Modelo transiente de sistema de desalinización solar

Abstract

El presente trabajo tuvo por objetivo el modelamiento computacional de componentes incorporados en un sistema de desalinización por humidificación-deshumidificación (HDH), implementado en un software de simulación transiente, específicamente un humidificador y un deshumidificador. Esto con el fin de estudiar la naturaleza transiente de la radiación solar y así poder tener un control total de los parámetros relevantes del sistema evidenciando con esto el comportamiento en el tiempo de la planta. Este trabajo es un complemento a la línea investigativa de HDH desarrollada en la Universidad Técnica Federico Santa María. La metodología de trabajo se desarrolló en cuatro etapas. La primera considera el estado del arte de configuraciones HDH implementadas en softwares transientes y los modelos matemáticos de los elementos dentro del sistema, la segunda corresponde a la creación de modelos numéricos de dichos elementos, la tercera a la validación de estos y la cuarta trae consigo la incorporación de los elementos a un sistema HDH acoplado con energía solar, para así poder analizar el comportamiento global de la planta. Los modelos numéricos de los componentes fueron escritos en lenguaje Fortran y el software utilizado para la simulación transiente fue TRNSYS. El deshumidificador se modeló como un intercambiador de calor de tubo y carcasa. El aire húmedo fluye a través de esta, mientras que el agua lo hace a través de los tubos. El rango de funcionamiento para el caso del aire es de 10 °C a 60 °C y como caudal máximo 5000 𝑘𝑔/ℎ, mientras que para el agua el rango de temperatura es desde 5 °C a 50 °C y 600 𝑘𝑔/ℎ como caudal máximo de agua. La humedad relativa del aire se puede variar entre 50% y 100%. Considera efectos por calor sensible y latente, distinguiendo una zona de enfriamiento puro y otra de deshumidificación. El modelo desarrollado es lineal. El humidificador modelado estudia la transferencia de calor y masa entre el aire y el agua, que fluyen a contraflujo y que están en contacto directo en su interior. Su configuración se estructuró bajo los lineamientos del análisis de torres de enfriamiento húmedas descrito por Ph.D Johannes Cristiaan Kloppers. Constituye un modelo iterativo el cual discretiza el empaquetamiento en niveles considerando como supuesto principal que en cada intervalo el salto térmico del agua es el mismo. Se resuelven en cada nivel las ecuaciones diferenciales del sistema para así determinar las condiciones de salida de ambos fluidos, en función de una estimación inicial de la humedad específica la cual se fija en 0,02. La condición de convergencia depende de esta variable pivote y de las iteraciones límite especificadas. La validación de los modelos se hizo de manera independiente. Los datos extraídos de estos fueron comparados con el modelo desarrollado por la ingeniera Natalia Jahn y con datos experimentales de un prototipo instalado en el Laboratorio de Energías Renovables de la Universidad. Tras la validación del deshumidificador, se encontraron errores promedio del 5,5 %, 5% y 6,5% para las temperaturas de salida de aire y agua y para la producción diaria de destilado respectivamente, mientras que para el humidificador un error promedio del 2,5%, por tanto, según la literatura, se verifica la representatividad de los modelos. Finalmente se presentan resultados obtenidos tras simular la planta bajo diferentes condiciones operacionales, lo cual permitió verificar la versatilidad de los modelos desarrollados. The objective of this work was the computational modeling of components incorporated in a desalination system by humidification-dehumidification (HDH), implemented in a transient simulation software, specifically a humidifier and a dehumidifier. This to study the transitory nature of solar radiation and thus be able to have total control of the relevant parameters of the system, thus evidencing the behavior of the plant over time. This work is a complement to the HDH research line developed at the Federico Santa María Technical University. The work methodology was developed in four stages. The first considers the state of the art of the HDH configurations implemented in transient software and the mathematical models of the elements within the system, the second corresponds to the creation of numerical models of said elements, the third to the validation of these and the fourth brings with this the incorporation of the elements to a HDH system coupled to solar energy, to analyze the overall behavior of the plant. The numerical models of the components were written in Fortran language and the software used for the simulation of transients was TRNSYS. The dehumidifier was modeled as a shell and tube heat exchanger. Moist air flows through it, while water flows through the tubes. The operating range for air is 10 ° C to 60 ° C and a maximum flow rate of 5000 kg / h, while for water the temperature range is 5 ° C to 50 ° C and 600 kg / h as maximum water flow. The relative humidity of the air can be varied between 50% and 100%. It considers the effects of sensible and latent heat, distinguishing between a pure cooling zone and a dehumidification zone. The model developed is linear. The modeled humidifier studies the transfer of heat and mass between air and water, which flow counter-current and are in direct contact with the interior. Its configuration was structured under the guidelines of the analysis of wet cooling towers described by Dr. Johannes Cristiaan Kloppers. It constitutes an iterative model that discretizes the packing in levels, considering as the main assumption that in each interval the thermal jump of the water is the same. The differential equations of the system are solved at each level to determine the outlet conditions of both fluids, based on an initial estimate of the specific humidity that is established at 0.02. The convergence condition depends on this pivot variable and the specified limit iterations. The validation of the models was carried out independently. The data extracted from these were compared with the model developed by the engineer Natalia Jahn and with experimental data from a prototype installed in the University's Renewable Energy Laboratory. After validation of the dehumidifier, average errors of 5.5%, 5% and 6.5% were found for the air and water outlet temperatures and for the daily distillate production respectively, while for the humidifier an average error of 2.5%, therefore, according to the literature, the representativeness of the models is verified. Finally, the results obtained after simulating the plant in different operating conditions are presented, which verify the versatility of the models developed.