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

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Autor: Rafael Pachón Gala Tutor: Lourdes García Rodríguez Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 iii Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Autor: Rafael Pachón Gala Tutor: Lourdes García Rodríguez Catedrática de Máquinas y Motores Térmicos Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 v Trabajo Fin de Grado: Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Autor: Rafael Pachón Gala Tutor: Lourdes García Rodríguez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: vii A todas las personas que han formado parte de esta increíble y enriquecidora etapa ix Agradecimientos Quiero agradecer la ayuda y el cariño que me han dado todas las personas que han formado parte de esta etapa de mi vida. A mi tutora, Lourdes García, por su dedicación y su ayuda para hacer este TFG y poder conciliarlo con mi primer trabajo. Y también a los profesores que han pasado por esta etapa y me han enseñado todo lo aprendido en estos años. A los compañeros que he conocido durante estos años, que me han dejado momentos tan bonitos como la graduación. A Lucía, por su apoyo y ayuda infinita a lo largo de estos años. Sin ella, este camino habría sido mucho más difícil. A Palma, Álvaro y Ángel, que junto a Lucía, se conviertieron en mi familia y mi refugio desde el primer año de esta etapa universataria, tan nueva para mí. Y que sé que seguirán conmigo siempre. A todos los que se fueron incorporando a esta gran familia: Dani Martín, Rafa, Mar, Laura, Juanma, Dani Pérez, Sara, Ismael, Antonio y Andrea, con los que he llenado de momentos innovidables estos 5 años A Ana, que se convirtío en un pilar muy importante en los últimos años de carrera. Sin ti, no hubieran sido lo mismo. Y como no, se lo tengo que agradecer a las personas más importantes. A mi hermana Beatriz, que siempre ha sabido cuándo y cómo decirme las cosas, aunque ni yo mismo quisiera asumirlas. Pero también ha sabido celebrar mis logros como nadie y darme todo su amor. Y también a Migue, quien ha sido como un hermano para mí desde que le conozco. Y por último, no tengo palabras de agradecimiento para mis padres. Gracias por los sacrificios para que nunca me faltara de nada, aunque no pudieráis tirar más del carro. Gracias por los cuidados cuando volvía agotado de la escuela y me ayudábais en todo lo que podíais.Y gracias por el cariño cuando recibía una mala noticia o la presión me podía, y por la alegría cuando celebráis mis éxitos como si fueran vuestros. Por todo y más, gracias Mamá, gracias Papá. Rafael Pachón Gala Sevilla, 2019 7.1 Ecuaciones 33 7.2 Resultados 34 7.3 Estudio comparativo 34 7.4 Cálculo del caudal 36 8 Proceso de Desalación 37 8.1 Desalación de agua salobre por ósmosis inversa 37 8.2 Ejemplo real de un fabricante 38 8.3 Simulación de casos prácticos 39 8.3.1 Agua salobre de alta salinidad 40 8.3.2 Agua salobre de baja salinidad 45 9 Conclusiones 51 Referencias 53 Glosario 57 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4–1. Propiedades ópticas de la sílice (Rodríguez, 2019) [25]. 18 Tabla 5–1. Puntos del ciclo Brayton del TFG de Rodríguez (2019) [25]. 19 Tabla 5–2. Propiedades en el punto 1 (HR=25%). 24 Tabla 5–2. Propiedades en el punto 2 (HR=25%). 24 Tabla 5–3. Propiedades en el punto 3 (HR=25%). 24 Tabla 5–4. Propiedades en los puntos 4 y 5 (HR=25%). 25 Tabla 5–5. Propiedades en el punto 6 (HR=25%). 25 Tabla 5–6. Propiedades en el punto 7 (HR=25%). 25 Tabla 5–7. Propiedades en el punto 1 (HR=50%). 25 Tabla 5–8. Propiedades en el punto 2 (HR=50%). 26 Tabla 5–9. Propiedades en el punto 3 (HR=50%). 26 Tabla 5–10. Propiedades en los puntos 4 y 5 (HR=50%). 26 Tabla 5–11. Propiedades en el punto 6 (HR=50%). 26 Tabla 5–12. Propiedades en el punto 7 (HR=50%). 27 Tabla 5–13. Propiedades en el punto 1 (HR=75%). 27 Tabla 5–14. Propiedades en el punto 2 (HR=75%). 27 Tabla 5–15. Propiedades en el punto 3 (HR=75%). 27 Tabla 5–16. Propiedades en los puntos 4 y 5 (HR=75%). 28 Tabla 5–17. Propiedades en el punto 6 (HR=75%). 28 Tabla 5–18. Propiedades en el punto 7 (HR=75%). 28 Tabla 5–19. Propiedades del ciclo Brayton (HR=75%). 28 Tabla 6–1. Puntos del ciclo Brayton con los valores de entalpía obtenidos por REFPROP. 30 Tabla 6–2. Comparación del modelo del Formulario empleado vs. REFPROP. 30 Tabla 6–3. Comparación del modelo del Formulario empleado vs. REFPROP (con la misma referencia). 31 Tabla 6–4. Puntos del ciclo Brayton con los valores de entalpía obtenidos por el Formulario empleado vs los valores del TFG de Rodríguez (2019) [25]. 31 Tabla 6–5. Puntos del ciclo Brayton con los valores de entalpía obtenidos por el Formulario empleado vs los valores del TFG de Rodríguez (2019) [25] (con la misma referencia). 31 Tabla 7–1. Resultados del ciclo de la mTG con los valores de REFPROP. 34 Tabla 7–2. Resultados del ciclo de la mTG con los valores de Rodríguez. 34 Tabla 7–3. Resultados del ciclo de la mTG con los valores del TFG de Pachón vs. los valores del TFG de Rodríguez (2019) [25]. 36 Tabla 8–1. Resultados de la relación diámetro del captador y caudal de agua desalada a partir de la potencia térmica que llega al receptor (Qrcv) calculada en el TFG de Rollán (2018) [5] para un punto de diseño de 780 W/m2. 49 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Población mundial por región prevista para 2100 [1]. 1 Figura 1-2. Captador cilindro-parabólico [2]. 2 Figura 1-3. Captador Fresnel [2]. 2 Figura 1-4. Heliostato [2]. 3 Figura 1-5. Captador paraboloide [2]. 3 Figura 1-6. Imagen real de la planta de Nelson et al [3]. 4 Figura 1-7. Esquema de la planta de Nelson et al [3]. 4 Figura 2-1. Esquema del disco+mTG del proyecto OMSoP (Rollán, 2018) [5]. 7 Figura 2-2. Disco+mTG del proyecto OMSoP (Rollán, 2018) [5]. 8 Figura 2-3. Esquema del sistema y de la microturbina de gas en detalle (Rollán, 2018) [5]. Notación: Conc, Concentrador; Receiver, receptor; CC, Cámara de Combustión; Rec, recuperador; Comp, Compresor; Turb, Turbina; Exhaust gas, gases de escape; Fuel, combustible. 9 Figura 3-1. Captador cilindro-parábólico (Silva, 2017) [6]. 12 Figura 3-2. Sistema propuesto en el artículo de Zuo et al. (2012) [19]. 13 Figura 3-3. Sistema propuesto en el artículo de Ming et al. (2017a) [20]. 13 Figura 3-4. Sistema propuesto en el artículo de Ming et al. (2017b) [21]. 