Dimensionamiento y simulación de un sistema solar térmico tipo Fresnel para la desalinización de agua de mar ubicado en el Departamento de la Guajira | Sizing and simulation of a Fresnel-type solar thermal system for the desalination of seawater located in the Department of La Guajira

El presente trabajo tiene como objetivo dimensionar y simular una planta solar térmica para desalinizar agua de mar. El sistema que se desarrolló está basado en tres tecnologías, destilación con múltiples etapas (MSF), ciclo Rankine con cogeneración y un sistema solar térmico tipo Fresnel. Los modelos matemáticos del sistema solar térmico, del ciclo Rankine con cogeneración y del proceso de desalinización fueron modelados matemáticamente, para cumplir con el parámetro de diseño más importante el cual es que la planta desalinice 1285,2 [m3/día], este valor fue determinado por la población objetivo que es la mitad de la población indígena de la Guajira, Colombia. La MSF fue el sistema de partida para el dimensionamiento del campo solar y del sistema en general. Los modelos matemáticos del sistema acoplados resuelven las ecuaciones óptico geométricas, balance de masa y energía, con el fin de caracterizar y analizar el comportamiento con parámetros de diseño establecidos. La simulación de la planta se realizó en el software MATLAB para determinar las variables críticas del sistema, los modelos fueron validados con artículos científicos encontrados en la revisión bibliográfica. Se examinó el modelo acoplado mediante un estudio paramétrico en donde se variaron varios aspectos tales como temperatura, salinidad y hora del día. Finalmente, los resultados obtenidos bajo los parámetros de diseño fueron un área de campo solar de 56496,5 m2 equivalente a 5,23 campo de futbol FIFA, eficiencia óptica y térmica de 65, 3 y 37,1 % respectivamente, la potencia de la bomba en el sistema Fresnel es de 36,6 kW, en la MSF se obtuvo un rendimiento de planta de 13,087%, un flujo másico de agua de mar de 147,6318 kg/s, el trabajo de la bomba en la MSF es de 68,27 kW y en cuanto al ciclo Rankine la potencia de las bombas es 4,575 kW, la potencia neta del sistema es de 1833,4 kW y una eficiencia eléctrica y térmica del 13,6 y 78,1% respectivamente, en cuanto al costo de agua destilada se obtuvo un valor de 2,1339 $/m

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 12 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................... 12 1. MARCO REFERENCIAL ................................................................................ 13 1.1 MARCO CONCEPTUAL .............................................................................. 13 1.1.1 MAR CARIBE ........................................................................................ 13 1.1.2 DESALINIZACIÓN ................................................................................ 14 1.1.3 EVAPORACIÓN INSTANTÁNEA DE MÚLTIPLES ETAPAS (MSF) ..... 15 1.1.4 RECURSO SOLAR ............................................................................... 19 1.1.5 CICLO RANKINE .................................................................................. 20 1.1.6 COLECTOR SOLAR FRESNEL ........................................................... 21 1.1.6.1 Componentes de los CLF .................................................................. 22 1.1.6.2 Descripción General del Proceso ...................................................... 23 1.2 ESTADO DEL ARTE ................................................................................... 24 1.3 MARCO LEGAL ........................................................................................... 26 2. OBJETIVOS .................................................................................................... 27 2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 27 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................... 27 3. METODOLOGÍA ............................................................................................. 28 3.1. FASE UNO: CARACTERIZACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS .................. 28 3.2. FASE DOS: CÁLCULOS TERMODINÁMICOS Y ÓPTICOS ................... 28 3.3. FASE TRES: VALIDACIÓN Y SIMULACIÓN ........................................... 28 3.4. FASE CUATRO: DETERMINACIÓN DE LA VIABILIDAD TÉCNICA DEL SISTEMA ........................................................................................................... 28 4. DESARROLLO ............................................................................................... 29 4.1. SISTEMA DE DESALINIZACIÓN MSF .................................................... 29 4.1.1. Balance general de masa ..................................................................... 31 4.1.2. Perfil de temperatura para las etapas y tubos condensadores ............. 32 4.1.3. Balance de masa y sal para cada etapa ............................................... 34 4.1.4. Dimensiones de la etapa flash .............................................................. 37 4.1.5. Área de transferencia de calor en los condensadores .......................... 39 4.1.6. Parámetros de rendimiento de la planta MSF ....................................... 40 4.1.7. Calculo potencia de la bomba ............................................................... 40 4.2. CICLO RANKINE ..................................................................................... 42 4.2.1. Análisis de energía en ciclo Rankine sencillo ....................................... 42 4.2.2. Análisis de energía en ciclo Rankine con cogeneración ....................... 44 4.3. CAMPO SOLAR FRESNEL ..................................................................... 47 4.3.1. Ángulos Solares .................................................................................... 47 4.3.2. Separación de los Espejos .................................................................... 48 4.3.3. Efecto Sombra ...................................................................................... 51 4.3.4. Modelo térmico del campo solar Fresnel .............................................. 53 4.4. Cálculo del costo del agua destilada TWP .................................................. 58 5. RESULTADOS ............................................................................................... 59 6. CONCLUSIONES ........................................................................................... 68 7. RECOMENDACIONES ................................................................................... 69 REFERENCIAS ..................................................................................................... 69 ANEXOS ............................................................................................................... 74

Pregrado

The present work aims to size and simulate a solar thermal plant to desalinate seawater. The system that was developed is based on three technologies, multi-stage distillation (MSF), Rankine cycle with cogeneration, and a Fresnel-type solar thermal system. The mathematical models of the solar thermal system, the Rankine cycle with cogeneration and the desalination process were mathematically modeled, in order to comply with the most important design parameter which is that the plant desalinate 1285.2 [m3 / day], this value was determined by the target population which is half of the indigenous population of La Guajira, Colombia. The MSF was the starting system for sizing the solar field and the system in general. Mathematical models of the coupled system solve the geometric optical equations, mass and energy balance, in order to characterize and analyze the behavior with established design parameters. The simulation of the plant was carried out in the MATLAB software to determine the critical variables of the system, the models were validated with scientific articles found in the bibliographic review. The coupled model was examined through a parametric study where various aspects such as temperature, salinity and time of day were varied. Finally, the results obtained under the design parameters were a solar field area of ​​56,496.5 m2 equivalent to 5.23 FIFA soccer field, optical and thermal efficiency of 65, 3 and 37.1% respectively, the power of the pump in the Fresnel system is 36.6 kW, in the MSF a plant yield of 13.087% was obtained, a mass flow of seawater of 147.6318 kg / s, the work of the pump in the MSF is 68.27 kW and regarding the Rankine cycle the power of the pumps is 4.575 kW, the net power of the system is 1833.4 kW and an electrical and thermal efficiency of 13.6 and 78.1% respectively, regarding the cost of distilled water, a value of $ 2.1339 / m was obtained.

Modalidad Presencial