Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar

Equa ion Chap e 1 Sec ion 1 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía de la Ene gía Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Au o : Ra ael Pachón Gala Tu o : Lou des Ga cía Rod íguez Dp o. de Ingenie ía Ene gé ica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2019 iii T abajo de Fin de G ado G ado en Ingenie ía de la Ene gía Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Au o : Ra ael Pachón Gala Tu o : Lou des Ga cía Rod íguez Ca ed á ica de Máquinas y Mo o es Té micos Dp o. de Ingenie ía Ene gé ica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2019 T abajo Fin de G ado: Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Au o : Ra ael Pachón Gala Tu o : Lou des Ga cía Rod íguez El ibunal nomb ado pa a juzga el P oyec o a iba indicado, compues o po los siguien es miemb os: P esiden e: Vocales: Sec e a io: Acue dan o o ga le la cali icación de: El Sec e a io del T ibunal Fecha: ii A odas las pe sonas que han o mado pa e de es a inc eíble y en iquecido a e apa ix Ag adecimien os Quie o ag adece la ayuda y el ca iño que me han dado odas las pe sonas que han o mado pa e de es a e apa de mi ida. A mi u o a, Lou des Ga cía, po su dedicación y su ayuda pa a hace es e TFG y pode concilia lo con mi p ime abajo. Y ambién a los p o eso es que han pasado po es a e apa y me han enseñado odo lo ap endido en es os años. A los compañe os que he conocido du an e es os años, que me han dejado momen os an boni os como la g aduación. A Lucía, po su apoyo y ayuda in ini a a lo la go de es os años. Sin ella, es e camino hab ía sido mucho más di ícil. A Palma, Ál a o y Ángel, que jun o a Lucía, se con ie ie on en mi amilia y mi e ugio desde el p ime año de es a e apa uni e sa a ia, an nue a pa a mí. Y que sé que segui án conmigo siemp e. A odos los que se ue on inco po ando a es a g an amilia: Dani Ma ín, Ra a, Ma , Lau a, Juanma, Dani Pé ez, Sa a, Ismael, An onio y And ea, con los que he llenado de momen os inno idables es os 5 años A Ana, que se con i ío en un pila muy impo an e en los úl imos años de ca e a. Sin i, no hubie an sido lo mismo. Y como no, se lo engo que ag adece a las pe sonas más impo an es. A mi he mana Bea iz, que siemp e ha sabido cuándo y cómo deci me las cosas, aunque ni yo mismo quisie a asumi las. Pe o ambién ha sabido celeb a mis log os como nadie y da me odo su amo . Y ambién a Migue, quien ha sido como un he mano pa a mí desde que le conozco. Y po úl imo, no engo palab as de ag adecimien o pa a mis pad es. G acias po los sac i icios pa a que nunca me al a a de nada, aunque no pudie áis i a más del ca o. G acias po los cuidados cuando ol ía ago ado de la escuela y me ayudábais en odo lo que podíais.Y g acias po el ca iño cuando ecibía una mala no icia o la p esión me podía, y po la aleg ía cuando celeb áis mis éxi os como si ue an ues os. Po odo y más, g acias Mamá, g acias Papá. Ra ael Pachón Gala Se illa, 2019 7.1 Ecuaciones 33 7.2 Resul ados 34 7.3 Es udio compa a i o 34 7.4 Cálculo del caudal 36 8 P oceso de Desalación 37 8.1 Desalación de agua salob e po ósmosis in e sa 37 8.2 Ejemplo eal de un ab ican e 38 8.3 Simulación de casos p ác icos 39 8.3.1 Agua salob e de al a salinidad 40 8.3.2 Agua salob e de baja salinidad 45 9 Conclusiones 51 Re e encias 53 Glosa io 57 x ii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4–1. P opiedades óp icas de la sílice (Rod íguez, 2019) [25]. 18 Tabla 5–1. Pun os del ciclo B ay on del TFG de Rod íguez (2019) [25]. 19 Tabla 5–2. P opiedades en el pun o 1 (HR=25%). 24 Tabla 5–2. P opiedades en el pun o 2 (HR=25%). 24 Tabla 5–3. P opiedades en el pun o 3 (HR=25%). 24 Tabla 5–4. P opiedades en los pun os 4 y 5 (HR=25%). 25 Tabla 5–5. P opiedades en el pun o 6 (HR=25%). 25 Tabla 5–6. P opiedades en el pun o 7 (HR=25%). 25 Tabla 5–7. P opiedades en el pun o 1 (HR=50%). 25 Tabla 5–8. P opiedades en el pun o 2 (HR=50%). 26 Tabla 5–9. P opiedades en el pun o 3 (HR=50%). 26 Tabla 5–10. P opiedades en los pun os 4 y 5 (HR=50%). 26 Tabla 5–11. P opiedades en el pun o 6 (HR=50%). 26 Tabla 5–12. P opiedades en el pun o 7 (HR=50%). 27 Tabla 5–13. P opiedades en el pun o 1 (HR=75%). 27 Tabla 5–14. P opiedades en el pun o 2 (HR=75%). 27 Tabla 5–15. P opiedades en el pun o 3 (HR=75%). 27 Tabla 5–16. P opiedades en los pun os 4 y 5 (HR=75%). 28 Tabla 5–17. P opiedades en el pun o 6 (HR=75%). 28 Tabla 5–18. P opiedades en el pun o 7 (HR=75%). 28 Tabla 5–19. P opiedades del ciclo B ay on (HR=75%). 28 Tabla 6–1. Pun os del ciclo B ay on con los alo es de en alpía ob enidos po REFPROP. 30 Tabla 6–2. Compa ación del modelo del Fo mula io empleado s. REFPROP. 30 Tabla 6–3. Compa ación del modelo del Fo mula io empleado s. REFPROP (con la misma e e encia). 31 Tabla 6–4. Pun os del ciclo B ay on con los alo es de en alpía ob enidos po el Fo mula io empleado s los alo es del TFG de Rod íguez (2019) [25]. 31 Tabla 6–5. Pun os del ciclo B ay on con los alo es de en alpía ob enidos po el Fo mula io empleado s los alo es del TFG de Rod íguez (2019) [25] (con la misma e e encia). 31 Tabla 7–1. Resul ados del ciclo de la mTG con los alo es de REFPROP. 34 Tabla 7–2. Resul ados del ciclo de la mTG con los alo es de Rod íguez. 34 Tabla 7–3. Resul ados del ciclo de la mTG con los alo es del TFG de Pachón s. los alo es del TFG de Rod íguez (2019) [25]. 36 Tabla 8–1. Resul ados de la elación diáme o del cap ado y caudal de agua desalada a pa i de la po encia é mica que llega al ecep o (Q c ) calculada en el TFG de Rollán (2018) [5] pa a un pun o de diseño de 780 W/m2. 49 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figu a 1-1. Población mundial po egión p e is a pa a 2100 [1]. 1 Figu a 1-2. Cap ado cilind o-pa abólico [2]. 2 Figu a 1-3. Cap ado F esnel [2]. 2 Figu a 1-4. Helios a o [2]. 3 Figu a 1-5. Cap ado pa aboloide [2]. 3 Figu a 1-6. Imagen eal de la plan a de Nelson e al [3]. 4 Figu a 1-7. Esquema de la plan a de Nelson e al [3]. 4 Figu a 2-1. Esquema del disco+mTG del p oyec o OMSoP (Rollán, 2018) [5]. 7 Figu a 2-2. Disco+mTG del p oyec o OMSoP (Rollán, 2018) [5]. 8 Figu a 2-3. Esquema del sis ema y de la mic o u bina de gas en de alle (Rollán, 2018) [5]. No ación: Conc, Concen ado ; Recei e , ecep o ; CC, Cáma a de Combus ión; Rec, ecupe ado ; Comp, Comp eso ; Tu b, Tu bina; Exhaus gas, gases de escape; Fuel, combus ible. 9 Figu a 3-1. Cap ado cilind o-pa ábólico (Sil a, 2017) [6]. 12 Figu a 3-2. Sis ema p opues o en el a ículo de Zuo e al. (2012) [19]. 13 Figu a 3-3. Sis ema p opues o en el a ículo de Ming e al. (2017a) [20]. 13 Figu a 3-4. Sis ema p opues o en el a ículo de Ming e al. (2017b) [21]. 14 Figu a 3-5. Sis ema p opues o en el a ículo de Asayesh e al. (2017) [22]. 14 Figu a 4-1. Diag ama concep ual de los mecanismos de ans e encia de calo en el ecep o sola (Rod íguez, 2019) [25]. 17 Figu a 5-1. F agmen o del iche o de da os u ilizados en el ajus e EAB (T) Ai e Humedo REFPROP. 