14 Figura 3-5. Sistema propuesto en el artículo de Asayesh et al. (2017) [22]. 14 Figura 4-1. Diagrama conceptual de los mecanismos de transferencia de calor en el receptor solar (Rodríguez, 2019) [25]. 17 Figura 5-1. Fragmento del fichero de datos utilizados en el ajuste EAB (T) Aire Humedo REFPROP. 22 Figura 5-2. Fragmento del fichero de datos utilizados en el ajuste BA (T) Aire Seco puro REFPROP. 22 Figura 5-3. Fragmento del fichero de datos utilizados en el ajuste BB (T) Agua pura REFPROP. 22 Figura 6-1. Propiedades para una presión de 1 bar en REFPROP. 29 Figura 6-2. Propiedades para una presión de 3 bares en REFPROP. 29 Figura 7-1. Potencia eléctrica y caudal de agua destilada con una TIT de 900 (ºC) [5]. 35 Figura 7-2. Variación del rendimiento isentrópico del compresor y turbina y del rendimiento de la microturbina con el tamaño para una TIT de 900 (ºC). 35 Figura 8-1. Esquema de un sistema básico de desalación por ósmosis inversa [28]. 38 Figura 8-2. Ejemplo real del catálogo de Energy Recovery [29]. 38 Figura 8-3. Primera parte del ejemplo de alta salinidad del libro de Wilf et al. (2007) [30]. 40 Figura 8-4. Segunda parte del ejemplo de alta salinidad del libro de Wilf et al. (2007) [30]. 41 Figura 8-5. Cambio de unidades en Projection Software. 42 Figura 8-6. Introducción de la composición de las sales del agua salobre de alta salinidad. 43 Figura 8-7. Introducción de los parámetros de eficiencia energética. 43 Figura 8-8. Visualización de resultados para el agua salobre de alta salinidad. 44 Figura 8-9. Archivo Excel con los resultados exportados de Q+ Projection Software del caso de alta salinidad. 44 Figura 8-10. Primera parte del ejemplo de baja salinidad del libro de Wilf et al. (2007) [30]. 45 Figura 8-11. Segunda parte del ejemplo de baja salinidad del libro de Wilf et al. (2007) [30]. 46 Figura 8-12. Introducción de la composición de las sales del agua salobre de baja salinidad. 47 Figura 8-13. Visualización de resultados para el agua salobre de baja salinidad. 47 Figura 8-14. Archivo Excel con los resultados exportados de Q+ Projection Software del caso de baja salinidad. 48 Figura 8-15. Resultados del nuevo SEC. 49 xxi Notación A Área (m2) B, E Funciones del desarrollo en serie hasta del segundo coeficiente del virial para Vm, ɣA y ɣB (m3 mol-1) Cp Calor específico a presión constante (J kg-1 K-1) Exa Exergía de flujo (J mol-1) Exc Exergía del sistema (J mol-1) G Flujo de masa superficial (mol m-2 s-1) H Entalpía (J mol-1) I Irradiancia (W m-2) k Coeficiente de película (W K-1 m-2) p Presión (Pa) Q Calor (energía) (J mol-1) 𝑄󰇗 Calor (potencia) (W) 𝑞󰇗 Caudal (m3 h-1) (mol s-1) R Constante de los gases ideales (J mol-1 K-1) r Conversión (-) S Entropía (J mol-1 K-1) SEC Consumo de energía específico (Specific Energy Consumption) (W m-3 h) T Temperatura (K) U Energía interna (J mol-1) V Volumen (m3) o volumen molar (m3 mol-1) W Trabajo (energía) (J mol-1) 𝑊󰇗 Trabajo (potencia) (W) x Fracción de vapor de agua en el aire húmedo (-) Símbolos griegos α Absortividad (-) ɣ Coeficiente de fugacidad (-) ∆ Variación (unidades de la magnitud que varíe) ε Emisividad (-) η Rendimiento (-) λ Reflectividad (-) σ Constante de Stefan-Boltzman (W m-2 K-4) τ Transmisividad (-) φ Humedad relativa (-) Subíndices 1 Entrada compresor 2 Salida compresor/entrada corriente fría recuperador 3 Salida corriente fría recuperador/entrada receptor 4 Salida receptor/entrada cámara combustión 5 Salida cámara combustión/entrada turbina 6 Salida turbina/entrada corriente caliente recuperador 7 Salida corriente caliente recuperador A/a Aire seco o aportado AH Aire húmedo amb Ambiente B/b Vapor de agua b Directa BB Bomba c Sistema o compresor con Concentrada cv Convección des Salida de la etapa de desalación e Energético ex Exergético eje Eje feed Alimentación g Cristal i Interior ir A la temperatura del absorbedor m Molar o mecánico mez Mezcla o Exterior perm Permeado pozo Agua bruta (de pozo) rcv Receptor s Absorbedor t Turbina th A la temperatura del cristal TOT Salida del sistema de desalación al completo vis Visible Superíndices E Ambiente RQ Reservorio de calor Ɵ Estado estándar (p = 1 bar = 105 Pa, estado puro, comportamiento ideal) * Estado puro 1 1 INTRODUCCIÓN En actualidad, el mundo se encuentra en una situación que requiere de una transición energética. Hace varias décadas que se ha ido alertando de que los combustibles fósiles se agotarán, de la contaminación que provocan y de su papel en el cambio climático y el calentamiento global. Debido a esto, las energías renovables se han situado como la principal alternativa a los combustibles fósiles. En los últimos años, el mercado de las renovables ha crecido de forma asombrosa y realmente se está viendo que son el futuro de la humanidad. Dentro de las energías renovables se pueden encontrar una gran variedad de fuentes de energía. La energía hidráulica (la más establecida), la energía eólica y la energía solar son las que más extensión tienen en el mercado. Y la enería solar a su vez se divide en energía solar térmica de concentración y en energía solar fotovoltaica. Otro problema que se presenta para el futuro es la escasez de agua. Para los próximos años se espera un aumento muy acentuado de la población mundial, sobre todo en el continente africano (como se puede ver en la Figura 1-1 de la web “Our World in Data” [1]). Dado la exietncia de una fecha de caducidad para los combustibles fósiles y los efectos del cambio climático, acompañado de la subida del nivel del mar, la Tierra se enfrentará a una disminución de la cantidad de agua apta para el consumo y una mayor dificultad para llegar a ella. Será más difícil dado que para llegar al agua se necesita energía, que si solo viene de combustibles fósiles, cada vez costará más dinero y llegará un punto en el que no dispongamos de ella. Para evitar esta situación se presenta la solución de la desalación solar. Esta es muy buena opciones sobre todo para países con un gran número de horas de sol. Este será el caso de los países de África, donde más difilcutades habrá por el gran aumento de población previsto. Gracias a ella, sería posible conseguir agua desalada en países con dificultad para acceder a ella, de forma que en la época de más necesidad (el verano), será cuando mayor producción de agua apta para el uso humano se puede obtener. Esta solución permitiría dar una mayor oferta de agua potable cuando más demanda existe. Figura 1-1. Población mundial por región prevista para 2100 [1]. La fuente de energía considerada en este proyecto es la enería solar térmica de concentración, dado que el objetivo es obtener calor para producir energía eléctrica en una microturbina de gas solar. Esta microturbina se utiliza en un ciclo Brayton con aire húmedo de la atmósfera donde, en vez de obtener calor con combustible fósil, se hará con la radiación solar. Concretamente para este proyecto, será necesario utilizar un tipo concreto de captador solar. En la enería solar de concentración existen cuatro tipos principales de capatador (como se Introducción 2 puede ver en la web “Energía Solar” [2]):  Captador cilindro-parabólico (Figura 1-2).  