modelo del evaporador es una pieza clave para el diseño de esquemas de control. Dicho evaporador se ha modelado y discretizado aplicando métodos de dinámica de fluidos computacional. En esta tesis doctoral han sido explorados los métodos de volúmenes finitos y de límite móvil. Sin embargo, problemas numéricos existentes en los modelos de volúmenes finitos (chattering) no permitían explotar completamente las simulaciones dinámicas. Además, ninguno de los modelos de límite móvil existentes permitía el cambio dinámico entre todas las posibles configuraciones de flujo en evaporadores de flujo bifásico para plantas termo-solares de colectores cilindro-parabólicos. Los modelos dinámicos del evaporador han sido obtenidos de principios físicos, aplicando el paradigma de modelado orientado a objetos y basado en ecuaciones. El paradigma de orientación a objetos contribuye a mejorar la reutilización, mantenimiento y desacople de componentes. El modelado basado en ecuaciones incrementa incluso más la reutilización, ya que la causalidad del modelo no está predefinida, permitiendo que los modelos sean adecuados para un amplio rango de experimentos y simulaciones. Para llevar a cabo la validación de los modelos del evaporador han sido utilizados datos experimentales de una planta termo-solar de colectores cilindro-parabólicos, la planta DISS perteneciente a Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) ¿ Plataforma Solar de Almería (PSA), centro de investigación nacional en tecnologías solares de concentración. Esta tesis doctoral realiza contribuciones en el campo del modelado y simulación de sistemas dinámicos, donde se presenta un estudio sobre chattering en modelos de volúmenes finitos de flujo bifásico homogéneo. Las soluciones generales a este problema han sido analizadas, implementándose finalmente algunas soluciones particulares: Mean Densities y Heuristic approach, que permiten explotar completamente las simulaciones dinámicas. Nuevos modelos matemáticos de límite móvil, que soportan cambio dinámico entre todas las posibles configuraciones de flujo para evaporadores y condensadores de flujo bifásico, han sido desarrollados. Dichos modelos de límite móvil han sido incluidos en una librería de componentes reutilizables, considerando el paradigma de modelado orientado a objetos y basado en ecuaciones. Todos los modelos implementados han sido verificados mediante pruebas de integridad y estabilidad. Las soluciones al problema del chattering en modelos de volúmenes finitos y los nuevos modelos de límite móvil han sido validados considerando datos experimentales de la planta DISS. Para llevar a cabo este objetivo, diferentes modelos de la planta DISS han sido desarrollados considerando modelos de evaporadores de volúmenes finitos y límite móvil. Adicionalmente, algunos parámetros no conocidos de la planta DISS han sido calibrados utilizando un algoritmo genético multiobjetivo. Finalmente, los modelos de la planta DISS han sido comparados en términos de precisión y rendimiento. Para facilitar dichas tareas, marcos de trabajo para la simulación y calibración han sido definidos. Todos los modelos de la planta DISS, compuestos por evaporadores de volúmenes finitos y de límite móvil, han sido expuestos a un amplio rango de condiciones de operación y perturbaciones, demostrando que dichos modelos pueden ser utilizados en simulaciones dinámicas para el diseño, prueba y validación de sistemas de control avanzados.