DESALINIZADOR SOLAR DE MÚLTIPLES EFECTOS A ALTA TEMPERATURA: DISEÑO, MODELACIÓN Y SIMULACIÓN

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1 FACULAD DE INGENIERÍA, U..A. (CHILE), VOL N, 00,. 5- DESALINIZADOR SOLAR DE MÚLIPLES EFECOS A ALA EMPERAURA: DISEÑO, MODELACIÓN Y SIMULACIÓN Eduardo Gálvz Soto Pdro Roth Urban Klmns Shwarzr Ribido l 09 d diimbr d 00, atado l d stimbr dl 00 RESUMEN La siguint invstigaión onsistn n disñar, modlar y simular un dsalinizador solar d múltils tos qu trabaj a alta tmratura, l ual sté orintado a satisar las nsidads d agua d omunidads d sadors artsanals aisladas n l nort d Chil. En st sntido s mzlan astos intíios, tnológios y soials. Esto ha qu la modlaión onsidr astos omo: un quio omato, modular, d bajo osto, mantnión snilla, vida útil signiiativa y d alta iinia. El quio dsalinizador uniona on una bandja d dobl ondo y ino bandjas rinials (ino tos), qu atúan omo vaorador y ondnsador a la vz. La nrgía srá suministrada a través d un oltor solar ontado a un intrambiador d alor ubiado n la bandja d dobl ondo. S ha dsarrollado un rograma omutaional qu a través dl modlo matmátio, mustra l omortaminto d unionaminto dl quio dsalinizador. Est rograma ha sido laborado utilizando Matlab-Simulink on l aoyo dl sotwar bibliota Carnot qu ha dsarrollado l Solar-Institut Jülih d la Fahhohshul d Aahn n Almania. Los rsultados d la simulaión son gráias o ba d datos, d los dirnts omortamintos d las tmraturas, roduión d ondnsado y/o nrgías involuradas. La simulaión nos llva onluir qu la roduión d agua dsalinizada d st quio db surar los 0 *0 - m /día. Palabras lavs: Dstilador, oltor solar, múltils tos ABSRAC h uros o this work is to dsign, modl and simulat a solar multil t distillr working at high tmratur. h dsign o th quimnt must satisy th nds o watr o isolatd ishrmn ommunitis in th north o Chil. h basi haratristis o th systm should b: low ost, siml maintnan, omat, modular, with a long usul li and high iiny. h modl o th roosd distillr is a rlativly nw dvlomnt in th ara o th solar distillation with hat rovry. h distillr has doubl bottom and iv main trays (iv ts) that work lik vaorator and ondnsr at th sam tim. h ondnsation hat o ah stag is usd in th ollowing st. h amount o usd nrgy an b through a solar olltor onntd to a hat xhangr in th tray o doubl bottom or using anothr nrgy sour that may b adatd to th systm. A omutr rogram has bn dvlod, showing th bhavior o oration o th quimnt. his rogram has bn ralisd using Matlab-Simulink with th suort o th sotwar library Carnot that was dvlod by th Solar- Institut Jülih o th Fahhohshul o Aahn in Grmany. h simulation rogram is quit lxibl, allowing modiiations o th dirnt aramtrs o th thrmal analysis and th dirnt quations o th modl. h rsults o th simulation, th bhavior at dirnt tmraturs, watr rodution and involvd nrgy ar rsntd in grahi and databas orms. Kywords: Distillr, solar olltor, multil ts Univrsidad d araaá, Dto. d Mánia, Aria Chil, Casilla 6 - D, léono: , Fax: , galvz@uta.l Univrsidad énia Fdrio Sta. María, Dto. d Mánia, Avda. Esaña 680, Valaraíso Chil, Casilla 0-V, léono: , Fax Solar -Institut Jülih, Hinrih-Mußmann-Str. 5, 548 Jülih Grmany, léono: , mail: shwarzr@sij.h-aahn.d