Captador Fresnel (Figura 1-2).  Captador plano (heliostato) utilizado para la concentración en torre (Figura 1-4).  Captador paraboloide (Figura 1-5). Figura 1-2. Captador cilindro-parabólico [2]. Figura 1-3. Captador Fresnel [2]. 3 3 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Figura 1-4. Heliostato [2]. Figura 1-5. Captador paraboloide [2]. El prinicipal objetivo de este proyecto es el diseño preliminar de una tecnología solar térmica de desalación de agua salobre en un rango de capacidades nominales de 5 m3/h a 15 m3/h, rango en el cual sólo tienen sentido los sistemas fotovoltaicos o eólicos para la producción de agua desalada basada en tecnologías de membranas. Para este proyecto se considerará el captador paraboloide, que puede concentrar la radiación en un foco puntual para proporcionar la energía térmica necesaria para la operación de una microturbina de gas solar. El siguiente capítulo describe la tecnología que se propone analizar. Además del sistema analizado en este Trabajo Fin de Grado (TFG), se puede encontrar otro ejemplo de sistema solar de concentración en foco puntual basado en turbina de gas en el del artículo de Nelson et al. (2018) [3]. Esta planta está diseñada para una potencia electríca de 100 kWe y una potencia térmica de 165 kWt. Además, en la Figura 1-6 se puede ver una imagen real de la planta y en la Figura 1-7 se muestra un esquema del sistema, muy parecido al que se tratará en el apartado 2 del TFG: Desalación solar mediante Tecnología de microturbina de gas solar 10 centrífugo, la turbina y el alternador se hallan en el mismo eje, de forma que giran a la misma velocidad. La cámara de combustión permite convertir el sistema en híbrido, dado que permitiría en el uso de combustible (fósil o biocombustible) y energía solar. Sin embargo, el diseño se hace con solo energía solar, con aire húmedo como fluido de trabajo, incluyendo un recuperador, haciendo el ciclo regenerativo. Con este recuperador, se puede aprovechar parte de la energía de los gases de escape, para precalentar el aire antes de pasar por el receptor solar y/o cámara de combustión, mejorando así el rendimiento del ciclo. 11 3 TECNOLOGÍAS DE DESALACIÓN SOLAR En este capítulo se tratarán otras tecnologías de desalación solar a modo de contexto para la microturbina de gas solar. 3.1 Tecnologías establecidas En el artículo de Buenaventura y García (2018) [4] se puede encontrar un análisis de las tecnologías ya establecidas. Sin embargo, para cada una de las tecnologías se buscará información específica. 3.1.1 Desalación basada en destilación por membranas (MD) Como se puede leer en el artículo de Gopia et al. (2019) [15], la destilación por membrana (MD) es un proceso de desalación de agua de mar en el cual se genera vapor de agua debido a la diferencia de presión de vapor a ambos lados de una membrana hidrófoba. Es necesario generar un gradiente de temperatura a ambos lados de la membrana para que se genere vapor en el lado de mayor temperatura, donde circula agua salada. El vapor atraviesa la membrana y se condensa en el lado frío. Utiliza fuentes de energía térmica de baja temperatura (unos 80ºC) como pueden ser solar, geótermica o con recuperación de calor de un proceso industrial. Como principales ventajas tiene su sencillez, no require alta presión hidráulica ni vacío y permite un rechazo de sal del 100%. También en el artículo de Gopia et al. (2019) [15] se pueden encontrar las principales innovaciones como:  Nuevas membaranas como copolímeros, membranas de nanofibras y membranas de doble capa.  Novedosos módulos como PGMD (Permeate gap membrane distillation), AGMD (Air gap membrane distillation) o V-MEMD (Vacuum multi-effect membrane distillation). A pesar de todo el progreso, la MD sigue dependiendo de forma importante de la irradiancia del emplazamiento. Por lo tanto, dado su naturaleza intermitente es necesario aplicar el tamaño y el control óptimos a menor coste de producción de agua posible. Sus principales desvantajas son su alto coste y la baja eficiencia del proceso. 3.1.2 Capatadores cilindro-parabólicos (PTC) Ya mencionados en la introducción, los captadores cilindro-parabólicos son una tecnología complementamente asentada para la producción de energía y también también se han utilizado en sistemas de la desalación solar. Como se puede ver en los apuntes de Silva (2017) [6] (ver Figura 3-1), esta tecnología se basa en espejos rectangulares curvados respecto a un eje central que cruza el captador. Se puede ver como son en la Figura 4-1. Estos captadores concentran la radiación solar en el tubo receptor donde circula el fluido caloportador utilizado para la generación de energía. Este fluido caloportador es el que se emplearía también para suministrar energía térmica a un proceso de desalación solar por evaporación o para calentar el fluido de trabajo de un ciclo de potencia, como por ejemplo un ciclo Orgánico Rankine (ORC), como se expone en el artículo de Buenaventura y García [4]. Además, donde también se explica de forma más extensa y se plantea innovaciones para este sistema de desalación solar es en el artículo de Peñate y García [16]. Tecnologías de desalación solar 12 Figura 3-1. Captador cilindro-parábólico (Silva, 2017) [6]. En dicho artículo de Peñate y García [16], se diseña una planta de ósmosis inversa (RO) de 2500 m3/d conectada a dos sitemas de ORC: uno simple y otro con dos ciclos en cascada. Para ambos sistemas el objetivo es abastecer de energía suficiente para la unidad de desalación. En el artículo se hacen las siguientes recomendaciones:  El sistema en cascada permite evitar problemas de presión excesivamente baja.  