Archive for the ‘Heat Transfer’ Category


Un colector solar es un tipo especial de intercambiador de calor que transforma la energía radiante procedente del Sol en energía térmica. Presentan problemas muy particulares de flujos de energía bajos y variables y según su tipología, son más sensibles a los distintos fenómenos de radiación solar. La mayoría de los estudios sobre aprovechamiento térmico de la radiación solar realizan su análisis partiendo de una clasificación tradicional que distingue entre colectores para aplicaciones de baja, media y alta temperatura.

En el colector de concentración se pueden distinguir dos elementos claramente diferenciados: el absorbedor (o receptor) y el sistema óptico de concentración o concentrador, con funcionalidades y ubicaciones distintas.

El receptor es el elemento del sistema donde la radiación se absorbe y se convierte en otro tipo distinto de energía. El concentrador es el sistema óptico del colector que dirige la radiación sobre el receptor. La apertura del concentrador es el espacio abierto a través del cual se intercepta la radiación solar.

En las aplicaciones solares de baja temperatura se emplean colectores solares sin concentración. Sin embargo, si se necesitan temperaturas de trabajo más elevadas, hay que recurrir a instalaciones de concentración solar. Se pueden señalar dos condiciones necesarias para estar hablando de una instalación solar de concentración. En primer lugar es necesario reducir el área de la zona donde se produzcan las pérdidas térmicas (el absorbedor). En segundo lugar, hay que interponer algún tipo de sistema óptico entre la fuente de radiación solar y el sistema absorbedor que permita recoger la mayor cantidad de energía solar posible y concentrarla sobre dicho absorbedor.

La manera de cuantificar las veces que se puede incrementar la energía solar sobre la superficie absorbedora es mediante el factor de concentración. La definición de este parámetro varía según los autores consultados, pero la definición más práctica se refiere a la relación entre el área del plano de apertura del colector y el área del plano que
recibe la radiación concentrada y se encarga de absorberla:

C = (Area de apertura) / ( Area del absorvedor)


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aleta_cilindrica

En esta parte complemento lo hecho en la entrada anterior. Resulta que a partir de la ecuación general de aletas los libros mencionan casos específicos de resolución de tal ecuación considerando la geometría. Así los casos de aleta triangular, cilíndrica y cónica son los más usuales. De su desarrollo analítico deducen ecuaciones para determinar su comportamiento. En el presente figura se da a saber los resultados de la utilización de ecuaciones para el modelo de aletas cilíndricas con dos coeficientes de transferencia de calor por convección. El límite de la aleta no se ha trabajado, debido a ello es que se tiene una parte de la curva ascendente, esto no indica que el modelo es falloso, sino que hay que tener en consideración que estos cálculos son aproximados y las matemáticas funcionan dentro de los límites del modelo. Acá en la figura tenemos margen fuera del modelo y lo dejo así para que vean que quien simula debe tener bastante criterio en la hora de evaluar los resultados (en el momento que se necesita comprender la gráfica).


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aletas

Las aletas son utilizados para evacuar calor hacia el medio exterior a un sistema que se desea por lo general enfriar. Existe una ecuación para determinar la distribución de temperaturas a través de una aleta bajo coordenadas cartesianas (amén de todas coordinadas cilíndricas y esféricas). Las geometrías pueden ser variadas entre las más utilizadas esta la forma rectangular y triangular. Para geometrías más complicadas las soluciones analíticas son complicadas y requieren demasiado tiempo y un buen conocimiento de matemáticas. Para palear ello haciendo uso del arte de la programación, se puede programar la misma ecuación diferencial (como se muestra en la figura) y encontrar los perfiles de distribución de temperatura para las diferentes formas de aletas que uno puede imaginar.

El modelo a considerar es que a lo largo de la extensión de la aleta se debe programar la dependencia del perímetro y del área como varía. Simulaciones más precisas pueden ver la dependencia de la conductividad y el coeficiente de transferencia de calor por convección. Pero estos detalles requerirán una capacidad computacional mayor, lo que se muestra es un modelo  simple de aleta y que trato de describir mas que todo la curva de temperatura obtenida


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ecuacion_de_Langmuir

En algunas circunstancias, la superficie de una pared no solo disipa calor por convección hacia el aire que lo rodea, sino también hacia otras materias. En este caso el flujo de calor por unidad de área puede hallarse con la ecuación de Langmuir, que consta de dos términos: el primer término relacionado con la radiación y el segundo término con la convección natural y forzada.