2 Eduardo Gálvz S., Pdro Roth U., Klmns Sharzr FUNCIONAMIENO DEL SISEMA DESALINIZADOR El Dsalinizador d Múltils Etos rousto s un dsarrollo rlativamnt nuvo n l ára d la dstilaión solar on ruraión d alor sialmnt n Chil. Ést trabaja on varias bandjas ubiadas una sobr otra y utilizan l alor d ondnsaión d ada taa ara l aso siguint. El alor o nrgía d ntrada s llvado a través d un oltor solar al quio d dsalinizaión. Es Posibl l uso d otras unts d nrgía. El oltor solar s un quio qu trabaja on un luido térmio (mzla d agua dstilada-tilngliol) aaz d onsguir tmraturas suriors a los 00 ºC,. Est luido s ha irular or l intrior d la bandja d dobl ondo ubiada n la art inrior dl quio dsalinizador. S raliza us un intrambio d alor ntr l luido térmio y l agua d mar. La saraión ntr los luidos s una laa d aro inoxidabl d mm d or. Coltor solar Dsalinizador Múltils tos Agua salada Intrambiador d alor nivl ontado a la bandja d dobl ondo. Aquí s ontrola la ntrada d agua d mar, s dir, si l nivl d agua d la bandja d dobl ondo baja un irto rango stablido, ntons s aiona l sistma d ontrol dl stanqu rmitindo l ingrso dl agua d mar haia la bandja surior. D la misma orma, si l nivl d agua sobrasa st rango, ntons s irra l aso dl agua. A través d la ondnsaión s libra la ntalía d vaorizaión [] qu s ntrga a la taa qu stá nima y alinta l agua salada ontnida n sa taa. Eso llva d nuvo a la vaoraión y ondnsaión d la taa qu stá mas arriba. Esto s rit hasta llgar a la última taa. Comonnts dl sistma El nuvo dsalinizador d múltils tos onsta d una strutura d madra, aislada térmiamnt dl mdio xtrior. Está rvstida, n su intrior, on una ubirta d aro inoxidabl AISI 6L d or d mm. En su intrior s nuntran las bandjas rinials qu son también d aro inoxidabl 6L d or d mm. En llas s nuntra la analta rinial on una quña inlinaión ara oltar l ondnsado dsd la surii inlinada d la bandja surior. En ada una d las bandjas xist una ntrada dl agua d alimntaión así omo una salida ara l ondnsado a través d un tubo ontado a la analta rinial. La aaidad d ada bandja rinial s d 0,05 m y la d dobl ondo d 0,00 m. Las dimnsions gnrals dl dstilador d múltils tos son d 88x88x400 (mm ). 6 Fig..- Equio dsalinizador A través d la ntrada d alor, l agua salada rib n la taa más baja aroximadamnt ºC, s alinta y vaora (onvión libr dl air húmdo). El vaor n l asnso dl air húmdo s ondnsa n la art inrior d la róxima taa dl dsalinizador. El ondnsado s dsliza, ayudado or la urza d gravdad, a través d la inlinaión d la ard dl ondnsador, s rog y s llva a través d analtas. Estas analtas, dbido también a su inlinaión, rmitn la salida dl agua al xtrior dl dstilador a través d un onduto ontado a un dósito d ondnsado. El agua salada s ingrsada dsd arriba haia abajo n orma dsndnt, ontraria al lujo d alor roorionado, mdiant un stanqu n la art surior. El stanqu tin un sistma d ontrol d Faultad d Ingniría, Chil, Vol. N, 00 En l ondo dl sistma s nuntra la bandja d dobl ondo, riint qu ontin l agua d mar y luido térmio rovnint dl oltor solar, dnominado Wärmtaush (W), aja térmia. La bandja d dobl ondo stá disñada ara inororar