Solo se deben consideran los PTC más eficientes que haya en el mercado.  También debe tener los últimos avances tecnológicos (sistema híbrido, alto rechazo de sal, recuperadores de alta eficiencia, etc.). 3.2 Otras tecnologías A continuación, se hablará de distintos estudios recientes sobre la desalación solar, algunos sistemas descritos están aún en fase experimental. 3.2.1 Nanofluido MWCNTs Como se puede ver en el artículo de Chena et al. (2019) [17], empleando materiales innovadores nanofluidos MWCNTs (Multiwalled Carbon Nanotubes) se puede mejorar notablemente el rendimiento de la desalación solar por evaporación en sistemas de muy pequeña escala (estanques solares de agua salada con cubierta tranparente, conocidos como solar stills). Estos fluidos se componen de Fe3O4 con nanopartículas MWCNTs modificadas en agua salada que aportan una gran estabilidad y además es reciclable, dado que el nanofluido se puede separar fácilmente del agua tras la desalación. Con una concentración de 0,04 wt%, y solo unos centímetros de espesor, se pude llegar a triplicar el rendimiento de la desalación. Esto se consigue gracias a que el nanofluido es capaz de absorber el 100% de la energía solar al tener una banda de absorción mayor al agua. Esto consigue disminuir el uso de irradiancia solar, y por tanto mejora el rendimiento. Sin embargo, si la concentración de sal es demasiado alta puede no funcionar tan bien como se espera en un caso de baja concentración. Este método apenas está explotado dado que está en fase experimental todavía y no se encuntra en uso en masa y en cualquier caso correspondería a la mejora de un porceso muy ineficiente. 13 13 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar 3.2.2 Chimenea solar En el artículo de Maia et al. (2019) [18], se habla del uso de chimeneas solares para la desalación solar. Su uso está poco extendido dado su bajo rendimiento. Sin embargo, hay estudios que consiguen aumentar su rendimiento de forma considerable. Además, no utiliza combustibles fósiles. La opción más viable sería un sistema híbrido. A continuación se muestran algunas figuras con distintos sistemas, que en la mayoría se componene por la chimenea, los colectores, una turbina de aire, una capa almacenadora de energía y una cuenca donde se mueve el aire: Figura 3-2. Sistema propuesto en el artículo de Zuo et al. (2012) [19]. Figura 3-3. Sistema propuesto en el artículo de Ming et al. (2017a) [20]. Tecnologías de desalación solar 14 Figura 3-4. Sistema propuesto en el artículo de Ming et al. (2017b) [21]. Figura 3-5. Sistema propuesto en el artículo de Asayesh et al. (2017) [22]. Todas las imágenes vienen de distintos estudios hallados en el artículo de Maia et al. (2019) [18]. 3.2.3 Combinación de fotovoltaica con eólica En el artículo de Yaqud et al. (2019) [23] se simula un sistema de desalación fotovoltaica combinado con eólica tecnología madura desde hace años para proporcionar la energía eléctrica necesaria en sistemas de desalación por ósmosis inversa. Emplea el simulador Packet Tracer, de CISCO. Está pensado para países con mucha irradiación y mucho viento, como los del Golfo Pérsico. El funcionamiento de esta simulación se basa en la producción de energía con paneles fotovoltaicos y aerogeneradores, de forma que durante el día se usará de forma predominante la energía solar FV. Durante la noche, si hace viento se empelará la energía eólica. Cuando la irrandiancia sea débil y haya poco viento, se 15 15 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar emplea la energía previamente almacenada en baterías. Esta simulación está pensada para que los aerogeneradores produzcan más energía que los paneles. Además, un sistema de bombeo obtiene el agua del mar y se utiliza un sistema de drenaje cuando el agua sobrepasa un cierto nivel. Cuando un sistema funciona, el otro se mantiene apagado. Y por último, el calentador se regula de manera automática. 3.2.4 Captadores Fresnel y colectores solares de tubos de vacío En el artículo de Calise et al. (2019) [24], se estudia a través de una simulación en TRANSYS dos sistemas solares: uno (ya mencionado en la introducción) con captadores Fresnel (LFR: Linear Fresnel Reflector) y otro con colectores solares de tubos de vacío (ETC: Evacuated Tube Collectors). Estos sistemas se utilizarán para ACS, calefacción y desalación solar por MED (Multi-Effect Distillation). Este estudio correspondería a una tecnología de desalación MED ya obsoleta. Simulado para la ciudad de Nápoles (Italia), los resultados son los siguientes:  Se cuantifica el rendimiento de los captadores LFR, obteniendo mejor rendimiento en verano que en invierno, cuando recibe mayor irradiancia directa.  Se propone que la planta basada en LFR utilice una fuente auxiliar (como la biomasa) para la desalación, mientras que los captadores ETC no.  La eficiencia térmica de los ETC resulta ser prácticamente constante todo el año.  Es mayor la capacidad de calefacción que de refrigeración en ambas plantas.  Se consigue almacenar más energía en los ETC que en los captadores LFR.  Se recuperaría antes la inversión con los ETC, teniendo en cuenta tarifas de alimentación. Tras estos resultados, en este artículo recomienda lo siguiente para el diseño de ambas plantas:  Instalar LFR en sitios de alta irradiancia directa.  Es recomendable usar fuentes auxiliares renovables, como biomasa o geotérmica.  Es necesario que estas plantas reciban tarifa de alimentación para ser rentables.  Las tecnologías ETC/LFR son económicamente más fiables que la CPVT (Concentrated Photovoltaic/Thermal Collectors).  Es recomendable que estén en zonas semiáridas y cercanas al mar, para una mayor irradiancia y cercanía al agua a desalar.  Se puede considerar un calentador de gas para ACS para zonas aisladas, donde sería rentable hasta sin tarifas de alimentación. Tecnologías de desalación solar 16 17 4 MODELADO DEL RECEPTOR SOLAR En este capítulo se describirá la tecnología del recepetor solar, cuyo objetivo es calentar el aire empleado en el ciclo de potencia. El receptor permite reemplazar las funciones de la cámara de combustión, que en el ciclo Brayton de este TFG se considera que sí se instalará peroque solo se empleará para apoyo. Se describe en este capítulo el modelo que se ha utilizado en el TFG de Rodríguez (2019) [25], recopilado de la literatura. De este TFG se utilizarán directamente los resultados sin implementar el modelo descrito. 