22 Figu a 5-2. F agmen o del iche o de da os u ilizados en el ajus e BA (T) Ai e Seco pu o REFPROP. 22 Figu a 5-3. F agmen o del iche o de da os u ilizados en el ajus e BB (T) Agua pu a REFPROP. 22 Figu a 6-1. P opiedades pa a una p esión de 1 ba en REFPROP. 29 Figu a 6-2. P opiedades pa a una p esión de 3 ba es en REFPROP. 29 Figu a 7-1. Po encia eléc ica y caudal de agua des ilada con una TIT de 900 (ºC) [5]. 35 Figu a 7-2. Va iación del endimien o isen ópico del comp eso y u bina y del endimien o de la mic o u bina con el amaño pa a una TIT de 900 (ºC). 35 Figu a 8-1. Esquema de un sis ema básico de desalación po ósmosis in e sa [28]. 38 Figu a 8-2. Ejemplo eal del ca álogo de Ene gy Reco e y [29]. 38 Figu a 8-3. P ime a pa e del ejemplo de al a salinidad del lib o de Wil e al. (2007) [30]. 40 Figu a 8-4. Segunda pa e del ejemplo de al a salinidad del lib o de Wil e al. (2007) [30]. 41 Figu a 8-5. Cambio de unidades en P ojec ion So wa e. 42 Figu a 8-6. In oducción de la composición de las sales del agua salob e de al a salinidad. 43 Figu a 8-7. In oducción de los pa áme os de e iciencia ene gé ica. 43 Figu a 8-8. Visualización de esul ados pa a el agua salob e de al a salinidad. 44 Figu a 8-9. A chi o Excel con los esul ados expo ados de Q+ P ojec ion So wa e del caso de al a salinidad. 44 Figu a 8-10. P ime a pa e del ejemplo de baja salinidad del lib o de Wil e al. (2007) [30]. 45 Figu a 8-11. Segunda pa e del ejemplo de baja salinidad del lib o de Wil e al. (2007) [30]. 46 Figu a 8-12. In oducción de la composición de las sales del agua salob e de baja salinidad. 47 Figu a 8-13. Visualización de esul ados pa a el agua salob e de baja salinidad. 47 Figu a 8-14. A chi o Excel con los esul ados expo ados de Q+ P ojec ion So wa e del caso de baja salinidad. 48 Figu a 8-15. Resul ados del nue o SEC. 49 xxi No ación A Á ea (m2) B, E Funciones del desa ollo en se ie has a del segundo coe icien e del i ial pa a Vm, ɣA y ɣB (m3 mol-1) Cp Calo especí ico a p esión cons an e (J kg-1 K-1) Exa Exe gía de lujo (J mol-1) Exc Exe gía del sis ema (J mol-1) G Flujo de masa supe icial (mol m-2 s-1) H En alpía (J mol-1) I I adiancia (W m-2) k Coe icien e de película (W K-1 m-2) p P esión (Pa) Q Calo (ene gía) (J mol-1) 𝑄󰇗 Calo (po encia) (W) 𝑞󰇗 Caudal (m3 h-1) (mol s-1) R Cons an e de los gases ideales (J mol-1 K-1) Con e sión (-) S En opía (J mol-1 K-1) SEC Consumo de ene gía especí ico (Speci ic Ene gy Consump ion) (W m-3 h) T Tempe a u a (K) U Ene gía in e na (J mol-1) V Volumen (m3) o olumen mola (m3 mol-1) W T abajo (ene gía) (J mol-1) 𝑊󰇗 T abajo (po encia) (W) x F acción de apo de agua en el ai e húmedo (-) Símbolos g iegos α Abso i idad (-) ɣ Coe icien e de ugacidad (-) ∆ Va iación (unidades de la magni ud que a íe) ε Emisi idad (-) η Rendimien o (-) λ Re lec i idad (-) σ Cons an e de S e an-Bol zman (W m-2 K-4) τ T ansmisi idad (-) φ Humedad ela i a (-) Subíndices 1 En ada comp eso 2 Salida comp eso /en ada co ien e ía ecupe ado 3 Salida co ien e ía ecupe ado /en ada ecep o 4 Salida ecep o /en ada cáma a combus ión 5 Salida cáma a combus ión/en ada u bina 6 Salida u bina/en ada co ien e calien e ecupe ado 7 Salida co ien e calien e ecupe ado A/a Ai e seco o apo ado AH Ai e húmedo amb Ambien e B/b Vapo de agua b Di ec a BB Bomba c Sis ema o comp eso con Concen ada c Con ección des Salida de la e apa de desalación e Ene gé ico ex Exe gé ico eje Eje eed Alimen ación g C is al i In e io i A la empe a u a del abso bedo m Mola o mecánico mez Mezcla o Ex e io pe m Pe meado pozo Agua b u a (de pozo) c Recep o s Abso bedo Tu bina h A la empe a u a del c is al TOT Salida del sis ema de desalación al comple o is Visible Supe índices E Ambien e RQ Rese o io de calo Ɵ Es ado es ánda (p = 1 ba = 105 Pa, es ado pu o, compo amien o ideal) * Es ado pu o 1 1 INTRODUCCIÓN En ac ualidad, el mundo se encuen a en una si uación que equie e de una ansición ene gé ica. Hace a ias décadas que se ha ido ale ando de que los combus ibles ósiles se ago a án, de la con aminación que p o ocan y de su papel en el cambio climá ico y el calen amien o global. Debido a es o, las ene gías eno ables se han si uado como la p incipal al e na i a a los combus ibles ósiles. En los úl imos años, el me cado de las eno ables ha c ecido de o ma asomb osa y ealmen e se es á iendo que son el u u o de la humanidad. Den o de las ene gías eno ables se pueden encon a una g an a iedad de uen es de ene gía. La ene gía hid áulica (la más es ablecida), la ene gía eólica y la ene gía sola son las que más ex ensión ienen en el me cado. Y la ene ía sola a su ez se di ide en ene gía sola é mica de concen ación y en ene gía sola o o ol aica. O o p oblema que se p esen a pa a el u u o es la escasez de agua. Pa a los p óximos años se espe a un aumen o muy acen uado de la población mundial, sob e odo en el con inen e a icano (como se puede e en la Figu a 1-1 de la web “Ou Wo ld in Da a” [1]). Dado la exie ncia de una echa de caducidad pa a los combus ibles ósiles y los e ec os del cambio climá ico, acompañado de la subida del ni el del ma , la Tie a se en en a á a una disminución de la can idad de agua ap a pa a el consumo y una mayo di icul ad pa a llega a ella. Se á más di ícil dado que pa a llega al agua se necesi a ene gía, que si solo iene de combus ibles ósiles, cada ez cos a á más dine o y llega á un pun o en el que no dispongamos de ella. Pa a e i a es a si uación se p esen a la solución de la desalación sola . Es a es muy buena opciones sob e odo pa a países con un g an núme o de ho as de sol. Es e se á el caso de los países de Á ica, donde más di ilcu ades hab á po el g an aumen o de población p e is o. G acias a ella, se ía posible consegui agua desalada en países con di icul ad pa a accede a ella, de o ma que en la época de más necesidad (el e ano), se á cuando mayo p oducción de agua ap a pa a el uso humano se puede ob ene . Es a solución pe mi i ía da una mayo o e a de agua po able cuando más demanda exis e. Figu a 1-1. Población mundial po egión p e is a pa a 2100 [1]. La uen e de ene gía conside ada en es e p oyec o es la ene ía sola é mica de concen ación, dado que el obje i o es ob ene calo pa a p oduci ene gía eléc ica en una mic o u bina de gas sola . Es a mic o u bina se u iliza en un ciclo B ay on con ai e húmedo de la a mós e a donde, en ez de ob ene calo con combus ible ósil, se ha á con la adiación sola . Conc e amen e pa a es e p oyec o, se á necesa io u iliza un ipo conc e o de cap ado sola . En la ene ía sola de concen ación exis en cua o ipos p incipales de capa ado (como se In oducción 2 puede e en la web “Ene gía Sola ” [2]):  Cap ado cilind o-pa abólico (Figu a 1-2).  Cap ado F esnel (Figu a 1-2).  Cap ado plano (helios a o) u ilizado pa a la concen ación en o e (Figu a 1-4).  Cap ado pa aboloide (Figu a 1-5). Figu a 1-2. Cap ado cilind o-pa abólico [2]. Figu a 1-3. Cap ado F esnel [2]. 