un sistma d oltor solar, sin mbargo s osibl adatar otro tio d unt d alor. El squma rousto mustra la orma dl nuvo dstilador d múltils taas. Formas d Enrgía El omortaminto global dl dstilador d múltils tos ud sr dsrito or mdio d las uaions d onsrvaión d nrgía y or las rlaions d los dirnts manismos d transrnia d alor [], omo son la Conduión, la Convión y la Radiaión, admás d las rlaions d ransrnia d masa. Los lujos d nrgía involurados son variados y s udn ariar n la Fig.. Existn lujos nrgétios

3 Dsalinizador solar d múltils tos a alta tmratura: disño, modlaión y simulaión qu son d mayor imortania rlativa rsto a otros. Como or jmlo l lujo d alor or vaoraión s uno d los más rlvants n st studio y l lujo d alor dbido a las ugas d vaor haia las taas siguints son rátiamnt dsriabl. En ada una d las bandjas s udn ariar trs lujos d alor qu son los dbido a Evaoraión, Convión y Radiaión. Estos lujos d alor son los d ntrada a la bandja surior n ada taa. En la bandja d dobl ondo l lujo d alor s l rovnint dl oltor solar. S han onsidrado también los lujos d alor snsibl dl luido d ntrada, agua d mar, así omo l d salida, agua dsalinizada. En l lado drho d la Fig. s udn ariar los lujos d alor orrsondint a las ugas d alor or onduión a través d las ards dl quio. Otra onsidraión n st análisis s l lujo d nrgía, a través d lujo d vaor, qu ud asar dsd una bandja a la otra or roblmas d sllo n ada taa. Basados n st análisis s ud ntons ralizar un balan d nrgía y stablr la uaions orrsondints ara la modlaión dl sistma dsalinizador. El subíndi DF orrsond a la bandja d dobl ondo y los subíndis al 5 orrsondn a las bandjas al 5. Balan d Enrgía : Calor or onduión or los lados dl dstilador : Calor transrido a la siguint taa or uga d vaor tho : Calor or Conduión or l tho Bandja 5 Bandja 4 Bandja Bandja Bandja Bandja dobl ondo r r r r r r s s s s t Volumn d Control s s ol s s s s Fig..- Balan d nrgía dl dsalinizador La uaión d onsrvaión d nrgía, qu rlaiona la variaión d nrgía intrna on los lujos d alor qu ntran y saln, aliada al agua [] y [], n la bandja d dobl ondo y n la bandja, ara l aro inoxidabl y l agua ontnida n lla, s mustran a ontinuaión: Diniión d lujos d nrgía n l dsalinizador r : Calor or vaoraión ntr l agua y la laa inrior xtrior : Calor or onvión ntr l agua y la laa inrior xtrior : Calor or radiaión térmia ntr l agua y la laa inrior xtrior oltor : Calor dbido al oltor solar s : Calor snsibl dl dstilado : Calor snsibl dl agua d alimntaión m d dt = + s r w,df w,df w oltor DF DF DF DF DF t : mratura d la bandja Rvista Faultad d Ingniría, Chil, Vol. N, 00 7 DF dt m = + r t t DF DF dt + + s dond, Cw C t m w m t w DF t t : Calor síio dl agua DF : Calor síio dl aro inoxidabl : Masa d agua n la bandja d dobl ondo : Masa dl aro inoxidabl n intrambio térmio y agua ontnida n la bandja : mratura dl agua n la bandja () ()

