1. Repositorio Institucional del Tecnológico Nacional de México (RI - TecNM)
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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
metadata.dc.subject.other:	Generación directa de vapor, captadores cilindroparabólicos, flujo bifásico, modelado termohidráulico, modelado termoelástico, transferencia de calor, flujo de calor no uniforme, monte carlo ray tracing, deflexión del tubo absorbedor, energía solar concentrada
Issue Date:	2026-05-13
Publisher:	Tecnológico Nacional de México
metadata.dc.publisher.tecnm:	Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
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.
metadata.dc.type:	info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
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