https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/997 Sat, 20 Jun 2026 08:32:48 GMT 2026-06-20T08:32:48Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/13148 Title: Desarrollo de un código numérico para el modelado termohidráulico considerando la deformación del tubo receptor de un captador cilindroparabólico para generación directa de vapor Authors: Farfán Caballero, José Guillermo%773124 Description: La generación directa de vapor (GDV) en captadores solares cilindroparabólicos (CCP) constituye una alternativa tecnológica viable para plantas termosolares de concentración. Esto se debe a que permite la simplificación del sistema, la reducción de costos y la operación a temperaturas que los sistemas de generación indirecta de vapor los cuales operan con aceite térmico como fluido de trabajo en el campo solar. Sin embargo, su implementación introduce fenómenos complejos asociados al flujo bifásico agua-vapor, la distribución no uniforme del flujo de calor (DNUFC) y los efectos inducidos en el tubo absorbedor. Durante la operación en modo de un solo paso, el fluido experimenta precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento a lo largo del campo solar, generando distintos patrones de flujo bifásico que influyen directamente en la transferencia de calor pared-fluido y en la distribución de temperatura en la pared del tubo absorbedor. De manera simultánea, la concentración solar en los CCP produce gradientes térmicos circunferenciales significativos, capaces de inducir esfuerzos térmicos, deformaciones y deflexiones. En condiciones severas, estos fenómenos pueden provocar desalineación óptica, incremento de pérdidas energéticas y riesgos estructurales. La presente tesis comprende el desarrollo de un modelo numérico integral para el análisis en cascada del modelo óptico, termohidráulico, térmico y termoelástico del tubo absorbedor del lazo DISS de la Plataforma Solar de Almería (PSA), España con el objeto de cuantificar el riesgo termoelástico de una planta en operación con flujo en dos fases. El modelo óptico se fundamentó en el Método de Monte Carlo Ray Tracing (MCRT) aplicado a un CCP tipo LS-3, lo que permitió determinar la distribución circunferencial del flujo de calor absorbido. El modelo numérico termohidráulico, desarrollado en Diferencias Finitas, se basa en el modelo a dos fluidos que involucra tres ecuaciones de conservación para cada fase, además de modelos en la interfase líquido-vapor y condiciones de cerradura. El modelo térmico resolvió la conducción de calor bidimensional en el tubo, considerando la no uniformidad del flujo solar y las pérdidas térmicas, aplicando el método de Diferencias Finitas. Finalmente, el modelo termoelástico se basó en el modelo de elasticidad lineal con acoplamiento térmico, evaluando los efectos de la presión interna del tubo y de los gradientes de temperatura circunferenciales sobre los esfuerzos, deformaciones y deflexiones del tubo. La comparación con datos experimentales del lazo DISS mostró buena concordancia en perfiles axiales de temperatura y comportamiento termohidráulico, confirmando la capacidad del simulador desarrollado para reproducir adecuadamente la física del sistema. En conjunto, esta tesis aporta una herramienta integral que permite comprender la interacción entre fenómenos ópticos, termohidráulicos y estructurales en sistemas de GDV con CCP, y establece bases sólidas para estudios futuros de optimización orientados a mejorar su eficiencia y confiabilidad. En síntesis, los resultados muestran que la consideración de 2 coeficientes de transferencia de calor (CTC) para el flujo bifásico permite representar con mayor precisión la interacción térmica entre el fluido y la pared del tubo absorbedor, generando diferencias de temperatura de hasta 15.6 K respecto al modelo con un solo CTC. Asimismo, el incremento de la irradiancia directa normal de 800 a 1000 W/m2 puede aumentar la diferencia de temperatura circunferencial hasta en 57.6%, alcanzando valores cercanos a 31.6 K y provocando incrementos en los esfuerzos equivalente de Von Mises y en la deflexión del tubo absorbedor, con valores máximos del