3 3 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Figu a 1-4. Helios a o [2]. Figu a 1-5. Cap ado pa aboloide [2]. El p inicipal obje i o de es e p oyec o es el diseño p elimina de una ecnología sola é mica de desalación de agua salob e en un ango de capacidades nominales de 5 m3/h a 15 m3/h, ango en el cual sólo ienen sen ido los sis emas o o ol aicos o eólicos pa a la p oducción de agua desalada basada en ecnologías de memb anas. Pa a es e p oyec o se conside a á el cap ado pa aboloide, que puede concen a la adiación en un oco pun ual pa a p opo ciona la ene gía é mica necesa ia pa a la ope ación de una mic o u bina de gas sola . El siguien e capí ulo desc ibe la ecnología que se p opone analiza . Además del sis ema analizado en es e T abajo Fin de G ado (TFG), se puede encon a o o ejemplo de sis ema sola de concen ación en oco pun ual basado en u bina de gas en el del a ículo de Nelson e al. (2018) [3]. Es a plan a es á diseñada pa a una po encia elec íca de 100 kWe y una po encia é mica de 165 kW . Además, en la Figu a 1-6 se puede e una imagen eal de la plan a y en la Figu a 1-7 se mues a un esquema del sis ema, muy pa ecido al que se a a á en el apa ado 2 del TFG: Desalación sola median e Tecnología de mic o u bina de gas sola 10 cen í ugo, la u bina y el al e nado se hallan en el mismo eje, de o ma que gi an a la misma elocidad. La cáma a de combus ión pe mi e con e i el sis ema en híb ido, dado que pe mi i ía en el uso de combus ible ( ósil o biocombus ible) y ene gía sola . Sin emba go, el diseño se hace con solo ene gía sola , con ai e húmedo como luido de abajo, incluyendo un ecupe ado , haciendo el ciclo egene a i o. Con es e ecupe ado , se puede ap o echa pa e de la ene gía de los gases de escape, pa a p ecalen a el ai e an es de pasa po el ecep o sola y/o cáma a de combus ión, mejo ando así el endimien o del ciclo. 11 3 TECNOLOGÍAS DE DESALACIÓN SOLAR En es e capí ulo se a a án o as ecnologías de desalación sola a modo de con ex o pa a la mic o u bina de gas sola . 3.1 Tecnologías es ablecidas En el a ículo de Buena en u a y Ga cía (2018) [4] se puede encon a un análisis de las ecnologías ya es ablecidas. Sin emba go, pa a cada una de las ecnologías se busca á in o mación especí ica. 3.1.1 Desalación basada en des ilación po memb anas (MD) Como se puede lee en el a ículo de Gopia e al. (2019) [15], la des ilación po memb ana (MD) es un p oceso de desalación de agua de ma en el cual se gene a apo de agua debido a la di e encia de p esión de apo a ambos lados de una memb ana hid ó oba. Es necesa io gene a un g adien e de empe a u a a ambos lados de la memb ana pa a que se gene e apo en el lado de mayo empe a u a, donde ci cula agua salada. El apo a a iesa la memb ana y se condensa en el lado ío. U iliza uen es de ene gía é mica de baja empe a u a (unos 80ºC) como pueden se sola , geó e mica o con ecupe ación de calo de un p oceso indus ial. Como p incipales en ajas iene su sencillez, no equi e al a p esión hid áulica ni acío y pe mi e un echazo de sal del 100%. También en el a ículo de Gopia e al. (2019) [15] se pueden encon a las p incipales inno aciones como:  Nue as memba anas como copolíme os, memb anas de nano ib as y memb anas de doble capa.  No edosos módulos como PGMD (Pe mea e gap memb ane dis illa ion), AGMD (Ai gap memb ane dis illa ion) o V-MEMD (Vacuum mul i-e ec memb ane dis illa ion). A pesa de odo el p og eso, la MD sigue dependiendo de o ma impo an e de la i adiancia del emplazamien o. Po lo an o, dado su na u aleza in e mi en e es necesa io aplica el amaño y el con ol óp imos a meno cos e de p oducción de agua posible. Sus p incipales des an ajas son su al o cos e y la baja e iciencia del p oceso. 3.1.2 Capa ado es cilind o-pa abólicos (PTC) Ya mencionados en la in oducción, los cap ado es cilind o-pa abólicos son una ecnología complemen amen e asen ada pa a la p oducción de ene gía y ambién ambién se han u ilizado en sis emas de la desalación sola . Como se puede e en los apun es de Sil a (2017) [6] ( e Figu a 3-1), es a ecnología se basa en espejos ec angula es cu ados espec o a un eje cen al que c uza el cap ado . Se puede e como son en la Figu a 4-1. Es os cap ado es concen an la adiación sola en el ubo ecep o donde ci cula el luido calopo ado u ilizado pa a la gene ación de ene gía. Es e luido calopo ado es el que se emplea ía ambién pa a suminis a ene gía é mica a un p oceso de desalación sola po e apo ación o pa a calen a el luido de abajo de un ciclo de po encia, como po ejemplo un ciclo O gánico Rankine (ORC), como se expone en el a ículo de Buena en u a y Ga cía [4]. Además, donde ambién se explica de o ma más ex ensa y se plan ea inno aciones pa a es e sis ema de desalación sola es en el a ículo de Peña e y Ga cía [16]. Tecnologías de desalación sola 12 Figu a 3-1. Cap ado cilind o-pa ábólico (Sil a, 2017) [6]. En dicho a ículo de Peña e y Ga cía [16], se diseña una plan a de ósmosis in e sa (RO) de 2500 m3/d conec ada a dos si emas de ORC: uno simple y o o con dos ciclos en cascada. Pa a ambos sis emas el obje i o es abas ece de ene gía su icien e pa a la unidad de desalación. En el a ículo se hacen las siguien es ecomendaciones:  El sis ema en cascada pe mi e e i a p oblemas de p esión excesi amen e baja.  Solo se deben conside an los PTC más e icien es que haya en el me cado.  También debe ene los úl imos a ances ecnológicos (sis ema híb ido, al o echazo de sal, ecupe ado es de al a e iciencia, e c.). 3.2 O as ecnologías A con inuación, se habla á de dis in os es udios ecien es sob e la desalación sola , algunos sis emas desc i os es án aún en ase expe imen al. 3.2.1 Nano luido MWCNTs Como se puede e en el a ículo de Chena e al. (2019) [17], empleando ma e iales inno ado es nano luidos MWCNTs (Mul iwalled Ca bon Nano ubes) se puede mejo a no ablemen e el endimien o de la desalación sola po e apo ación en sis emas de muy pequeña escala (es anques sola es de agua salada con cubie a anpa en e, conocidos como sola s ills). Es os luidos se componen de Fe3O4 con nanopa ículas MWCNTs modi icadas en agua salada que apo an una g an es abilidad y además es eciclable, dado que el nano luido se puede sepa a ácilmen e del agua as la desalación. Con una concen ación de 0,04 w %, y solo unos cen íme os de espeso , se pude llega a iplica el endimien o de la desalación. Es o se consigue g acias a que el nano luido es capaz de abso be el 100% de la ene gía sola al ene una banda de abso ción mayo al agua. Es o consigue disminui el uso de i adiancia sola , y po an o mejo a el endimien o. Sin emba go, si la concen ación de sal es demasiado al a puede no unciona an bien como se espe a en un caso de baja concen ación. Es e mé odo apenas es á explo ado dado que es á en ase expe imen al oda ía y no se encun a en uso en masa y en cualquie caso co esponde ía a la mejo a de un po ceso muy ine icien e. 13 13 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina 3.2.2 Chimenea sola En el a ículo de Maia e al. (2019) [18], se habla del uso de chimeneas sola es pa a la desalación sola . Su uso es á poco ex endido dado su bajo endimien o. Sin emba go, hay es udios que consiguen aumen a su endimien o de o ma conside able. Además, no u iliza combus ibles ósiles. La opción más iable se ía un sis ema híb ido. A con inuación se mues an algunas igu as con dis in os sis emas, que en la mayo ía se componene po la chimenea, los colec o es, una u bina de ai e, una capa almacenado a de ene gía y una cuenca donde se mue e el ai e: Figu a 3-2. Sis ema p opues o en el a ículo de Zuo e al. (2012) [19]. Figu a 3-3. Sis ema p opues o en el a ículo de Ming e al. (2017a) [20]. Tecnologías de desalación sola 14 Figu a 3-4. Sis ema p opues o en el a ículo de Ming e al. (2017b) [21]. Figu a 3-5. Sis ema p opues o en el a ículo de Asayesh e al. (2017) [22]. Todas las imágenes ienen de dis in os es udios hallados en el a ículo de Maia e al. (2019) [18]. 