El desarrollo del presente caso es mostrar como varía la cantidad de calor transferido desde una pared hacia el medio ambiente en función de la velocidad. Se han tomado valores unitarios para la mejor apreciación del fenómeno y la importancia ganancia en transmisión de calor a medida que la velocidad del aire se incrementa.


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NEDO_microgrid_japan_2

Esta experiencia es complementaria a la entrada anterior, dado que sigue la misma lógica de clasificación para asegurar el suministro según la calidad de energia y prioridad necesaria. De hecho en un hospital (dado que vengo trabajando 12 años como ingeniero en Hospitales en Perú) hay zonas muy prioritarias como las Sala de Operaciones, Emergencia, Sala de Partos, Unidades de Cuidados Críticos e Intensivos, etc. Algunas máquinas también no pueden ser desabastecidas de energía y la calidad en muchas de ellas son importantes. Y aca estudian en el caso posible de apagones o terremotos. Opino que en estos casos, circuitos de distribución adicionales deben ser considerados en la microgrid o en todo caso una posible reconfiguración de los existentes debe ser considerado para que como puede suceder en un terremoto el colapso de una zona o construcción puede interrumpir el único suministro de la energía eléctrica. Las potencias involucradas en este estudio demuestra que están considerando casos reales con demanda real y la experiencia en terremotos que tienen los japoneses.

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This is a specific application in operation normal, blackout and earthquake. I think what other distribuited lines is necesary in case colapse of part of the structure or reconfiguration of topology network for ensure supply in emergence case.


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sendai_microgrid_japan

sendai_microgrid_japan_1

Uno de los diseños que mas me ha llamado la atención y es la de darle una prioridad a cada carga mediante la clasificación en lo que es la calidad de la energía que recibemn. Para lograr ello avances y mejoras en los dispositivos de electrónica de potencia han realizado, pues se muestra que se han implementado numerosos de ellos para obtener las calidades adecuadas en cada una de las partes de la microgrid. No sólo han quedado en utilizar lo que es la corriente alterna, sino también en usar la corriente continua. Esto puede parecer una exageración en todo sentido, pero yo apuesto por que la transmisión de corriente continua va a ser poco a poco implementada y en un futuro de mediano plazo será la forma predominante para el intercambio de energía. Obvio, que tanto equipo electrónico significa avances en lo que es control, optimización y procesamiento de señales. Una fuerte apuesta de las instituciones japonesas en el desarrollo de esta configuración.

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I think what in medium term the electrical distribution in constant voltage will predominant in market electric. It is adventages technical but (today) desadventages economics is main osbtacle. This implementation in ac/dc is very innnovator and electronic power development is a vision to future well conceptualized. Implice too improved in control theory, optimization, signal processing and other topics.


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impedance_capacity_mismatch_duty_cicle_sandia_national_laboratories

Relación entre la energía específica y la potencia específica, mostrada en el año 2012, de algunas tecnologías utilizadas en la implementación de microgrids y smartgrids. Se observa que las celdas de combustible han tenido importantes progresos, sin embargo, las baterías aún tienen muchas mejoras y posiblemente con el uso de grafeno dentro de baterias o similares (ultra y super condensadores) la brecha se ampliará. La combustión interna, obvio supera en mucho, debido principalmente a sistemas cada vez más eficientes en capturar la energía química liberada durante la combustión.

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Depending to specific application of distribuited generation, the engineer or researche have a play with technologies diferents to attend need energetic of customers. What tecnology? How much power? How? Where to installed? between other questions are the first step in development a simulation or implementation experimental/demostrative project. This graphics is showing the general state of art in this technologies according to Specific Power and Specific energy.