4.1 Introducción El receptor que se utilizará será de tipo volumétrico cubierto de un cristal para reducir las pérdidas por radiación y convección. Su funcionamiento será mejor cuanto mayor sea la temperatura. El receptor está pensado para que los rayos del Sol pasen por el cristal antes de alcanzar en el absorbedor, que está refigerado por el aire húmedo del ciclo de la mTG. Dicho aire mantedrá la temperatura del absorbedor constante y el aire se calentará para luego expandirse en la turbina. La ecuación 4-1 servirá para calcular la potencia radiante concentrada en la apertura del receptor: 𝑄𝑐𝑜𝑛=𝐼𝑏·𝐴𝑟𝑐𝑣 (4–1) Donde Qcon es la potencia concentrada en el receptor. En la Figura 4-1 se muestran los balances de energía que se producen en el receptor, tanto en el cristal, la cavidad y el absorbedor. A continuación se hablará de las distintas partes del absorbedor en más detalle. Figura 4-1. Diagrama conceptual de los mecanismos de transferencia de calor en el receptor solar (Rodríguez, 2019) [25]. Modelado del receptor solar 18 4.2 Cristal El cristal será el elemento que recibirá directamente la radiación solar. Se supone un cuerpo gris y para su balance de energía se tendrá en cuenta tanto la radiación absorbida y emitida por el cristal como la convección externa e interna. El material elegido para el cristal es sílice y estas son sus propiedades, entre las que está al absortividad (α), a emisividad (ε), la transmisividad (τ) y la reflectividad (λ): Tabla 4–1. Propiedades ópticas de la sílice (Rodríguez, 2019) [25]. Propiedad óptica Visible Infrarroja (1373 K) Térmica (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 muestra el balance de energía en el cristal: 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 absortividad y la emisividad respectivamente y k es el coeficiente de película. α y ε son los términos principales del flujo de calor en forma de radiación en el cristal, dado que aquí interesa cuánto absorbe y emite el cristal. Por otro lado, k es el principal término de la convección. El término que falta, σ, es la constante de Stefan-Boltzman. 4.3 Cavidad La cavidad es el espacio entre el cristal y el absorbedor por donde el aire húmedo refrigera el absorbedor calentándose de este modo. En la ecuación 4-3 se muestra el balance de energía de la cavidad: 𝐺·𝑐𝑝·(𝑇4−𝑇𝑚)=𝐼𝑏·𝜏𝑔,𝑣𝑖𝑠+𝜎·(𝜀𝑔,𝑡ℎ·𝑇𝑔4−𝑇𝑠4+𝜆𝑔,𝑖𝑟·𝑇𝑠4) (4–3) Los símbolos ε y λ (emisividad y transmisividad) son las variables empleadas para la radiación. Esto es porque en este caso, interesa lo que emite y transmite el cristal al aire. Por otra parte, G representa el flujo de masa superficial y Tm la temperatura media del aire entre los momentos anterior y posterior a pasar por el receptor. 4.4 Absorberdor El absorberdor aumentará la temperatura del caudal de aire húmedo y se considera un cuerpo negro de emisividad uno. Su balance de energía se representa 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 este capítulo se tratará en el comportamiento del aire húmedo, que será el fluido que se empleará en el ciclo de potencia de la mTG solar, así como sus cambios de propiedades a lo largo del ciclo. Se adopta el modelo del aire húmedo desarrollado en la asignatura de Termodinámica para temperaturas relativamente bajas. En este TFG se realiza elajuste de coeficiente necesario para extender el rango de temperaturas de validez del modelo. 5.1 Puntos del ciclo Utilizando la herramienta Microsoft Excel, se ha creado una hoja de cálculo para obtener las propiedades del aire húmedo utilizado en el ciclo a lo largo de sus distintos puntos. Se van a utilizar los puntos empleados en el ciclo Brayton del TFG de Rodríguez (2019) [25]. Estos puntos se pueden conocer gracias a la Tabla 5-1. Los puntos del ciclo que se está teniendo en cuenta son los de la Figura 2-3. Tabla 5–1. Puntos del ciclo Brayton del TFG de Rodríguez (2019) [25]. Punto 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 siguientes ecuaciones, obtenidas del libro de Gómez (2015) [26], permitirán calcular las propiedades termodinámicas del aire húmedo empleado en el ciclo. Para el cálculo se tratará el aire húmedo como una mezcla de aire seco (determinado por A) y vapor de agua (determinado por B). Las ecuaciones que siguen sirven tanto para A como B, pero se pondrá B para simplificar: 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) Comportamiento del ciclo de potencia: Modelado del aire húmedo 26 Tabla 5–8. Propiedades en el punto 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. Propiedades en el punto 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. Propiedades en los puntos 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. Propiedades en el punto 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 salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Tabla 5–12. Propiedades en el punto 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 relativa del 75% Tabla 5–13. Propiedades en el punto 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. Propiedades en el punto 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. Propiedades en el punto 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 Comportamiento del ciclo de potencia: Modelado del aire húmedo 28 Tabla 5–16. Propiedades en los puntos 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. Propiedades en el punto 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. Propiedades en el punto 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 Valores de entalpía para el ciclo Para dar por finalizado este capítulo, se mostarrá en la Tabla 5-19 los valores de entalpía que tendrá el ciclo de Brayton objeto de estudio (HR=50%). En esta tabla estarán los valores para la mezcla de aire húmedo, mientras que en las tablas anteriores muestra por separado A y B: Tabla 5–19. Propiedades del ciclo Brayton (HR=75%). Punto ∆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 este capítulo se tratará un modelo de cálculo de propiedades del aire húmedo alternativo al que se ha elaborado en el capítulo 5 del TFG. En el caso de que el error entre ambos modelos sea inferior al 1%, se podrá considerar que el modelo elaborado en este trabajo se considerará adecuado para cubrir los objetivos del TFG. 6.1 Descripción del modelo Como modelo