3.2.3 Combinación de o o ol aica con eólica En el a ículo de Yaqud e al. (2019) [23] se simula un sis ema de desalación o o ol aica combinado con eólica ecnología madu a desde hace años pa a p opo ciona la ene gía eléc ica necesa ia en sis emas de desalación po ósmosis in e sa. Emplea el simulado Packe T ace , de CISCO. Es á pensado pa a países con mucha i adiación y mucho ien o, como los del Gol o Pé sico. El uncionamien o de es a simulación se basa en la p oducción de ene gía con paneles o o ol aicos y ae ogene ado es, de o ma que du an e el día se usa á de o ma p edominan e la ene gía sola FV. Du an e la noche, si hace ien o se empela á la ene gía eólica. Cuando la i andiancia sea débil y haya poco ien o, se 15 15 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina emplea la ene gía p e iamen e almacenada en ba e ías. Es a simulación es á pensada pa a que los ae ogene ado es p oduzcan más ene gía que los paneles. Además, un sis ema de bombeo ob iene el agua del ma y se u iliza un sis ema de d enaje cuando el agua sob epasa un cie o ni el. Cuando un sis ema unciona, el o o se man iene apagado. Y po úl imo, el calen ado se egula de mane a au omá ica. 3.2.4 Cap ado es F esnel y colec o es sola es de ubos de acío En el a ículo de Calise e al. (2019) [24], se es udia a a és de una simulación en TRANSYS dos sis emas sola es: uno (ya mencionado en la in oducción) con cap ado es F esnel (LFR: Linea F esnel Re lec o ) y o o con colec o es sola es de ubos de acío (ETC: E acua ed Tube Collec o s). Es os sis emas se u iliza án pa a ACS, cale acción y desalación sola po MED (Mul i-E ec Dis illa ion). Es e es udio co esponde ía a una ecnología de desalación MED ya obsole a. Simulado pa a la ciudad de Nápoles (I alia), los esul ados son los siguien es:  Se cuan i ica el endimien o de los cap ado es LFR, ob eniendo mejo endimien o en e ano que en in ie no, cuando ecibe mayo i adiancia di ec a.  Se p opone que la plan a basada en LFR u ilice una uen e auxilia (como la biomasa) pa a la desalación, mien as que los cap ado es ETC no.  La e iciencia é mica de los ETC esul a se p ác icamen e cons an e odo el año.  Es mayo la capacidad de cale acción que de e ige ación en ambas plan as.  Se consigue almacena más ene gía en los ETC que en los cap ado es LFR.  Se ecupe a ía an es la in e sión con los ETC, eniendo en cuen a a i as de alimen ación. T as es os esul ados, en es e a ículo ecomienda lo siguien e pa a el diseño de ambas plan as:  Ins ala LFR en si ios de al a i adiancia di ec a.  Es ecomendable usa uen es auxilia es eno ables, como biomasa o geo é mica.  Es necesa io que es as plan as eciban a i a de alimen ación pa a se en ables.  Las ecnologías ETC/LFR son económicamen e más iables que la CPVT (Concen a ed Pho o ol aic/The mal Collec o s).  Es ecomendable que es én en zonas semiá idas y ce canas al ma , pa a una mayo i adiancia y ce canía al agua a desala .  Se puede conside a un calen ado de gas pa a ACS pa a zonas aisladas, donde se ía en able has a sin a i as de alimen ación. Tecnologías de desalación sola 16 17 4 MODELADO DEL RECEPTOR SOLAR En es e capí ulo se desc ibi á la ecnología del ecepe o sola , cuyo obje i o es calen a el ai e empleado en el ciclo de po encia. El ecep o pe mi e eemplaza las unciones de la cáma a de combus ión, que en el ciclo B ay on de es e TFG se conside a que sí se ins ala á pe oque solo se emplea á pa a apoyo. Se desc ibe en es e capí ulo el modelo que se ha u ilizado en el TFG de Rod íguez (2019) [25], ecopilado de la li e a u a. De es e TFG se u iliza án di ec amen e los esul ados sin implemen a el modelo desc i o. 4.1 In oducción El ecep o que se u iliza á se á de ipo olumé ico cubie o de un c is al pa a educi las pé didas po adiación y con ección. Su uncionamien o se á mejo cuan o mayo sea la empe a u a. El ecep o es á pensado pa a que los ayos del Sol pasen po el c is al an es de alcanza en el abso bedo , que es á e ige ado po el ai e húmedo del ciclo de la mTG. Dicho ai e man ed á la empe a u a del abso bedo cons an e y el ai e se calen a á pa a luego expandi se en la u bina. La ecuación 4-1 se i á pa a calcula la po encia adian e concen ada en la ape u a del ecep o : 𝑄𝑐𝑜𝑛=𝐼𝑏·𝐴𝑟𝑐𝑣 (4–1) Donde Qcon es la po encia concen ada en el ecep o . En la Figu a 4-1 se mues an los balances de ene gía que se p oducen en el ecep o , an o en el c is al, la ca idad y el abso bedo . A con inuación se habla á de las dis in as pa es del abso bedo en más de alle. Figu a 4-1. Diag ama concep ual de los mecanismos de ans e encia de calo en el ecep o sola (Rod íguez, 2019) [25]. Modelado del ecep o sola 18 4.2 C is al El c is al se á el elemen o que ecibi á di ec amen e la adiación sola . Se supone un cue po g is y pa a su balance de ene gía se end á en cuen a an o la adiación abso bida y emi ida po el c is al como la con ección ex e na e in e na. El ma e ial elegido pa a el c is al es sílice y es as son sus p opiedades, en e las que es á al abso i idad (α), a emisi idad (ε), la ansmisi idad (τ) y la e lec i idad (λ): Tabla 4–1. P opiedades óp icas de la sílice (Rod íguez, 2019) [25]. P opiedad óp ica Visible In a oja (1373 K) Té mica (600 K) α y ε 0,01 0,326 0,8 τ 0,851 0,549 - λ 0,136 0,125 - En la ecuación 4-2 se mues a el balance de ene gía en el c is al: 𝐼𝑏·𝛼𝑔,𝑣𝑖𝑠+𝜎·(𝛼𝑔,𝑡ℎ·𝑇𝑎𝑚𝑏 4+𝛼𝑔,𝑖𝑟·𝑇𝑠4−2·𝜀𝑔,𝑡ℎ·𝑇𝑔4)−𝑘𝑐𝑣,𝑜·(𝑇𝑔−𝑇𝑎𝑚𝑏) =𝑘𝑐𝑣,𝑖·(𝑇𝑔−𝑇3) (4–2) Donde α y ε son la abso i idad y la emisi idad espec i amen e y k es el coe icien e de película. α y ε son los é minos p incipales del lujo de calo en o ma de adiación en el c is al, dado que aquí in e esa cuán o abso be y emi e el c is al. Po o o lado, k es el p incipal é mino de la con ección. El é mino que al a, σ, es la cons an e de S e an-Bol zman. 4.3 Ca idad La ca idad es el espacio en e el c is al y el abso bedo po donde el ai e húmedo e ige a el abso bedo calen ándose de es e modo. En la ecuación 4-3 se mues a el balance de ene gía de la ca idad: 𝐺·𝑐𝑝·(𝑇4−𝑇𝑚)=𝐼𝑏·𝜏𝑔,𝑣𝑖𝑠+𝜎·(𝜀𝑔,𝑡ℎ·𝑇𝑔4−𝑇𝑠4+𝜆𝑔,𝑖𝑟·𝑇𝑠4) (4–3) Los símbolos ε y λ (emisi idad y ansmisi idad) son las a iables empleadas pa a la adiación. Es o es po que en es e caso, in e esa lo que emi e y ansmi e el c is al al ai e. Po o a pa e, G ep esen a el lujo de masa supe icial y Tm la empe a u a media del ai e en e los momen os an e io y pos e io a pasa po el ecep o . 