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microgrid_korea_1

Esto es parte de una presentación del Dr. DK Kim de KERI y que reproduce la experiencia de Corea del Sur en el desarrollo de microgrid experiementales y demostrativas. Esta idea de Green Village es conocer la respuesta de la microgrid interactuando con los usuarios reales.  microgrid_korea_2

Power IT es un sistema dual de energía eléctrica y calorífica. Es el manejo de la información lo que se da a notar acá. En primer lugar algunos equipos tienen protocolo propietario y en otras partes el procotolo es libre. Esto indica que están acá probando la funcionalidad del sistema en cuanto a la seguridad de información del sistema, dado que en el futuro, estos podrían ser atacados a través de las interfaces de comunicación. Imagino que software desarrollado para este experimento se ha realizado y numerosos casos en funcionamiento normal, transitorio y de ataque habrán sido probados.microgrid_korea_3

KERI-IIT es un proyecto que trata de la implementación de un sistema que monitorice un área local. Y esto que tiene que ver con microgrid?… es que los futuros sistemas eléctricos serán constituidos por muchas pequeñas “cápsulas” o microgrids, los que deben tener un control local y este control local interactuar con las otras “cápsulas” o con la red eléctrica general que abastece a estas “cápsulas” en condiciones desfavorables para ellas. De esta manera, la información se distribuye y mejora la performance del sistema.microgrid_korea_4

K-MEG destinado a los usuarios independientes, sea por distancia o por que así desean serlo (no depender de la red eléctrica externa, quizás sean aplicaciones específicas y especiales). Hay una fuerte inversión, posiblemente acá interviene el factor de desarrollo de equipos y materiales para los diferentes equipos que intervienen en la aplicación, así como la elaboración del software, monitoreo y todo lo que es señales, su procesamiento, tratamiento y almacenamiento. El negocio no está por las bajas potencias, sino por lo que los usuarios (casas, industria, colegios, universidades, manufacturas, etc…) en verdad necesiten.microgrid_korea_5OTG Microgrid, puedo decir que va relacionado al estudio en sí de lo que es la forma de operación. Pienso que acá se asume que los datos se tienen disponibles desde las diferentes elementos y el que hago con esta data? es lo que trata de resolver el sistema. Imagino que numerosos casos en estado normal y transitorio se han probado, asi como, con diferentes configuraciones (cargas, generadores, almacenamiento) de la microgrid. microgrid_korea_6

Diferentes grupos de investigación en Corea del Sur.microgrid_korea_7

KERI es ya una planta piloto de microgrid, una instalación experimental muy bien constituida para investigación y demostración. Son muy buenas inversiones las que realizan las universidades y empresas involucradas en esta temática.microgrid_korea_8

KEPRI tiene lo que a mi parecer es un mejor concepto, el de clasificar las cargar y en base a la importancia de la carga se prioriza, siendo la microgrid capaz de determinar esos estados de decrepitud y tomar las decisiones para la reconfiguración de la microgrid. Esto alivia el trabajo del control y no permite que toda la microgrid se pierda (desconecte o sufra un apagón).microgrid_korea_9

MJU es un proyecto para el desarrollo de tecnologías para microgrid inteligentes, con diversas áreas que se pueden visualizar en la gráfica.microgrid_korea_10

KNU se basa en el desarrollo de recursos humanos y la gráfica a continuación muestra las diferentes áreas de colaboración.microgrid_korea_11+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

The Korean experience is very interesting. Various operations modes of microgrid in probe actually. Korea is development prototypes for attend the need in the electric/heat market future. Technology and human resources both in constant improvement.

I a lot know in Matlab/Simulink, i can help in modelling (large system modelling, optimization, prediction and/or other topics) … 🙂


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transformation_of_german_power_system

Alemania ha programado un cambio en el uso de los recursos primarios para el abastecimiento de las necesidades energéticas.Tienen en la gráfica la tendencia, y que en el modus operanti alemán es muy posible que ello lo cumplan exactamente.

Una fuerte apuesta por la reducción de la utilización del carbón. Mencionar acá que esta reducción es ya a persar de que tienen buenas técnicas de purificación de los gases de combustión generados de la quema del carbón.

Energía proveniente de biomasa, PV, viento también son a usar más, la posición de Alemania dentro del Mapa Solar Mundial hace que tenga que jugar con diferentes formas de generación de energía.