contrastado se utilizará el que emplea el programa REFPROP. Dicho programa se basa en el artículo de Lemmon et al. (2000) [27]. Para sacar los datos, se obtuvieron todas las propiedades disponibles por el programa a una presión y temperatura determinadas. Se elige una presión y a continuación se varía la temperatura desde los 298 K hasta los 1173 K (el valor máximo y el valor mínimo del ciclo) en intervalos de 1 K. Tras esto, se cambiaría al siguiente nivel de presión y se repite el mismo proceso. A continuación se muestran imágenes de los archivos Excel donde se encuentran los datos obtenidos de REFPROP: Figura 6-1. Propiedades para una presión de 1 bar en REFPROP. Figura 6-2. Propiedades para una presión de 3 bares en REFPROP. Comportamiento del ciclo de potencia: Cotejo de un modelo contrastado 30 6.2 Resultados Tras utilizar REFPROP, la Tabla 6-1 muestran los valores de entalpía de cada punto del ciclo: Tabla 6–1. Puntos del ciclo Brayton con los valores de entalpía obtenidos por REFPROP. Punto P (kPa) T (ºC) h-href (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 valores del ciclo se han obtenido a partir de los archivos Excel descritos anteriormente. Dada la cercanía de los valores de presión y temperatura, se ha cogido el valor de entalpía más cercano a las condiciones de cada punto. Se ha hecho así en lugar de otro método más exacto (como la extrapolación) porque apenas cambirían los valores. 6.3 Conclusiones del modelo de cálculo de propiedades A continuación, se va comparar los resultados obtenidos en el anterior capítulo con los obtenidos por el modelo de REFPROP. De esta manera se podrá conocer la exactitud del modelo creado en este TFG con un modelo constratado, que dará como resultado si es posible emplear el modelo elaborado en este trabajo para el ciclo objeto de estudio. A partir de ahora se denotará como “Pachón” a los valores obtenidos en este TFG, dado que es el autor del mismo Tabla 6–2. Comparación del modelo del Formulario empleado vs. REFPROP. Punto 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 Por lo que se muestra en la Tabla 6-2, parece que ambos modelos difieren mucho. Sin embargo esto tiene una explicación sencilla: tienen referencias diferentes. Esto significa que ambos modelos serán comparables cuando cuando tengan la misma referencia, que se arregla de la siguiente forma:  La referencia del modelo propuesto en este TFG es que la entalpía nula es en las condiciones del ambiente (p=1 bar, T=25 ºC).  Para poner ambos modelos a la misma referencia, se va a el valor de la entalpía en las condiciones del ambiente en el modelo de REFPROP (9223 J/mol) a todos los valores del modelo creado en este trabajo.  De esta forma, ambos modelos quedarán con la referencia del modelo de REFPROP. Los resultados de ambos modelos, ahora con la misma referencia, se encuentran en la Tabla 6-3: 31 31 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Tabla 6–3. Comparación del modelo del Formulario empleado vs. REFPROP (con la misma referencia). Punto P (kPa) T (ºC) ∆H Pachón (J/mol) ∆H REFPROP (J/mol) Desviación REFPROP vs. 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 ver, ambos modelos dan los mismos resultados, lo cual hace que el modelo elaborado en este TFG sea válido para el cálculo de propiedades del aire húmedo en el ciclo objeto de estudio. Sumando a la comparación con REFPROP, también se va a hacer un cotejo con los valores obtenidos en el TFG de Rodríguez (2019) [25]. Esta comparación se llevará a cabo dado que en ambos TFG se elaboran un sistema de cálculo de propiedades del aire húmedo. En ambos trabajos se estudia el mismo ciclo con los mismos rendimientos isentrópicos del compresor y de la turbina. La única diferencia en ambos TFG es el modelo de propiedades empleado. Los valores y su desviación en relación a los de este TFG se pueden ver en la Tabla 6-3: Tabla 6–4. Puntos del ciclo Brayton con los valores de entalpía obtenidos por el Formulario empleado vs los valores del TFG de Rodríguez (2019) [25]. Punto P (kPa) T (ºC) ∆H Pachón (J/mol) ∆H Rodríguez (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 nuevo, nos encontramos con el mismo problema: ambos modelos no tienen la misma referencia. Para que conseguir que puedan ser comparables, se aplicará la misma referencia en ambos modelos: entalpía nula en las condiciones del ambiente. De esta forma, la Tabla 6-4 muestra una comparación apropiada: Tabla 6–5. Puntos del ciclo Brayton con los valores de entalpía obtenidos por el Formulario empleado vs los valores del TFG de Rodríguez (2019) [25] (con la misma referencia). Punto P (kPa) T (ºC) ∆H Pachón (J/mol) ∆H Rodríguez (J/mol) Desviación Rodríguez vs. 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 ocurrío con la comparación con REFPROP, la desviación es del 1% al 4%. En el siguiente capítulo se estudiará la incidencia que tiene esta desviación en el cálculo del rendimiento. Comportamiento del ciclo de potencia: Cotejo de un modelo contrastado 32 33 7 COMPORTAMIENTO DEL CICLO DE POTENCIA: MICROTURBINA DE GAS En este capítulo se calculará la energía por mol de sustancia de trabajo que se obtiene de cada elemento generador o consumidor de energía. Dichos elementos serán la turbina, el compresor y el receptor. La turbina y el compresor se encuentran en un mismo eje (Figura 2-3), y será el conjunto del eje lo que proporcione el trabajo útil del ciclo. El receptor será donde se concentre la radiación solar y donde se aportará el calor necesario para obtener el trabajo útil del eje. Gracias al modelo de cálculo de propiedades del aire húmedo utilizado en el Capítulo 6, será posible llevarlo a cabo. Se utilizará el modelo de REFPROP dado que es más contrastado y se ha demostrado que el modelo elaborado en Capítulo 5 coincide con él. Para finalizar, también se calculará el rendimiento energético y exergético del ciclo. 