4.4 Abso be do El abso be do aumen a á la empe a u a del caudal de ai e húmedo y se conside a un cue po neg o de emisi idad uno. Su balance de ene gía se ep esen a en la ecuación 4-4: 𝐺·𝑐𝑝·(𝑇𝑚−𝑇3)=𝑘𝑐𝑣,𝑖·(𝑇𝑔−𝑇3) (4–4) 19 5 COMPORTAMIENTO DEL CICLO DE POTENCIA: MODELADO DEL AIRE HÚMEDO En es e capí ulo se a a á en el compo amien o del ai e húmedo, que se á el luido que se emplea á en el ciclo de po encia de la mTG sola , así como sus cambios de p opiedades a lo la go del ciclo. Se adop a el modelo del ai e húmedo desa ollado en la asigna u a de Te modinámica pa a empe a u as ela i amen e bajas. En es e TFG se ealiza elajus e de coe icien e necesa io pa a ex ende el ango de empe a u as de alidez del modelo. 5.1 Pun os del ciclo U ilizando la he amien a Mic oso Excel, se ha c eado una hoja de cálculo pa a ob ene las p opiedades del ai e húmedo u ilizado en el ciclo a lo la go de sus dis in os pun os. Se an a u iliza los pun os empleados en el ciclo B ay on del TFG de Rod íguez (2019) [25]. Es os pun os se pueden conoce g acias a la Tabla 5-1. Los pun os del ciclo que se es á eniendo en cuen a son los de la Figu a 2-3. Tabla 5–1. Pun os del ciclo B ay on del TFG de Rod íguez (2019) [25]. Pun o P (kPa) T (ºC) 1 101,30 25,00 2s 303,90 135,09 2 303,90 154,33 3 297,82 539,29 4=5 297,82 900 6s 103,37 626,38 6 103,97 653,74 7 101,30 278,74 5.2 Ecuaciones Las siguien es ecuaciones, ob enidas del lib o de Gómez (2015) [26], pe mi i án calcula las p opiedades e modinámicas del ai e húmedo empleado en el ciclo. Pa a el cálculo se a a á el ai e húmedo como una mezcla de ai e seco (de e minado po A) y apo de agua (de e minado po B). Las ecuaciones que siguen si en an o pa a A como B, pe o se pond á B pa a simpli ica : 𝑈𝐵(𝑇,𝑝,𝑥𝑐)−𝑈𝐵(𝑇𝐸,𝑝𝐸,𝑥𝑐𝐸) =∫[𝐶𝑝,𝐵 Ɵ(𝑇)−𝑅]·𝑑𝑇−𝑅·𝑇2·⌊𝜕𝑙𝑛𝛾𝐵(𝑇,𝑝,𝑥𝑐) 𝜕𝑇 ⌋𝑝,𝑥𝑐+𝑅·(𝑇𝐸)2 𝑇 𝑇𝐸 ·⌊𝜕𝑙𝑛𝛾𝐵(𝑇𝐸,𝑝𝐸,𝑥𝑐𝐸) 𝜕𝑇 ⌋𝑝,𝑥𝑐−𝑅·𝑇·𝑝·⌊𝜕𝑙𝑛𝛾𝐵(𝑇,𝑝,𝑥𝑐) 𝜕𝑝 ⌋𝑇,𝑥𝑐+𝑅·𝑇·𝑝 ·⌊𝜕𝑙𝑛𝛾𝐵(𝑇𝐸,𝑝𝐸,𝑥𝑐𝐸) 𝜕𝑝 ⌋𝑇,𝑥𝑐 (5–1) Compo amien o del ciclo de po encia: Modelado del ai e húmedo 26 Tabla 5–8. P opiedades en el pun o 2 (HR=50%). Ɣa 0,984806418 Ɣb 0,016985772 Cp,a (J/(mol*K)) 2,94E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 3,54E+01 Va (m3/mol) 1,17E-02 Vb (m3/mol) 1,26E-02 ∆Ua (J/mol) 2,69E+03 ∆Ub (J/mol) 3,19E+03 ∆Ha (J/mol) 3,77E+03 ∆Hb (J/mol) 4,45E+03 ∆Sa (J/(mol*K)) 1,38E+00 ∆Sb (J/(mol*K)) 2,71E+00 Exc,a (J/mol) -1,08E+09 Exc,b (J/mol) -1,08E+09 Exa,a (J/mol) 3,36E+03 Exa,b (J/mol) 3,60E+03 Tabla 5–9. P opiedades en el pun o 3 (HR=50%). Ɣa 0,985104213 Ɣb 0,017229 Cp,a (J/(mol*K)) 3,17E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 4,01E+01 Va (m3/mol) 2,27E-02 Vb (m3/mol) 2,48E-02 ∆Ua (J/mol) 1,12E+04 ∆Ub (J/mol) 1,52E+04 ∆Ha (J/mol) 1,55E+04 ∆Hb (J/mol) 1,99E+04 ∆Sa (J/(mol*K)) 2,10E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 2,74E+01 Exc,a (J/mol) -2,01E+09 Exc,b (J/mol) -2,01E+09 Exa,a (J/mol) 9,24E+03 Exa,b (J/mol) 1,14E+04 Tabla 5–10. P opiedades en los pun os 4 y 5 (HR=50%). Ɣa 0,984611672 Ɣb 0,015899289 Cp,a (J/(mol*K)) 3,38E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 4,33E+01 Va (m3/mol) 3,28E-02 Vb (m3/mol) 3,32E-02 ∆Ua (J/mol) 2,01E+04 ∆Ub (J/mol) 3,14E+04 ∆Ha (J/mol) 2,74E+04 ∆Hb (J/mol) 3,88E+04 ∆Sa (J/(mol*K)) 3,31E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 4,28E+01 Exc,a (J/mol) -2,90E+09 Exc,b (J/mol) -2,90E+09 Exa,a (J/mol) 1,75E+04 Exa,b (J/mol) 2,48E+04 Tabla 5–11. P opiedades en el pun o 6 (HR=50%). Ɣa 0,984546304 Ɣb 0,016119155 Cp,a (J/(mol*K)) 3,24E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 4,12E+01 Va (m3/mol) 7,46E-02 Vb (m3/mol) 7,66E-02 ∆Ua (J/mol) 1,40E+04 ∆Ub (J/mol) 1,90E+04 ∆Ha (J/mol) 1,92E+04 ∆Hb (J/mol) 2,42E+04 ∆Sa (J/(mol*K)) 3,41E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 4,21E+01 Exc,a (J/mol) -7,97E+08 Exc,b (J/mol) -7,97E+08 Exa,a (J/mol) 9,02E+03 Exa,b (J/mol) 1,15E+04 27 27 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Tabla 5–12. P opiedades en el pun o 7 (HR=50%). Ɣa 0,984617393 Ɣb 0,016201685 Cp,a (J/(mol*K)) 3,00E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 3,73E+01 Va (m3/mol) 4,53E-02 Vb (m3/mol) 4,68E-02 ∆Ua (J/mol) 5,36E+03 ∆Ub (J/mol) 6,87E+03 ∆Ha (J/mol) 7,47E+03 ∆Hb (J/mol) 8,98E+03 ∆Sa (J/(mol*K)) 1,81E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 2,17E+01 Exc,a (J/mol) -4,65E+08 Exc,b (J/mol) -4,65E+08 Exa,a (J/mol) 2,07E+03 Exa,b (J/mol) 2,47E+03 5.3.3 Humedad ela i a del 75% Tabla 5–13. P opiedades en el pun o 1 (HR=75%). Ɣa 0,976097249 Ɣb 0,023767 Cp,a (J/(mol*K)) 2,91E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 3,20E+01 Va (m3/mol) 2,45E-02 Vb (m3/mol) 2,47E-02 ∆Ua (J/mol) 0,00E+00 ∆Ub (J/mol) 0,00E+00 ∆Ha (J/mol) 0,00E+00 ∆Hb (J/mol) 0,00E+00 ∆Sa (J/(mol*K)) 0,00E+00 ∆Sb (J/(mol*K)) 0,00E+00 Exc,a (J/mol) -2,51E+08 Exc,b (J/mol) -2,51E+08 Exa,a (J/mol) 0,00E+00 Exa,b (J/mol) 0,00E+00 Tabla 5–14. P opiedades en el pun o 2 (HR=75%). Ɣa 0,97706135 Ɣb 0,025349282 Cp,a (J/(mol*K)) 2,94E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 3,54E+01 Va (m3/mol) 1,17E-02 Vb (m3/mol) 1,26E-02 ∆Ua (J/mol) 2,69E+03 ∆Ub (J/mol) 3,23E+03 ∆Ha (J/mol) 3,77E+03 ∆Hb (J/mol) 4,48E+03 ∆Sa (J/(mol*K)) 1,38E+00 ∆Sb (J/(mol*K)) 2,73E+00 Exc,a (J/mol) -1,08E+09 Exc,b (J/mol) -1,08E+09 Exa,a (J/mol) 3,36E+03 Exa,b (J/mol) 3,60E+03 Tabla 5–15. P opiedades en el pun o 3 (HR=75%). Ɣa 0,977699017 Ɣb 0,025265975 Cp,a (J/(mol*K)) 3,17E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 4,01E+01 Va (m3/mol) 2,27E-02 Vb (m3/mol) 2,43E-02 ∆Ua (J/mol) 1,12E+04 ∆Ub (J/mol) 1,58E+04 ∆Ha (J/mol) 1,55E+04 ∆Hb (J/mol) 2,04E+04 ∆Sa (J/(mol*K)) 2,10E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 2,74E+01 Exc,a (J/mol) -2,01E+09 Exc,b (J/mol) -2,01E+09 Exa,a (J/mol) 9,23E+03 Exa,b (J/mol) 1,17E+04 Compo amien o del ciclo de po encia: Modelado del ai e húmedo 28 Tabla 5–16. P opiedades en los pun os 4 y 5 (HR=75%). Ɣa 0,978155584 Ɣb 0,022215137 Cp,a (J/(mol*K)) 3,38E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 4,33E+01 Va (m3/mol) 3,28E-02 Vb (m3/mol) 3,09E-02 ∆Ua (J/mol) 2,00E+04 ∆Ub (J/mol) 3,42E+04 ∆Ha (J/mol) 2,73E+04 ∆Hb (J/mol) 4,11E+04 ∆Sa (J/(mol*K)) 3,31E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 4,26E+01 Exc,a (J/mol) -2,90E+09 Exc,b (J/mol) -2,90E+09 Exa,a (J/mol) 1,75E+04 Exa,b (J/mol) 2,66E+04 Tabla 5–17. P opiedades en el pun o 6 (HR=75%). Ɣa 0,976930184 Ɣb 0,023900162 Cp,a (J/(mol*K)) 3,24E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 4,12E+01 Va (m3/mol) 7,46E-02 Vb (m3/mol) 7,57E-02 ∆Ua (J/mol) 1,40E+04 ∆Ub (J/mol) 1,93E+04 ∆Ha (J/mol) 1,92E+04 ∆Hb (J/mol) 2,45E+04 ∆Sa (J/(mol*K)) 3,41E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 4,19E+01 Exc,a (J/mol) -7,97E+08 