orden de -1.88 cm. Estos resultados evidencian que, aunque el material opera dentro del régimen elástico, los gradientes térmicos inducidos por la concentración solar pueden generar deformaciones significativas, lo que confirma la importancia de utilizar un modelo acoplado óptico-termohidráulico-térmico-termoelástico para evaluar la integridad estructural y mejorar el diseño y la operación de sistemas de GDV en CCP. Wed, 13 May 2026 00:00:00 GMT https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/13148 2026-05-13T00:00:00Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/12244 Title: Viabilidad termo-económica del uso de nanofluidos en sistemas de calentamiento de agua con colectores de placa plana Authors: García Rincón, Marco Antonio%738350 Description: En este trabajo se presenta un estudio de la viabilidad del uso de nanofluidos en sistemas de calentamiento de agua con colectores de placa plana, considerando la eficiencia térmica en función de la estabilidad del nanofluido. El estudio compara un sistema convencional con agua y otro con nanofluidos a base de nanopartículas de óxidos metálicos, considerando los costos asociados a la obtención de agua caliente sanitaria y la evolución de la eficiencia térmica en función de la estabilidad del nanofluido durante la operación. El caso de estudio se desarrolla en Cuernavaca, Morelos, México, utilizando un colector solar de placa plana. La eficiencia térmica se evalúa con calorimetría de flujo, mientras que la estabilidad del nanofluido se analizó a partir de la deriva del potencial-Z. El modelado térmico anual permitió estimar la energía específica de cada sistema, los costos nivelados y el periodo de retorno, con el fin de determinar la viabilidad económica del uso de nanofluidos. En el estado del arte se determinó que los nanofluidos en calentadores solares mejoran la eficiencia térmica entre 5 % y 35 %, pero su estabilidad aún es limitada. Los estudios actuales cubren solo el 2.5 % de la vida útil esperada (0.5 años de 20). La hibridación de nanopartículas logra mejoras de hasta 30 % y eficiencia de 0.85, mientras que los nanofluidos poliméricos ofrecen hasta 86 % de estabilidad y 35 % de eficiencia. Las mejores condiciones se dan con partículas de 24 nm, 0.1 % de concentración y caudales de 0.04 kg/s. Tasas de flujo entre 0.02–0.04 kg/s y concentraciones de 0.2–0.3 % mejoran la estabilidad (hasta 6 meses) y el rendimiento (>30 %). De forma teórica-experimental el uso de nanopartículas de Al2O3 aumentan la eficiencia del FPSWH hasta un 63 % acercándose al 80 %, y reducen las pérdidas globales de calor hasta 84 %. Sin embargo, el análisis no contemplo el efecto de estabilidad por lo que se muestra ideal en este primer resultado. El análisis mediante potencial-Z evidenció que una alta estabilidad inicial (44.4 mV) mejora el desempeño térmico; sin embargo, bajo condiciones reales esta se degrada rápidamente, alcanzando valores de 18 mV en menos de cuatro meses, lo que implica sedimentación y riesgo de obstrucción en las tuberías. El sistema de colector solar con nanofluido presentó una eficiencia óptica inicial (a₀) de 0.87, lo que representa una mejora del 58.47 % respecto al uso de agua (a₀ = 0.55). Las pérdidas térmicas globales con nanofluido fueron de −6.14, frente a −7.36 con agua, demostrando que el colector solar no sufre mayores pérdidas térmicas con el uso del nanofluido. Los nanofluidos muestran una mejora en la eficiencia térmica de hasta 58 % respecto al agua en condiciones al exterior basados en la norma UNE-EN ISO 9806:2017 y con flujo de prueba de 1 lpm, lo que los posiciona como una alternativa viable en aplicaciones solares térmicas; sin embargo, su estabilidad se reduce hasta un 50 % en menos de 4 meses bajo condiciones reales, comprometiendo su vida útil y aumentando el riesgo de sedimentación y obstrucción. Aunque el método de preparación ultrasónico mejora el potencial-Z en un 30 % y reduce el tamaño de partícula en un 55 %, estos beneficios no compensan la pérdida de estabilidad a largo plazo. En términos económicos, la necesidad de reemplazar periódicamente el nanofluido incrementa los costos