Un factor importante es el incremento en la importación de energía, esto enmarcado quizás en la tendencia moderna de la generación distribuida y la implementación de smart grids en el mercado eléctrico europeo. Una dependencia del gas/oil va a continuar, pero la línea roja indica un notable incremento en todo lo que es la producción de energía a partir de fuentes alternativas renovables.

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Germany think to future to implementation of change in the use of primary resourse for energetic demand. In graphic show the tendence y i think to “modus operanti” german that it is very possible develpment exactly.

A important tendence in utilization biomass, PV and wind. But the posicion of Germany in World Solar Map, need implementation and development many technologies in energy generation.

Other important factor is increasing in energy import, i think in modern tendence to distribuited generation and implementation of microgrid and smart grid in european electric market. Therefore, the dependence of the gas/oil continue in the future, but the red line in increase notable in all renewable resource production energy.


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This is my presentation today (friday 11 January) in Course: Mathematics of Bioeconomy in Henri Poncaire Institute located in Paris – France.

Diapositiva1

Diapositiva3

Diapositiva2


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curve_polarization_fuel_cell

curve_power_fuel_cell

Celdas de combustible tienen la perspectiva de ser cada vez más utilizadas en reemplazo de los combustibles fósiles en las unidades de transporte… el presente curva de una celda de combustible que utiliza hidrógeno (proviente de agua) como elemento de trabajo. Estas simulaciones pueden ser usadas en estudios y luego ser comparadas con los experimentos, si es que ya se tiene la celda de combustible o en caso se estén desarrollando los materiales para tal fin.

En las gráficas se presentan todas las condiciones de funcionamiento posibles. la separación entre puntos dan a saber la rapidez de cambio de la variable al cambiar la densidad de corriente. Tiene un parecido al de la celda fotovoltaica en la curva de potencia, con un máximo pico de entrega de potencia.

Las celdas de combustible son un buen tema a desarrollar, lo pueden hacer e interesante desarrollar modelos computacionales de celdas de combustible en las universidades y cenros de investigación. Quizás otros tipos de celdas de combustible se pueden desarrollar y por lo tanto, el código se tendrá que modificar en algo para adaptarse a ese nuevo material.

Hecho en Matlab, luego de numerosos intentos y os espero sirva de mucho.


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Esta temperatura de equilibrio resulta del análisis del comportamiento de un colector solar como un cuerpo negro. Es decir, en primer lugar parte de la radiación que llega del Sol es absorvido por el colector solar (su variable característica se llama absotividad) influido también por el ángulo de incidencia del colector solar (que por lo general se coloca de tal manera que durante todo el año se tenga la mayor captación de calor). Entonces tenemos esta energía que es capturada del Sol. Luego, como todo cuerpo negro emite radiación con cierta emisividad menor a uno que lo acerca a ser un objeto real porque cuerpo negro perfecto no existe.

En ese equilibro que resulta de la energia recibida y la energia emitida como cuerpo negro (Ecuación de Boltzmann) resulta esta temperatura máxima o temperatura de equilibrio radiante de la superficie negra del colector solar, luego de que se ha establecido el equilibrio térmico (trabajo en estado estable)


 

Los sistemas solares de concentración están adquiriendo cada vez mas fuerza como tecnologías para la producción de energía eléctrica. Prueba de ello, son los más de 2000 MWe que figuran como inscritos provisionalmente en el Registro de Instalaciones de Producción de Energía Eléctrica en el Régimen Especial, en España. En la figura que aparece a continuación se muestran los proyectos, en fase de explotación, ejecución o promoción, en mayo de 2007.

De todos los proyectos que se muestran en la figura, la mayor parte, a excepción de las plantas PS10 y PS20, se refieren a centrales termosolares de colectores cilindro parabólicos. Todas ellas utilizan aceite como fluido calorífero en el campo solar, tecnología que se denomina Heat Transfer Fluid, pues se caracteriza porque el fluido de trabajo en el campo solar no es igual al fluido del ciclo de potencia (en general, aguavapor), por lo que precisan de un intercambiador de calor  intermedio. Esta tecnología ha sido la que se ha utilizado hasta el momento en plantas comerciales, desde las primeras plantas instaladas en California durante la década de los ochenta, hasta ahora.