Exc,b (J/mol) -7,97E+08 Exa,a (J/mol) 9,02E+03 Exa,b (J/mol) 1,17E+04 Tabla 5–18. P opiedades en el pun o 7 (HR=75%). Ɣa 0,976829866 Ɣb 0,024233591 Cp,a (J/(mol*K)) 3,00E+01 Cp,b (J/(mol*K)) 3,73E+01 Va (m3/mol) 4,53E-02 Vb (m3/mol) 4,66E-02 ∆Ua (J/mol) 5,36E+03 ∆Ub (J/mol) 6,90E+03 ∆Ha (J/mol) 7,47E+03 ∆Hb (J/mol) 9,01E+03 ∆Sa (J/(mol*K)) 1,81E+01 ∆Sb (J/(mol*K)) 2,17E+01 Exc,a (J/mol) -4,65E+08 Exc,b (J/mol) -4,65E+08 Exa,a (J/mol) 2,07E+03 Exa,b (J/mol) 2,49E+03 5.4 Valo es de en alpía pa a el ciclo Pa a da po inalizado es e capí ulo, se mos a á en la Tabla 5-19 los alo es de en alpía que end á el ciclo de B ay on obje o de es udio (HR=50%). En es a abla es a án los alo es pa a la mezcla de ai e húmedo, mien as que en las ablas an e io es mues a po sepa ado A y B: Tabla 5–19. P opiedades del ciclo B ay on (HR=75%). Pun o ∆H (J/mol) 1 0 2 3782 3 15586 4=5 27547 6 19265 7 7496 29 6 COMPORTAMIENTO DEL CICLO DE POTENCIA: COTEJO DE UN MODELO CONTRASTADO En es e capí ulo se a a á un modelo de cálculo de p opiedades del ai e húmedo al e na i o al que se ha elabo ado en el capí ulo 5 del TFG. En el caso de que el e o en e ambos modelos sea in e io al 1%, se pod á conside a que el modelo elabo ado en es e abajo se conside a á adecuado pa a cub i los obje i os del TFG. 6.1 Desc ipción del modelo Como modelo con as ado se u iliza á el que emplea el p og ama REFPROP. Dicho p og ama se basa en el a ículo de Lemmon e al. (2000) [27]. Pa a saca los da os, se ob u ie on odas las p opiedades disponibles po el p og ama a una p esión y empe a u a de e minadas. Se elige una p esión y a con inuación se a ía la empe a u a desde los 298 K has a los 1173 K (el alo máximo y el alo mínimo del ciclo) en in e alos de 1 K. T as es o, se cambia ía al siguien e ni el de p esión y se epi e el mismo p oceso. A con inuación se mues an imágenes de los a chi os Excel donde se encuen an los da os ob enidos de REFPROP: Figu a 6-1. P opiedades pa a una p esión de 1 ba en REFPROP. Figu a 6-2. P opiedades pa a una p esión de 3 ba es en REFPROP. Compo amien o del ciclo de po encia: Co ejo de un modelo con as ado 30 6.2 Resul ados T as u iliza REFPROP, la Tabla 6-1 mues an los alo es de en alpía de cada pun o del ciclo: Tabla 6–1. Pun os del ciclo B ay on con los alo es de en alpía ob enidos po REFPROP. Pun o P (kPa) T (ºC) h-h e (J/mol) 1 101,30 25,00 9223 2 303,90 154,33 13004 3 297,82 539,29 24835 4=5 297,82 900 36787 6 103,97 653,74 28558 7 101,30 278,74 16743 Los alo es del ciclo se han ob enido a pa i de los a chi os Excel desc i os an e io men e. Dada la ce canía de los alo es de p esión y empe a u a, se ha cogido el alo de en alpía más ce cano a las condiciones de cada pun o. Se ha hecho así en luga de o o mé odo más exac o (como la ex apolación) po que apenas cambi ían los alo es. 6.3 Conclusiones del modelo de cálculo de p opiedades A con inuación, se a compa a los esul ados ob enidos en el an e io capí ulo con los ob enidos po el modelo de REFPROP. De es a mane a se pod á conoce la exac i ud del modelo c eado en es e TFG con un modelo cons a ado, que da á como esul ado si es posible emplea el modelo elabo ado en es e abajo pa a el ciclo obje o de es udio. A pa i de aho a se deno a á como “Pachón” a los alo es ob enidos en es e TFG, dado que es el au o del mismo Tabla 6–2. Compa ación del modelo del Fo mula io empleado s. REFPROP. Pun o P (kPa) T (ºC) ∆H Pachón (J/mol) ∆H REFPROP (J/mol) 1 101,3 25 0 9223 2 303,9 154,33 3782 13004 3 297,82 539,29 15586 24835 4=5 297,82 900 27547 36787 6 103,97 653,74 19265 28558 7 101,3 278,74 7496 16743 Po lo que se mues a en la Tabla 6-2, pa ece que ambos modelos di ie en mucho. Sin emba go es o iene una explicación sencilla: ienen e e encias di e en es. Es o signi ica que ambos modelos se án compa ables cuando cuando engan la misma e e encia, que se a egla de la siguien e o ma:  La e e encia del modelo p opues o en es e TFG es que la en alpía nula es en las condiciones del ambien e (p=1 ba , T=25 ºC).  Pa a pone ambos modelos a la misma e e encia, se a a el alo de la en alpía en las condiciones del ambien e en el modelo de REFPROP (9223 J/mol) a odos los alo es del modelo c eado en es e abajo.  De es a o ma, ambos modelos queda án con la e e encia del modelo de REFPROP. Los esul ados de ambos modelos, aho a con la misma e e encia, se encuen an en la Tabla 6-3: 31 31 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Tabla 6–3. Compa ación del modelo del Fo mula io empleado s. REFPROP (con la misma e e encia). Pun o P (kPa) T (ºC) ∆H Pachón (J/mol) ∆H REFPROP (J/mol) Des iación REFPROP s. Pachón (%) 1 101,3 25 9223 9223 0,00% 2 303,9 154,33 13005 13004 0,00% 3 297,82 539,29 24809 24835 0,10% 4=5 297,82 900 36770 36787 0,05% 6 103,97 653,74 28488 28558 0,24% 7 101,3 278,74 16719 16743 0,14% Como se puede e , ambos modelos dan los mismos esul ados, lo cual hace que el modelo elabo ado en es e TFG sea álido pa a el cálculo de p opiedades del ai e húmedo en el ciclo obje o de es udio. Sumando a la compa ación con REFPROP, ambién se a a hace un co ejo con los alo es ob enidos en el TFG de Rod íguez (2019) [25]. Es a compa ación se lle a á a cabo dado que en ambos TFG se elabo an un sis ema de cálculo de p opiedades del ai e húmedo. En ambos abajos se es udia el mismo ciclo con los mismos endimien os isen ópicos del comp eso y de la u bina. La única di e encia en ambos TFG es el modelo de p opiedades empleado. Los alo es y su des iación en elación a los de es e TFG se pueden e en la Tabla 6-3: Tabla 6–4. Pun os del ciclo B ay on con los alo es de en alpía ob enidos po el Fo mula io empleado s los alo es del TFG de Rod íguez (2019) [25]. Pun o P (kPa) T (ºC) ∆H Pachón (J/mol) ∆H Rod íguez (J/mol) 1 101,30 25,00 0 11884,32 2 303,90 135,09 3782 15767,92 3 303,90 154,33 15586 26998,16 4=5 297,82 539,29 27547 38440,36 6 297,82 900 19265 30527,84 7 103,37 626,38 7496 19297,6 De nue o, nos encon amos con el mismo p oblema: ambos modelos no ienen la misma e e encia. Pa a que consegui que puedan se compa ables, se aplica á la misma e e encia en ambos modelos: en alpía nula en las condiciones del ambien e. De es a o ma, la Tabla 6-4 mues a una compa ación ap opiada: Tabla 6–5. Pun os del ciclo B ay on con los alo es de en alpía ob enidos po el Fo mula io empleado s los alo es del TFG de Rod íguez (2019) [25] (con la misma e e encia). Pun o P (kPa) T (ºC) ∆H Pachón (J/mol) ∆H Rod íguez (J/mol) Des iación Rod íguez s. Pachón 1 101,30 25,00 0 0 0,0% 2 303,90 135,09 3782 3816 2,7% 3 303,90 154,33 15586 15936 3% 4=5 297,82 539,29 27547 27854 4% 6 297,82 900 19265 19641 3% 7 103,37 626,38 7496 7649 1,0% Y como ocu ío con la compa ación con REFPROP, la des iación es del 1% al 4%. En el siguien e capí ulo se es udia á la incidencia que iene es a des iación en el cálculo del endimien o. Compo amien o del ciclo de po encia: Co ejo de un modelo con as ado 32 33 7 COMPORTAMIENTO DEL CICLO DE POTENCIA: MICROTURBINA DE GAS En es e capí ulo se calcula á la ene gía po mol de sus ancia de abajo que se ob iene de cada elemen o gene ado o consumido de ene gía. Dichos elemen os se án la u bina, el comp eso y el ecep o . La u bina y el comp eso se encuen an en un mismo eje (Figu a 2-3), y se á el conjun o del eje lo que p opo cione el abajo ú il del ciclo. El ecep o se á donde se concen e la adiación sola y donde se apo a á el calo necesa io pa a ob ene el abajo ú il del eje. G acias al modelo de cálculo de p opiedades del ai e húmedo u ilizado en el Capí ulo 6, se á posible lle a lo a cabo. Se u iliza á el modelo de REFPROP dado que es más con as ado y se ha demos ado que el modelo elabo ado en Capí ulo 5 coincide con él. Pa a inaliza , ambién se calcula á el endimien o ene gé ico y exe gé ico del ciclo. 