nivelados de la energía, elevando el kWht a $20.74, frente a $14.84 utilizando combustibles fósiles, lo que vuelve inviable su aplicación actual. En conclusión, aunque los nanofluidos muestran un alto potencial para mejorar la eficiencia térmica en sistemas solares, su limitada estabilidad sigue siendo el principal desafío, por lo que se requiere continuar la investigación para desarrollar coloides con una vida útil comparable a la de los sistemas solares térmicos. Wed, 21 Jan 2026 00:00:00 GMT https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/12244 2026-01-21T00:00:00Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/12242 Title: Control pasivo de vibraciones en aerogeneradores utilizando tecnología de rigidez negativa Authors: Mazón Valadez, Cuauhtémoc Description: En esta investigación se aborda el estudio, modelado y control pasivo de vibraciones en aerogeneradores mediante absorbedores de alto rendimiento basados en la inercia rotacional y la tecnología de rigidez negativa para mejorar la estabilidad y alargar la vida útil de estas estructuras. Los aerogeneradores, al estar sometidos a condiciones ambientales variables como cargas aerodinámicas complejas, experimentan vibraciones que pueden comprometer su desempeño, eficiencia y durabilidad. De acuerdo con esta problemática, en este trabajo se plantea una metodología que combina modelos matemáticos, técnicas de optimización y comprobaciones numéricas mediante simulaciones coherentes y fundamentadas. Se realizó el estudio de la dinámica de los dispositivos NS-NIDVA (absorbedores dinámicos de vibración basados en la inercia rotacional y la tecnología de rigidez negativa), donde se propone un análisis novedoso que simplifica el modelado de los absorbedores dinámicos de vibración. Esta metodología propuesta permitió la reducción de las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento dinámico de este tipo de sistemas, sin alterar la respuesta dinámica de la estructura primaria y produciendo un modelo general de la dinámica de los absorbedores. Posteriormente, se presenta una metodología del proceso de optimización para los dispositivos NS-NIDVA, mediante la utilización de criterios de estabilidad y metodologías de optimización existentes en la literatura, como la metodología extendida del punto fijo y los criterios de rendimiento 𝐻∞, y 𝐻2. Esto se logró mediante la aplicación de restricciones severas, técnicas numéricas y el método metaheurístico de enjambre de partículas, para encontrar de manera eficaz los parámetros ideales para el correcto funcionamiento de los dispositivos NS-NIDVA. Asimismo, se determinó un modelo simplificado de la dinámica de aerogeneradores basado en los parámetros físicos del aerogenerador NREL 5MW. En este modelo se agregan las interacciones entre los álabes, la góndola y la torre, permitiendo evaluar la respuesta de este tipo de estructuras bajo diferentes condiciones de carga. Los resultados preliminares mostraron que el modelado propuesto representa de manera eficiente el comportamiento del aerogenerador en el plano de referencia (𝑧𝑥), donde se logra reproducir el comportamiento realista de esta estructura bajo condiciones de cargas aerodinámicas. Por otro lado, el comportamiento en el plano (𝑧𝑦) presentó algunas limitaciones, derivadas por una representación ineficiente del efecto rotacional de los álabes. Sin embargo, a pesar de esta ineficiencia, las simulaciones realizadas con el software de OpenFast demuestran que el análisis en el plano (𝑧𝑥), es una alternativa realista y robusta para representar la dinámica del sistema sin recurrir a modelos complejos. Finalmente, la investigación se centró en el acoplamiento de los dispositivos NS-NIDVA a lo largo de la torre del aerogenerador. Las simulaciones finales demostraron la efectividad de estos dispositivos en el control pasivo de vibraciones en aerogeneradores, especialmente cuando el aerogenerador es sometido a cargas armónicas, ruido blanco gaussiano y las cargas aerodinámicas cuando el aerogenerador opera en su primera velocidad nominal (6.9 RPM). Sin embargo, se identificó que bajo ciertas condiciones de operación del