4 Eduardo Gálvz S., Pdro Roth U., Klmns Sharzr El subíndi t india lo rlativo a la bandja n la surii d aro inoxidabl. Estas mismas uaions aliadas a ada una d las taas, on la rauión d onsidrar solamnt los lujos d alor involurados n ada una d llas, nos ntrga l modlo matmátio ara l nuvo dsalinizador d múltils taas. Est análisis nos rmit dtrminar la tmratura dl agua n la bandja d dobl ondo, la ual dnd d la tmratura d la bandja. Al aliar l análisis a la sgunda taa, s dir, ntr la bandja y la bandja, s ud dtrminar la tmratura d la bandja la ual a su vz dnd d la tmratura d la bandja. El análisis s alia a ada una d las taas n orma susiva, xistindo simr una dndnia d las tmraturas. Para dtrminar la tmratura d la bandja d dobl ondo, l modlo dtrmina la tmratura d la última bandja lugo la tmratura d la núltima y así susivamnt hasta llgar n dinitiva a la tmratura dsada. Para l análisis d la nrgía qu luy a través dl tho s onsidra la nrgía qu rooriona la bandja 5 y la onvión xtrior dl quio. La bandja 5 db mantnr una tmratura más baja qu todo l sistma. Por sta razón no s db utilizar aislaminto n l tho. ECUACIONES DE RANSFERENCIA DE CALOR Euaions ara l Calor or Evaoraión La transrnia d alor or vaoraión s una transrnia d alor asoiada a la transrnia d masa, s dir, a la vaoraión y ondnsaión dl agua. Existn varias ormas ara dtrminar l alor or vaoraión [], [6], [7], [8], [9], [0], dndindo d las ondiions qu s rsntn. Como or jmlo la orma Nwtoniana, Kumar y iwari (996), O. Hadly (977). Para l análisis dl modlo s han onsidrado todas stas ormas, y la qu ha rsntado l mjor omortaminto s la d E. Sartori (996), qu s la qu a ontinuaión s nunia. Coiints d transrnia d alor or vaoraión El oiint d transrnia d alor or vaoraión ud sr dtrminado or la xrsión (4), [8]: Dond: & () 7 = B C P w P t B = w t + ( w + 7.5) Pw C=(P P) L w t h = A & ) w( w t Dond s l alor or vaoraión y s dtrmina usando la xrsión dsarrollada or Kumar y iwari (996) y dond & = (P P) w g K d wa (Gr Pr) 0.84 (4) (5) β ρ d Gr = (6) µ ( Pw Pg )( w + 7.5) = ( w t ) + (7) Pw Pr (8) = µ K Muhas xrsions usadas n la dtrminaión d los oiints d transrnia or vaoraión stán limitadas n uanto a la tmratura d trabajo omo son las xrsions roustas or Malik (98), sto s, válidas sólo hasta aroximadamnt los 90 C. Las xrsions aquí rsntadas no tinn sa rstriión. Coiints d transrnia d alor or onvión ambién onsidrando xrsions sin limitaions d tmratura s qu s dsarrollan [8] las siguints xrsions qu rlaionan los oiints d transrnia d alor vaorativo y onvtivo aw 8 Rvista Faultad d Ingniría, Chil, Vol., 00

5 Dsalinizador solar d múltils tos a alta tmratura: disño, modlaión y simulaión M mix h mix = * h (9) M w L + ( P ) ( P ) Gnralidads mix M mix a w a g M a Pa + M wpw = (0) P a Pa + w Pw = () P SIMULACIÓN COMPUACIONAL La simulaión ha sido ralizada utilizando l ambint Matlab Simulink y l sotwar d bibliota Carnot dsarrollado n l Solar-Institut Julih, Almania. El modlo matmátio qu s ha dsarrollado lanta la búsquda d soluions ara una sri d uaions dirnials n las uals la variabl rinial s la tmratura d ada una d las taas. El rograma utiliza l método d aso variabl Bogaki-Shamin od qu s un método basado n Rung-Kutta (,). El rograma onsta d una vntana rinial o d ntrada n dond s distingun laramnt los bloqus qu rrsntan las taas dl dsalinizador y los lmntos nsarios ara la ntrada y salida d datos. Cada uno d los bloqus s una subrutina dsarrollada n orma indndint, ro qu s dndint d los