7.1 Ecuaciones A con inucación se exponen las ecuaciones que se u iliza án en es e capí ulo pa a los cálculos obje os de es udio. Pa a es os cálculos, el endimien o mecánico (ηm) se á del 96% y la humedad ela i a del 50% (se u iliza án las p opiedades del apa ado 5.4). La ecuación 7-1 se á la del abajo gene ado po la u bina, la ecuación 7-2 la del abajo consumido po el comp eso y la ecuación 7-3 la del calo apo ado po el ecep o : 𝑊𝑡=𝐻5−𝐻6 (7-1) 𝑊𝑐=𝐻2−𝐻1 (7-2) 𝑄𝑎=𝐻4−𝐻3 (7-3) Dado que el ciclo se usa ai e húmedo y que las en alpías se calculan po sepa ado pa a ai e seco y apo de agua, es necesa io calcula la en alpía pa a la mezcla de ambas sus ancias. Pa a ello, se supone una mezcla pe ec a y se ha ía con la ecuación 7-4: 𝐻𝐴+𝐵=(1−𝑥𝐵)·𝐻𝐴+𝑥𝐵·𝐻𝐵 (7-4) El cálculo del abajo del eje, que se á el abajo ú il, se calcula con la ecuación 7-5: 𝑊𝑒𝑗𝑒=(𝑊𝑡−𝑊𝑐)·𝜂𝑚 (7-5) Y inalmen e se calcula ían el endimien o ene gé ico y el exe gé ico: 𝜂𝑒=𝑊𝑒𝑗𝑒 𝑄𝑎 (7-6) 𝜂𝑒𝑥=𝑊𝑒𝑗𝑒 𝑄𝑎·(1−𝑇𝐸 𝑇𝑅𝑄) (7-7) De o ma que el RQ es el ecep o y su empe a u a se á 5777 K. Compo amien o del ciclo de po encia: Mic o u bina de gas 34 7.2 Resul ados T as los cálculos ealizados con las ecuaciones an e io es, es os se ían los esul ados: Tabla 7–1. Resul ados del ciclo de la mTG con los alo es de REFPROP. Va iable Valo W (J/mol) 8229 Wc (J/mol) 3781 Qa (J/mol) 11952 Weje (J/mol) 4270,08 ηe 36% ηex 38% Pa a el p óximo subapa ado, se an a calcula las mismas magni udes del ciclo pa a los alo es del ciclo del TFG de Rod íguez (2019) [25] (Tabla 6-2) con la misma e e encia que RFEPROP: Tabla 7–2. Resul ados del ciclo de la mTG con los alo es de Rod íguez. Va iable Valo W (J/mol) 7912,52 Wc (J/mol) 3883,6 Qa (J/mol) 11442,2 Weje (J/mol) 3867,7632 ηe 34% ηex 36% 7.3 Es udio compa a i o A con inuación, se an a co eja es os esul ados con los modelos empleados en los TFG de Rollán (2018) [5] y Rod íguez (2019) [25]. Po un lado, como ya se ha comen ado an e io men e, el ciclo de mTG sola empleado an o en es e TFG como en los nomb ados es el mismo. Sin emba go, el ciclo de Rollán iene unos endimien os isen ópicos de comp eso y u bina dis in os de los empleados en es e TFG (y el de Rod íguez). Como se puede e las Figu as 7-1 y 7-2, pa a un disco de D=8m (el que se u iliza en dicho TFG), se puede e la po encia eléc ica gene ada, el endimien o del ciclo de la mTG y los endimien os isen ópicos del comp eso y la u bina: 35 35 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Figu a 7-1. Po encia eléc ica y caudal de agua des ilada con una TIT de 900 (ºC) [5]. Figu a 7-2. Va iación del endimien o isen ópico del comp eso y u bina y del endimien o de la mic o u bina con el amaño pa a una TIT de 900 (ºC). Como se puede ap ecia , la po encia gene ada se ía de 7,5 kWe ap oximadamen e y los endimien os son los siguien es:  ηmTG=0,254  ηc=0,7683  η =0,7603 Los endimien os isen ópicos en es e ciclo de es e TFG y el de Rod íguez son de 0,85. Po lo an o no se pod ía hace una compa ación di ec a. No obs an e, el modelo de Rollán apo a una elación del calo apo ado po el disco pa aboloide con su longi ud. G acias a es a elación pod emos conoce la po encia mecánica (la del eje) p oducida an o en el modelo c eado en es e abajo como en el de Rod íguez y se pod á hace una compa ación de p oducciones co ec a. Es a elación se puede u iliza pe ec amen e dado que hace a ia el diáme o del disco y con el la po encia apo ada. Dichos cálculos se pueden ap ecia en la Tabla 7-2: 0 200 400 600 800 1000 1200 5 10 15 20 25 30 35 7 12 md [L/h]Wne [kWe] Dcon [m] Wne [kWe] md [L/h] 0,758 0,760 0,762 0,764 0,766 0,768 0,770 0,250 0,251 0,252 0,253 0,254 0,255 0,256 7 9 11 13 15 ηc, η ηmTG Dcon [m] ηmTG ηc η P oceso de Desalación 42 Figu a 8-5. Cambio de unidades en P ojec ion So wa e. Una ez elegidas las nue as unidades, el p ime paso se á in oduci la composición de las sales del agua del caso p ác ico. En la Figu a 8-6 se puede e como se incluyen: 43 43 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Figu a 8-6. In oducción de la composición de las sales del agua salob e de al a salinidad. Además de inclui la composición de las sales es necesa io inclui la empe a u a y el pH de la alimen ación, y los años de ope ación. El siguien e paso se ía inclui los da os de la e iciencia ene gé ica. Hab á que elegi el ipo de ERD, la di e encia de p esión y sus pé didas. Además, hab á que in oduci la e iciencia del bombeo. En la Figu a 8-7 se puede e como se in oducen dichos da os: Figu a 8-7. In oducción de los pa áme os de e iciencia ene gé ica. Finalmen e, hab á que inclui las dis in as e apas, que debe án inclui núme o de asos de p esión, longi ud y ipo de memb ana (que se oma que sea la memeb ana de ipo LG BW 440 R). Se á necesa io inclui dos e apas di e en es. En la Figu a 8-8 se puede e la isualización que hace el p og ama y los esul ados ob enidos (que apa ecen as hace clic en bo ón “Calcula e”): P oceso de Desalación 44 Figu a 8-8. Visualización de esul ados pa a el agua salob e de al a salinidad. Como se puede obse a , el pe meado iene una TDS de 244.47 ppm y el consumo de ene gía especí ico ha sido de 0.78 kWh/m3. Ambos esul ados son p ác icamen e los mismos del ejemplo del lib o de Wil e al. (2007) [30] (Figu a 8-4). Es o implica que la simulación se ha hecho de o ma co ec a y que el ipo de memb ana que se ha implan ado ha sido la co ec a. El p og ama Q+ P ojec ion So wa e pe mi e expo a los esul ados a un a chi o Excel apa e de la isualización en el p opio p og ama. Dicho a chi o se puede e en la Figu a 8-9: Figu a 8-9. A chi o Excel con los esul ados expo ados de Q+ P ojec ion So wa e del caso de al a salinidad. 45 45 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina 8.3.2 Agua salob e de baja salinidad Aho a se es udia á un caso de agua de baja salinidad, ambién del lib o de Wil e al. (2007) [30]. El enunciado de es e caso se expone en las Figu as 8-10 y 8-11: Figu a 8-10. P ime a pa e del ejemplo de baja salinidad del lib o de Wil e al. (2007) [30]. P oceso de Desalación 46 Figu a 8-11. Segunda pa e del ejemplo de baja salinidad del lib o de Wil e al. (2007) [30]. Pa a es e caso se lle a a cabo el mismo p ocedimien o del caso an e io (las unidades ya es án en SI): 47 47 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina  In oducción de la composición de las sales (Figu a 8-12). Figu a 8-12. In oducción de la composición de las sales del agua salob e de baja salinidad.  