Frente a esta tecnología convencional, la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos (proceso GDV) se presenta como una opción muy atractiva para reducir el coste de la electricidad generada utilizando estos sistemas de concentración solar. Mediante esta tecnología se aumenta el rendimiento anual de la planta debido, entre otros factores, a la eliminación de las pérdidas de calor asociadas a los intercambiadores de calor intermedios entre el campo solar y el bloque de potencia, necesarios en caso de que el fluido calorífero del campo solar no coincida con el fluido de trabajo del ciclo de potencia. Además, se reducen los costes del sistema solar, ya que la mayor inversión en tuberías que aguanten las presiones óptimas de trabajo del vapor queda compensada por el ahorro en otros sistemas específicos del uso de aceites, sales u otros fluidos de trabajo en el campo solar: cambiadores de calor, sistemas anti-incendios, tanques de
expansión, sistemas calefactores para el tanque de almacenamiento, etc.

Esta tecnología se ha probado con éxito en el proyecto DISS, donde actualmente se produce vapor sobrecalentado a 100 bar en los tubos receptores de los colectores LS-3. A partir de este proyecto, se han puesto en marcha dos proyectos para la construcción de centrales termosolares empleando esta tecnología en España. El primer proyecto, Almería GDV, pretende construir una central de 3 MWe en la Plataforma Solar de Almería. El segundo proyecto, Real DISS, tiene por objetivo final la construcción de una central de 50 MWe en Carboneras, aunque como paso previo, se quiere ensayar un lazo de pruebas con componentes mejorados, también en Almería.

La elaboración de componentes mejorados para la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos es uno de los aspectos clave para el desarrollo de esta tecnología. Se espera que en breve se puedan comercializar tubos absorbedores para trabajar a más alta temperatura y presión (525 ºC y110 bar). De esta forma quedaría todavía más patente las ventajas del vapor frente al aceite sintético, ya que la temperatura límite de operación de este último es 400 ºC; por encima de dicha temperatura, el aceite se degrada. Con los tubos absorbedores actuales, esta limitación no supone un inconveniente propiamente, ya que la superficie selectiva del tubo absorbedor limita también la temperatura a estos valores. Otro sistema clave para el despliegue de la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos es el sistema de almacenamiento térmico, pues hasta el momento no se ha desarrollado ningún sistema eficiente para la generación directa de vapor. Dentro del proyecto Real DISS se quiere probar un sistema de almacenamiento basado en módulos especialmente adaptados a cada una de las secciones del proceso de generación directa de vapor: precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento.


La energía termoquímica es almacenada como los enlaces de energía de una acoplamiento químico. Durante la reacción termoquímica, los enlaces atómicos son rotos a través de reacciones químicas reversibles y son catalizados por un incremento en la temperatura – el cual permite a la energía ser almacenada.

Después que la separación termoquímica ocurre, los constituyentes son almacenados aparte hasta que la reacción de combinación sea deseada. La recombinación de los enlaces entre átomos libera la energía termoeléctrica almacenada. La principal ventaja del almacenamiento termoquímico incluye una alta densidad de energía  y largo plazo de descarga más capacidad de almacenamiento en baja temperatura.

Sin embargo, los procesos electroquímicos son complejos; los materiales termoquímicos son frecuentemente caros y pueden ser peligrosos. Un listado de las principales reacciones termoquímicas usadas en la actualidad se da en la figura.

 

Extracto de mi informe de curso de curso de Gestión Tecnología (2012-II) en Programa Doctorado en Fisica de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima. PERU.


De manera similar para el caso de calor latente, en que la cantidad de energía en la forma de calor es liberada o absorbida por un material durante un cambio de estado o transición de fase tal como un sólido a líquido (melting) o de líquido a gas (vaporización). El almacenamiento de energía de calor latente es atractivo para materiales que se someten a un significativo alto cambio de energía interna durante un cambio de fase. Materiales usuales para almacenamiento por calor latente se muestran en la figura.

