Ingeniera Civil Mecánica / En la presente memoria se analizan las pozas solares, que corresponden a cuerpos de agua y sal disuelta que en su sector más profundo presentan temperaturas que pueden llegar a los 90(ºC), mientras que la superficie se encuentra a temperatura ambiente. Dada esta diferencia de temperaturas este sistema es digno de estudio por su gran potencial como fuente de energía renovable. El parámetro a estudiar es su tasa de evaporación, porque da cuenta de uno de los cuidados de mantenimiento que se debe tener en este tipo de sistemas. El estudio se realiza mediante un modelo de volúmenes finitos en el software multifásico ANSYS FLUENT. Este informe se divide en el estudio de tres modelos. Primero se realiza un modelo monofásico isotermo en que se supone la superficie de la poza como una superficie sólida con humedad relativa igual a 100%, donde sólo existe transferencia de masa. Se estudia los efectos de la variación de la humedad relativa, la velocidad del aire y el tamaño de la poza sobre la tasa de evaporación. Cada resultado computacional de la tasa de evaporación es validado con un cálculo en base a un modelo que utiliza la analogía entre transferencia de calor y transferencia de masa. En segundo lugar se realiza un modelo bifásico sin gradiente salino, que se encuentra compuesto por el cuerpo de agua y la atmósfera, con diferentes temperaturas entre el aíre y el agua, sin fuente da calor radiativa. Se analizan el caso de convección natural y el caso de convección forzada con flujo laminar a 1(m/s). Se realiza un modelo bifásico de aire y salmuera, donde el sistema se inicializa con un gradiente salino determinado y existe una fuente de calor radiativa desde el fondo de la misma. Se analiza el caso de convección forzada a 0,15 m/s en el aire. Finalmente se realiza un análisis comparativo de la tasa de evaporación entre los tres modelos para las mismas condiciones físicas del sistema. Las tasas de evaporación en sistemas salinos resultan menores que las de agua pura, las que a su vez son menores que las obtenidas con la analogía entre transferencia de calor y masa.

Ingeniera Civil Mecánica / Una poza solar es un sistema térmico que permite colectar y almacenar energía solar. El hecho de ser un sistema que realiza ambos trabajos en un mismo equipo le entrega ventajas sobre los sistemas comunes. Por otra parte, las pozas solares utilizan un tipo de energía renovable que contribuye a la disminución del impacto ambiental debido a la generación de energía y permite aprovechar el recuso solar que tiene Chile. Estas pozas contienen una solución salina, acá se crea un gradiente de concentración generando 3 zonas importantes: la zona convectiva inferior (LCZ), es la zona más profunda de la poza y donde se almacena la energía solar colectada en forma de calor sensible; la zona no convectiva (NCZ), la cual posee un gradiente de concentración salina tal que se suprime la convección natural y sólo hay transferencia de calor por conducción, limitando la pérdida de calor desde la LCZ. Finalmente, está la zona convectiva superior, en la cual la concentración de sales y la temperatura son bajas. El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de factibilidad del suministro de calor a procesos mineros mediante un sistema de escala mediana basado en pozas solares. Para esto, se debe diseñar una poza solar con sus dimensiones y su sistema de extracción para suplir la demanda energética del proceso al cual se le suministra calor, en este caso, el proceso de electro-obtención para la minería del cobre. Este sistema se ubica en la II región de Antofagasta en las cercanías de Calama debido a la alta radiación y gran concentración de mineras presentes en este sector. La herramienta básica de este trabajo es el programa creado en MATLAB que permite modelar el estado térmico de la poza en función del tiempo, obteniendo la capacidad de extracción de calor de ésta. Los resultados presentados se realizaron en base a distintas dimensiones de pozas y muestran el comportamiento térmico de ésta. Las tres zonas presentaron un comportamiento esperado, donde la UCZ sigue las variaciones de la temperatura ambiente de forma amortiguada, la NCZ presenta un gradiente de temperatura que adopta un perfil lineal luego de un tiempo, y finalmente, la LCZ presenta temperaturas bastante altas, las cuales siguen las variaciones estacionales del año. Se obtuvo que mediante la poza se puede suministrar el calor necesario para que el electrolito llegue a su temperatura deseada de 55°C un máximo del 61% del tiempo total de extracción de calor, el resto del tiempo, se debe respaldar el suministro mediante un sistema de calderas, obteniendo una eficiencia de la poza del 16% aproximadamente. Al realizar la evaluación económica del proyecto, se pudo ver que para pozas con una superficie mayor a 140×140 m2 el proyecto es rentable, aumentando esta última con el tamaño de la poza. Sin embargo, para pozas más pequeñas el proyecto pierde su rentabilidad. Finalmente, se obtuvo un costo de la poza de 40 USD/m2, el cual se asemeja a valores obtenidos de pozas solares construidas en Israel, EEUU e India.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / Una poza solar corresponde a una fuente colectora y almacenadora de energía solar, la cual puede ser utilizada para abastecer procesos de temperatura moderada. Su implementación a escala industrial presenta un alto costo de fabricación y mantención, por lo que es razonable optar por la fabricación de una poza de tipo experimental, la cual permite estudiar el desempeño y evaluar la viabilidad de la construcción de esta a escala industrial. En el presente estudio se muestra la implementación de metodologías basadas en el modelamiento computacional de fenómenos físicos relevantes para el estudio de las dimensiones laterales mínimas necesarias para el correcto funcionamiento de una poza solar experimental que, operando en el norte de Chile sirva como modelo para aquellas de escala industrial. Los objetivos específicos consisten en: recopilar información sobre diseño y operación de pozas solares. Identificar las características principales que debe cumplir un modelo experimental para que sea representativo del proceso real. Utilizar técnicas de modelación para evaluar y elegir modelos según los criterios seleccionados. Elaborar y estudiar los modelos asociados a los fenómenos en estudio. Y finalmente, utilizar los modelos para determinar las características de la poza experimental representativa. Se identifican los principales fenómenos físicos que presentan cambios significativos en el comportamiento de la poza al variar su dimensión horizontal. Entre estos fenómenos se estudian: evaporación superficial de la Zona Convectiva Superior, conducción hacia paredes laterales en la Zona No Convectiva, y convección natural en la Zona Convectiva Inferior. Los recursos usados corresponden a Ansys (Fluid-Flow Fluent) para la elaboración y puesta en marcha del modelo, y Microsoft Excel para el procesamiento de los resultados obtenidos. A partir de los modelos elaborados, se registran longitudes características asociadas a la influencia de cada uno de los fenómenos, las cuales permiten seleccionar un largo mínimo para la poza solar experimental. El ancho mínimo asociado al fenómeno de evaporación en la superficie de la Zona Convectiva Superior es de 17,7 [m] a partir de la cual dicho efecto deja de percibir cambios considerables. Para el fenómeno de conducción en la Zona No Convectiva, se determina un ancho de 15,3 [m] de influencia de los gradientes térmicos cercanos a las paredes. Para el fenómeno de convección en la Zona Convectiva Inferior, se identifica que el ancho característico de los rollos convectivos es de 2 a 3 [m]. Se observa que, independiente de la cantidad de rollos formados, se mantienen las propiedades de temperatura uniforme en su interior. El mayor de estos largos determina el ancho mínimo de la poza solar experimental, el cual corresponde a 17,7 [m].