In oducción de la e iciencia ene gé ica, que se á la misma de caso an e io (Figu a 8-7).  In oducción de las ca ac e ís icas de la e apa de desalación y isualización de los esul ados (Figu a 8- 13). Figu a 8-13. Visualización de esul ados pa a el agua salob e de baja salinidad. Pa a la simulación no se ha enido en cuen a la eci culación del caudal 3 po que no se puede inclui en el p og ama Q+ P ojec ion So wa e. El caudal de pe meado se ha conside ado el caudal 6 y el de alimen ación el caudal 2. La con e sión man iene su alo o iginal. El núme o de asos de p esión se ha duplicado Los esul ados expo ados de Q+ P ojec ion So wa e se pueden e en la Figu a 8-14: P oceso de Desalación 48 Figu a 8-14. A chi o Excel con los esul ados expo ados de Q+ P ojec ion So wa e del caso de baja salinidad. El consumo especí ico es de 0.29 kWh/m3, un alo muy pa ecido al del esul ado o iginal. Aunque la TDS del pe meado no sea igual, es o se debe al ipo de memb ana. La explicación de la di e encia es que no se es á usando la misma memb ana. Pa a compensa la ausencia del caudal del 3 del ejemplo o iginal del lib o Wil e al. (2007) [30], se a a calcula cuan o caudal del agua b u a se incluye en el pe meado a la salida de la e apa de desalación. Es o se hace así po que el endimien o del p oceso es muy bueno, po lo que no es necesa io some e an a can idad de agua al p oceso. Los da os de cálculo se exponen a con inuación:  𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚,𝑑𝑒𝑠=416,7 𝑚3/ℎ  TDSpe m= 8,06 ppm  TDSpozo= 641 ppm  SECBB= 0,29 kWh/m3 A pa i de la ecuación 8-4, se a ía el 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜 has a consegui que la TDSTOT (TDS a la salida del sis ema comple o) sea en e 220-240 ppm: 𝑇𝐷𝑆𝑇𝑂𝑇=𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜·𝑇𝐷𝑆𝑝𝑜𝑧𝑜+𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚·𝑇𝐷𝑆𝑝𝑒𝑟𝑚 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜+𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚 (8–3) Finalmen e, con un 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜 de 225 m3/h se ob iene una TDSTOT de 230 ppm. Se ha omado el alo más in e medio del in e alo pa a ob ene menos sales en el pe meado y el SEC cambia poco en el in e alo omado, daño un alo de 0.19 kWh/m3. El nue o SEC se ha calculado con la ecuación 8-4 y los esul ados se pueden e en la Figu a 8-15: 𝑆𝐸𝐶𝑇𝑂𝑇=𝑆𝐸𝐶𝐵𝐵·𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜+𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚 (8–4) 49 49 Desalación de agua salob e basada en mic o u bina de gas sola : Diseño p elimina Figu a 8-15. Resul ados del nue o SEC. Con es e úl imo cálculo se ha conseguido hace una simulación más exac a del ejemplo del lib o de Wil e al. (2007) [30]. Pa a inaliza , conside ando que el cap ado pa abolide con la mic o u bina de gas modelada emplea la po encia eléc ica p oducida pa a suminis a la ene gía p incipal a un p oceso de desalación de agua salob e se ob iene la siguien e abla de alo es. Los consumos de ene gía p incipal de la desalación son los alo es calculados en es e capí ulo: 0.78 kWh/m3 en el caso de al as salinidades y 0.19 kWh/m3 en el caso de bajas salinidades. Se ha u ilizado la elación dada po el TFG de Rollán (2018) [5] en e el diáme o del concen ado y la po encia é mica que apo a el ecep o al ciclo de po encia en el pun o de diseño, 780 W/m2. Tabla 8–1. Resul ados de la elación diáme o del cap ado y caudal de agua desalada a pa i de la po encia é mica que llega al ecep o (Q c ) calculada en el TFG de Rollán (2018) [5] pa a un pun o de diseño de 780 W/m2. P oceso de Desalación 50 51 9 CONCLUSIONES En es e T abajo Fin de G ado se ha expues o un ciclo de una mTG sola que se a a emplea pa a la desalación de agua salob e. Pa a ello, se ha buscado in o mación de las dis in as ecnologías que lo componen, o as ecnologías empleadas en la desalación sola y se ha desc i o el modelo que se es udia ía en es e TFG. Los obje i os p incipales de es e TFG ha sido la elabo ación de un mé odo de cálculo de p opiedades del ai e húmedo, luido de abajo del ciclo de la mTG sola (ai e húemdo), y el es udio del p oceso de desalación del agua salob e. Respec o al mé odo de cálculo, as expone como se á del ecep o sola , se ha modelado el ai e húmedo a pa i del o mula io de cálculo expues o en el lib o de Gómez (2015) [26]. Dicho o mula io se p og amó a a és de la he amien a Mic oso Excel, adap ando las ecuaciones al ango de empe a u as del ciclo de po encia. Una ez e minado el mé odo de cálculo, se compa a on sus esul ados con los del p og ama REFPROP, que u iliza un modelo con as ado y iable pa a cualquie ango de empe a u as y p esiones. T as hace el co ejo, se ha podido comp oba que modelo elabo ado en es e TFG di ie e menos de un 1% de los da os de REFPROP, po lo cual se conside a un modelo álido De es a o ma, hace que el cálculo de las p opiedades se haga de o ma más simple con Mic oso Excel y con una exac i ud más que acep able. Además, dado que muchos da os ue on p opo cionados po los TFG de Rollán (2018) [5] y Rod íguez (2019) [25], ambién se hizo una compa a i a con los modelos c eados po ellos. Mien as que el modelo de Rollán se u ilizó pa a ob ene una elación del calo apo ado po el ecep o sola , y el modelo de Rod íguez sí que ue compa ado con el modelo de es e TFG. T as es e co ejo, se comp obó que se come e un e o del 6% con el modelo u ilizado po Rod íguez. G acias a es e co ejo, se pudo calcula que el ciclo de mTG sola p oducía una po encia mecánica de 8,14 kWe, con un caudal de 1,89 mol/s de ai e húmedo. Es e modelo ha pe mi ido una mane a muy ácil y exac a de calcula la po encia p oducida en el eje del ciclo, que sumado a la mayo simpli icidad del modelo empleado, signi ica una g an mejo ía en el cálculo del ciclo de po encia pa a una mTG sola . Respec o al p oceso de desalación, se ha explicado como se a a el agua salob e a a és de la ósmosis in e sa. Pa a complemen a , se ha explicado un ejemplo eal de un ab ican e pa a conoce los pa áme os que hace al a conoce , y se ha calculado el consumo especí ico del sis ema. Y pa a inaliza , se han simulado dos casos p ác icos con el p og ama Q+ P ojec ion So wa e, cada uno con una salinidad di e en e. Se ha omado que las simulaciones se han hecho de o ma co ec a si coincidían con los esul ados de los casos o iginales, expues os en el lib o de Wil e al. (2007) [30]. Con el caso de baja salinidad ha sido necesa io un cálculo ex a apa e de la simulación pa a que es a ue a más exac a. Finalmen e se concluye el dimensionado ecomendado según el caudal de agua desalada deseado y según la salinidad del pozo salob e, que se ecoge en la abla 8-1.