7.1 Ecuaciones A continucación se exponen las ecuaciones que se utilizarán en este capítulo para los cálculos objetos de estudio. Para estos cálculos, el rendimiento mecánico (ηm) será del 96% y la humedad relativa del 50% (se utilizarán las propiedades del apartado 5.4). La ecuación 7-1 será la del trabajo generado por la turbina, la ecuación 7-2 la del trabajo consumido por el compresor y la ecuación 7-3 la del calor aportado por el receptor: 𝑊𝑡=𝐻5−𝐻6 (7-1) 𝑊𝑐=𝐻2−𝐻1 (7-2) 𝑄𝑎=𝐻4−𝐻3 (7-3) Dado que el ciclo se usa aire húmedo y que las entalpías se calculan por separado para aire seco y vapor de agua, es necesario calcular la entalpía para la mezcla de ambas sustancias. Para ello, se supone una mezcla perfecta y se haría con la ecuación 7-4: 𝐻𝐴+𝐵=(1−𝑥𝐵)·𝐻𝐴+𝑥𝐵·𝐻𝐵 (7-4) El cálculo del trabajo del eje, que será el trabajo útil, se calcula con la ecuación 7-5: 𝑊𝑒𝑗𝑒=(𝑊𝑡−𝑊𝑐)·𝜂𝑚 (7-5) Y finalmente se calcularían el rendimiento energético y el exergético: 𝜂𝑒=𝑊𝑒𝑗𝑒 𝑄𝑎 (7-6) 𝜂𝑒𝑥=𝑊𝑒𝑗𝑒 𝑄𝑎·(1−𝑇𝐸 𝑇𝑅𝑄) (7-7) De forma que el RQ es el receptor y su temperatura será 5777 K. Comportamiento del ciclo de potencia: Microturbina de gas 34 7.2 Resultados Tras los cálculos realizados con las ecuaciones anteriores, estos serían los resultados: Tabla 7–1. Resultados del ciclo de la mTG con los valores de REFPROP. Variable Valor Wt (J/mol) 8229 Wc (J/mol) 3781 Qa (J/mol) 11952 Weje (J/mol) 4270,08 ηe 36% ηex 38% Para el próximo subapartado, se van a calcular las mismas magnitudes del ciclo para los valores del ciclo del TFG de Rodríguez (2019) [25] (Tabla 6-2) con la misma referencia que RFEPROP: Tabla 7–2. Resultados del ciclo de la mTG con los valores de Rodríguez. Variable Valor Wt (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 Estudio comparativo A continuación, se van a cotejar estos resultados con los modelos empleados en los TFG de Rollán (2018) [5] y Rodríguez (2019) [25]. Por un lado, como ya se ha comentado anteriormente, el ciclo de mTG solar empleado tanto en este TFG como en los nombrados es el mismo. Sin embargo, el ciclo de Rollán tiene unos rendimientos isentrópicos de compresor y turbina distintos de los empleados en este TFG (y el de Rodríguez). Como se puede ver las Figuras 7-1 y 7-2, para un disco de D=8m (el que se utiliza en dicho TFG), se puede ver la potencia eléctrica generada, el rendimiento del ciclo de la mTG y los rendimientos isentrópicos del compresor y la turbina: 35 35 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Figura 7-1. Potencia eléctrica y caudal de agua destilada con una TIT de 900 (ºC) [5]. Figura 7-2. Variación del rendimiento isentrópico del compresor y turbina y del rendimiento de la microturbina con el tamaño para una TIT de 900 (ºC). Como se puede apreciar, la potencia generada sería de 7,5 kWe aproximadamente y los rendimientos son los siguientes:  ηmTG=0,254  ηc=0,7683  ηt=0,7603 Los rendimientos isentrópicos en este ciclo de este TFG y el de Rodríguez son de 0,85. Por lo tanto no se podría hacer una comparación directa. No obstante, el modelo de Rollán aporta una relación del calor aportado por el disco paraboloide con su longitud. Gracias a esta relación podremos conocer la potencia mecánica (la del eje) producida tanto en el modelo creado en este trabajo como en el de Rodríguez y se podrá hacer una comparación de producciones correcta. Esta relación se puede utilizar perfectamente dado que hace variar el diámetro del disco y con el la potencia aportada. Dichos cálculos se pueden apreciar en la Tabla 7-2: 0 200 400 600 800 1000 1200 5 10 15 20 25 30 35 7 12 md [L/h]Wnet [kWe] Dcon [m] Wnet [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, ηt ηmTG Dcon [m] ηmTG ηc ηt Proceso de Desalación 42 Figura 8-5. Cambio de unidades en Projection Software. Una vez elegidas las nuevas unidades, el primer paso será introducir la composición de las sales del agua del caso práctico. En la Figura 8-6 se puede ver como se incluyen: 43 43 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Figura 8-6. Introducción de la composición de las sales del agua salobre de alta salinidad. Además de incluir la composición de las sales es necesario incluir la temperatura y el pH de la alimentación, y los años de operación. El siguiente paso sería incluir los datos de la eficiencia energética. Habrá que elegir el tipo de ERD, la diferencia de presión y sus pérdidas. Además, habrá que introducir la eficiencia del bombeo. En la Figura 8-7 se puede ver como se introducen dichos datos: Figura 8-7. Introducción de los parámetros de eficiencia energética. Finalmente, habrá que incluir las distintas etapas, que deberán incluir número de vasos de presión, longitud y tipo de membrana (que se toma que sea la memebrana de tipo LG BW 440 R). Será necesario incluir dos etapas diferentes. En la Figura 8-8 se puede ver la visualización que hace el programar y los resultados obtenidos (que aparecen tras hacer clic en botón “Calculate”): Proceso de Desalación 44 Figura 8-8. Visualización de resultados para el agua salobre de alta salinidad. Como se puede observar, el permeado tiene una TDS de 244.47 ppm y el consumo de energía específico ha sido de 0.78 kWh/m3. Ambos resultados son prácticamente los mismos del ejemplo del libro de Wilf et al. (2007) [30] (Figura 8-4). Esto implica que la simulación se ha hecho de forma correcta y que el tipo de membrana que se ha implantado ha sido la correcta. El programa Q+ Projection Software permite exportar los resultados a un archivo Excel aparte de la visualización en el propio programa. Dicho archivo se puede ver en la Figura 8-9: Figura 8-9. Archivo Excel con los resultados exportados de Q+ Projection Software del caso de alta salinidad. 45 45 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar 8.3.2 Agua salobre de baja salinidad Ahora se estudiará un caso de agua de baja salinidad, también del libro de Wilf et al. (2007) [30]. El enunciado de este caso se expone en las Figuras 8-10 y 8-11: Figura 8-10. Primera parte del ejemplo de baja salinidad del libro de Wilf et al. (2007) [30]. Proceso de Desalación 46 Figura 8-11. Segunda parte del ejemplo de baja salinidad del libro de Wilf et al. (2007) [30]. Para este caso se lleva a cabo el mismo procedimiento del caso anterior (las unidades ya están en SI): 47 47 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar  Introducción de la composición de las sales (Figura 8-12). Figura 8-12. Introducción de la composición de las sales del agua salobre de baja salinidad.  Introducción de la eficiencia energética, que será la misma de caso anterior (Figura 8-7).  