La energía de cambio de fase (calor de fusión o vaporización) de un material determina su capacidad de almacenamiento térmico como un PCM. Para ser apropiado para almacenamiento de calor latente, los materiales deben exhibir un alto calor de transición, alta densidad, apropiada temperatura de transición, baja toxicidad, performance long-term a bajo costo, almacenar energía a reducidas temperaturas.

Además, con calor latente es mucho mas difícil de transferir que con calor sensible, debido a algunos PCMs tiene baja conductividad en estado sólido, otros son inflamables por lo cual es necesario adicional diseño de seguridad en los recipientes de almacenamiento


El EES (Electric Energy Storage) usa formas de energía tales como la energía química, cinética o potencial para almacenar energía que después será convertida en electricidad. Tal almacenamiento puede proveer tres servicios básicos: suministra electricidad en horas punta usando electricidad almacenada durante períodos de baja demanda, balancear el suministro de electricidad y las fluctuaciones de la demanda sobre un período de segundos y minutos, y posponer ampliaciones de la capacidad de la red eléctrica.

La capacidad global de las EES hacia 2009 es de 90 GW [1], el cual es solo 3% de la capacidad de producción de energía eléctrica debido a los altos costos de capital de las EES comparadas a las plantas de energía de gas natural, el cual puede proveer servicios similares, y las barreras regulatorias para entrar en el mercado eléctrico. De la capacidad global, 22 GW de EES está en los Estados Unidos (2.5% de la capacidad de generación eléctrica).

Las EES pueden potencialmente suavizar la variabilidad en el flujo de potencia desde la generación renovable y almacenar energía renovable, de modo que la generación renovable puede ser programado para proveer cantidades específicas de potencia, el cual puede reducir los costos de la integración de las energías renovables con la red de electricidad, incrementando la penetración de las energías renovables e inducir la reducción de GHG (Greenhouse Gas Emission).

Hay dos formas muy diferentes de TES: TES aplicable a las plantas de energía solar térmica y  TES de fin de uso (end-use). TES para plantas de energía solar térmica consiste de un aceite sintético o sal fundida que almacena energía solar en la forma de un colector de calor para plantas de energía solar térmica para permitir suavizar la salida de potencia durante horas del día nublados y extender la producción de energía por 1 a 10 horas pasado la puesta del sol. Los TES de fin de uso, almacena electricidad desde períodos fuera de pico a través del uso de almacenamiento frío o caliente en acuíferos subterráneos, agua o tanques de hielo u otros materiales y usa esta energía almacenada para reducir el consumo de electricidad para calefacción de edificios o sistemas de aire acondicionado durante las horas picos de demanda.

[1] Pew Center on Global Climate Change. “Electric Energy Storage”. Mayo 2009.

Muchos de los problemas en ingeniería tienen que ver con ecuaciones diferenciales parciales… por lo general, en los cursos de pregrado, se suele utilizar el estudiar problemas en una dimensión, dado que en dos o en tres dimensiones el cálculo manual se complica y no brinda gran ventaja de visualización. Hay que también lidiar con cual técnica emplear y ver lo de los errores. Sin embargo, Matlab provee una valiosa herramienta que es el “pdetool”, se digita así en la Ventana de Comandos y listo. El Help de Matlab, da una gran información y ayuda al respecto, con algo de práctica y buen humor 🙂 el aprendizaje se hace rápido y de ahí ya queda al arte del programador.

La presente vista es una de las formas de salida que da ante este cálculo, se observa las líneas de flujo de dirección de calor en este arreglo ejemplo tomado del Help de Matlab.

Esta herramienta es muy útil, es conocer algo básico básico de ecuaciones diferenciales para enterder la forma como trabaja, además, podeis afrontar varios problemas como esfuerzos mecánicos, transferencia de calor, electrostatica, magnetismo, etc… tanto para 2D como para 3D…. tranquilos tranquilos !! esto se requiere paciencia y perseverancia en lograr un buen nivel.

El método que trabaja es por Método de Elementos Finitos que también da una explicación sobre ello. Os espero sirva. Pues se observa aplicaciones en los equipos de energia renovables: celdas solares, generadores eléctricos, piezas mecánicas en rozamiento, etc…