aerogenerador (segunda velocidad nominal 12.1 RPM y a la frecuencia natural de la torre 19.51 RPM), el comportamiento no es favorable. En este caso, la interacción de las cargas aerodinámicas supera la eficiencia de este sistema de control pasivo de vibraciones. A pesar de esto, los resultados obtenidos en esta investigación sientan las bases para futuras investigaciones en el área de ingeniería de control estructural y energías renovables. Por lo tanto, esta tesis tiene un aporte significativo en los campos relacionados al control de vibraciones estructurales y de aerogeneradores, al integrar tres aspectos fundamentales: la simplicidad del modelado matemático de los absorbedores dinámicos de vibración y de los aerogeneradores; la metodología propuesta mediante simulaciones numéricas y el algoritmo de enjambre de partículas para determinar parámetros óptimos de los absorbedores de vibración; y la comprobación mediante las simulaciones numéricas del modelo de aerogenerador propuesto. Esto sienta las bases de futuras estrategias de control mediante una metodología sólida, flexible y replicable que puede servir para investigaciones futuras relacionadas con el control de vibraciones y energías renovables. Fri, 12 Dec 2025 00:00:00 GMT https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/12242 2025-12-12T00:00:00Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/10849 Title: Diseño y estudio de un sistema de acondicionamiento térmico para una edificación en México usando energía geotérmica (District Cooling) Authors: Francisco Hernandez, Ariel Description: Este trabajo presenta el diseño, análisis y evaluación integral de un sistema de Distrito de Enfriamiento Geotérmico (GDCS, por sus siglas en inglés), alimentado por calor residual de la planta geotermoeléctrica Cerro Prieto I. La investigación, resultado de cuatro años de trabajo, tiene carácter conceptual-numérico y busca sentar bases para proyectos piloto en zonas con disponibilidad de calor residual geotérmico, industrial o solar. La metodología se estructuró en seis etapas: (1) determinación de las cargas térmicas de una edificación de 754 m² ubicada en Cerro Prieto, (2) selección del intercambiador de calor para el acoplamiento fuente–chiller, (3) integración de un sistema de refrigeración por absorción NH₃–H₂O y tanque de almacenamiento térmico, (4) diseño de la red fría subterránea, modelada mediante dinámica de fluidos computacional (CFD), (5) simulaciones paramétricas en EES del sistema integral en estado permanente, (6) simulación dinámica del sistema completo en TRNSYS, y (7) un análisis 4E (energético, exergético, económico y ambiental) con criterios de factibilidad frente a sistemas de compresión convencionales. os resultados evidencian que el GDCS mantiene operación estable con suministro de 18–22 °C y capacidad de 111.6 kW. El COP promedio se situó en 0.12–0.15, en el límite inferior de la literatura, debido a pérdidas en el manifold, aunque suficiente para climatización de oficinas. A nivel de chiller, la eficiencia exergética fue del 13%, pero a nivel global ascendió a 97.9%, confirmando un aprovechamiento casi total del calor residual. Económicamente, la inversión inicial (155,288 USD) se recupera en 4.5–7.5 años, con una TIR de 15.3–24.5% y ahorros de 26,940–40,100 USD/año. Ambientalmente, se evita la emisión de ≈389.5 tCO₂-eq/año y la huella acumulada a 20 años es de 170 tCO₂-eq. El índice de sostenibilidad (0.76) se mantiene competitivo frente a valores internacionales, reforzando la pertinencia del sistema. Se concluye que el GDCS propuesto es técnicamente viable, ambientalmente benéfico y económicamente rentable como proyecto piloto, destacando por optimizar el uso de calor residual de baja calidad y reducir la dependencia eléctrica en zonas áridas. El principal aporte de esta investigación es constituir la primera propuesta integral de un GDCS en México, estableciendo bases técnicas, numéricas y económicas para su replicabilidad y posible integración futura con colectores solares térmicos. Fri, 05 Sep 2025 00:00:00 GMT https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/10849 2025-09-05T00:00:00Z