Introducción de las características de la etapa de desalación y visualización de los resultados (Figura 8- 13). Figura 8-13. Visualización de resultados para el agua salobre de baja salinidad. Para la simulación no se ha tenido en cuenta la recirculación del caudal 3 porque no se puede incluir en el programa Q+ Projection Software. El caudal de permeado se ha considerado el caudal 6 y el de alimentación el caudal 2. La conversión mantiene su valor original. El número de vasos de presión se ha duplicado Los resultados exportados de Q+ Projection Software se pueden ver en la Figura 8-14: Proceso de Desalación 48 Figura 8-14. Archivo Excel con los resultados exportados de Q+ Projection Software del caso de baja salinidad. El consumo específico es de 0.29 kWh/m3, un valor muy parecido al del resultado original. Aunque la TDS del permeado no sea igual, esto se debe al tipo de membrana. La explicación de la diferencia es que no se está usando la misma membrana. Para compensar la ausencia del caudal del 3 del ejemplo original del libro Wilf et al. (2007) [30], se va a calcular cuanto caudal del agua bruta se incluye en el permeado a la salida de la etapa de desalación. Esto se hace así porque el rendimiento del proceso es muy bueno, por lo que no es necesario someter tanta cantidad de agua al proceso. Los datos de cálculo se exponen a continuación:  𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚,𝑑𝑒𝑠=416,7 𝑚3/ℎ  TDSperm= 8,06 ppm  TDSpozo= 641 ppm  SECBB= 0,29 kWh/m3 A partir de la ecuación 8-4, se varía el 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜 hasta conseguir que la TDSTOT (TDS a la salida del sistema completo) sea entre 220-240 ppm: 𝑇𝐷𝑆𝑇𝑂𝑇=𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜·𝑇𝐷𝑆𝑝𝑜𝑧𝑜+𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚·𝑇𝐷𝑆𝑝𝑒𝑟𝑚 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜+𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚 (8–3) Finalmente, con un 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜 de 225 m3/h se obtiene una TDSTOT de 230 ppm. Se ha tomado el valor más intermedio del intervalo para obtener menos sales en el permeado y el SEC cambia poco en el intervalo tomado, daño un valor de 0.19 kWh/m3. El nuevo SEC se ha calculado con la ecuación 8-4 y los resultados se pueden ver en la Figura 8-15: 𝑆𝐸𝐶𝑇𝑂𝑇=𝑆𝐸𝐶𝐵𝐵·𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚 𝑞󰇗𝑝𝑜𝑧𝑜+𝑞󰇗𝑝𝑒𝑟𝑚 (8–4) 49 49 Desalación de agua salobre basada en microturbina de gas solar: Diseño preliminar Figura 8-15. Resultados del nuevo SEC. Con este último cálculo se ha conseguido hacer una simulación más exacta del ejemplo del libro de Wilf et al. (2007) [30]. Para finalizar, considerando que el captador parabolide con la microturbina de gas modelada emplea la potencia eléctrica producida para suministrar la energía principal a un proceso de desalación de agua salobre se obtiene la siguiente tabla de valores. Los consumos de energía principal de la desalación son los valores calculados en este capítulo: 0.78 kWh/m3 en el caso de altas salinidades y 0.19 kWh/m3 en el caso de bajas salinidades. Se ha utilizado la relación dada por el TFG de Rollán (2018) [5] entre el diámetro del concentrador y la potencia térmica que aporta el receptor al ciclo de potencia en el punto de diseño, 780 W/m2. Tabla 8–1. Resultados de la relación diámetro del captador y caudal de agua desalada a partir de la potencia térmica que llega al receptor (Qrcv) calculada en el TFG de Rollán (2018) [5] para un punto de diseño de 780 W/m2. Proceso de Desalación 50 51 9 CONCLUSIONES En este Trabajo Fin de Grado se ha expuesto un ciclo de una mTG solar que se va a emplear para la desalación de agua salobre. Para ello, se ha buscado información de las distintas tecnologías que lo componen, otras tecnologías empleadas en la desalación solar y se ha descrito el modelo que se estudiaría en este TFG. Los objetivos principales de este TFG ha sido la elaboración de un método de cálculo de propiedades del aire húmedo, fluido de trabajo del ciclo de la mTG solar (aire húemdo), y el estudio del proceso de desalación del agua salobre. Respecto al método de cálculo, tras exponer como será del receptor solar, se ha modelado el aire húmedo a partir del formulario de cálculo expuesto en el libro de Gómez (2015) [26]. Dicho formulario se programó a través de la herramienta Microsoft Excel, adaptando las ecuaciones al rango de temperaturas del ciclo de potencia. Una vez terminado el método de cálculo, se compararon sus resultados con los del programa REFPROP, que utiliza un modelo contrastado y fiable para cualquier rango de temperaturas y presiones. Tras hacer el cotejo, se ha podido comprobar que modelo elaborado en este TFG difiere menos de un 1% de los datos de REFPROP, por lo cual se considera un modelo válido De esta forma, hace que el cálculo de las propiedades se haga de forma más simple con Microsoft Excel y con una exactitud más que aceptable. Además, dado que muchos datos fueron proporcionados por los TFG de Rollán (2018) [5] y Rodríguez (2019) [25], también se hizo una comparativa con los modelos creados por ellos. Mientras que el modelo de Rollán se utilizó para obtener una relación del calor aportado por el receptor solar, y el modelo de Rodríguez sí que fue comparado con el modelo de este TFG. Tras este cotejo, se comprobó que se comete un error del 6% con el modelo utilizado por Rodríguez. Gracias a este cotejo, se pudo calcular que el ciclo de mTG solar producía una potencia mecánica de 8,14 kWe, con un caudal de 1,89 mol/s de aire húmedo. Este modelo ha permitido una manera muy fácil y exacta de calcular la potencia producida en el eje del ciclo, que sumado a la mayor simplificidad del modelo empleado, significa una gran mejoría en el cálculo del ciclo de potencia para una mTG solar. Respecto al proceso de desalación, se ha explicado como se trata el agua salobre a través de la ósmosis inversa. Para complementar, se ha explicado un ejemplo real de un fabricante para conocer los parámetros que hace falta conocer, y se ha calculado el consumo específico del sistema. Y para finalizar, se han simulado dos casos prácticos con el programa Q+ Projection Software, cada uno con una salinidad diferente. Se ha tomado que las simulaciones se han hecho de forma correcta si coincidían con los resultados de los casos originales, expuestos en el libro de Wilf et al. (2007) [30]. Con el caso de baja salinidad ha sido necesario un cálculo extra aparte de la simulación para que esta fuera más exacta. Finalmente se concluye el dimensionado recomendado según el caudal de agua desalada deseado y según la salinidad del pozo salobre, que se recoge en la tabla 8-1.