otros bloqus. Vntana rinial La orma dl rograma stá omusta or 7 subsistmas rinials (vr Fig. ), ino rrsntan a ada una d las taas dl dsalinizador, otro lo qu s l ondo y uno inal qu rrsnta la taa. Admás unta on una sri d omonnts ara la ntrada y salida aduada d los rsultados omo son arhivos d datos y gráios. La vntana rinial ontin todos los bloqus o sub-sistmas mnionados antriormnt dsignados on las ltras W, B, B, B, B4, B5 y aa, n qu ada uno d llos rrsnta un modlo matmátio n artiular. Comonnts dl rograma d simulaión odos los bloqus dl rograma unionan d manra similar, sin mbargo s db autlar qu s utilin orrtamnt las variabls d ada taa. W : Bloqu qu rrsnta un sub-sistma ara l ondo dl dsalinizador (Warmtaush). Est omonnt rib l alor rovnint dl Coltor Solar. Est bloqu rquir ara su unionaminto, l ingrso d la tmratura ambint, la nrgía d ntrada, y la tmratura dl agua n la rimra taa. Como datos d salida s obtinn la tmratura dl W, la nrgía gnrada dsd l W haia la rimra taa y l ondnsado roduido or l W. Al har dobl li n st bloqu aar una nuva oniguraión o sub -rutina. La Fig. mustra la subrutina qu rmit alular los dirnts tios d nrgía involurados ya sa l alor or vaoraión, onvión, radiaión, onduión, snsibls y ugas. Prmit también alular l ondnsado roduido y la tmratura dl agua. amb wt amb amb amb amb 4 amb 5 amb w lt lt wt wt taa Entrada Enrgia mwt m m 4 m 5 m4 taa m5 5 W B B B B4 B5 aa Fig..- Forma d la vntana rinial dl rograma d simulaión Rvista Faultad d Ingniría, Chil, Vol. N, 00 9

6 Eduardo Gálvz S., Pdro Roth U., Klmns Sharzr ntrada amb t amb w r ug iso s ug Calors mw wt mwt sum Fig.4.- Sub-rutina ara la bandja d Dobl Fondo El bloqu Calors rquir ara su unionaminto la ntrada d la tmratura d la rimra taa, ambintal y la dl W. La tmratura W s dtrminada or l bloqu m. Agua W, la tmratura d la rimra taa s dtrminada n otro Bloqu orrsondint a la subrutina B y la tmratura ambint, amb, s lída dsd una bas d datos dl bloqu mratura n la vntana rinial. w m. agua W wt La salida dl bloqu Calors alula los dirnts tios d nrgía gnrados al intrior dl dsalinizador. Admás alula la antidad d ondnsado roduido ntr l W y la rimra taa B. ara ilustrar l álulo d los alors vrmos l aso dl alor or vaoraión. En la vntana d la Fig. 4 s ud ariar l método usado ara dtrminar l oiint d transrnia or vaoraión, h, qu s lo undamntal dl álulo d la nrgía,, l alor dbido a la vaoraión. Esta subrutina ud sr modiiada ara inororar otras uaions ara l álulo dl oiint d transrnia or vaoraión. En sta subrutina s han utilizado bloqus qu son a la vz otras subrutinas ara l álulo d algunas roidads omo son: la visosidad inmátia, la dnsidad, la rsión d vaor, la ondutividad térmia y l alor síio. odos stos bloqus xtraídos dsd la bibliota Carnot. Al dsjar la tmratura n las uaions dl balan d nrgía y utilizando l método Bogaki- Shamin od, s udn nontrar los valors d wt y d mw a través dl timo. Esto s dtrmina n la subrutina mostrada n la Fig. 5. Fluid_y Fluid_y vis u hat_aaity kinmati_visosity 0.5 dnsity Fluid_y dnsity air g x Fluid_y ond onst6 kg watr / kg air at saturation + hat_ondutivity d saraion laa u v rminator Math Funtion u v Math lsiusklvin onst4 d^ Funtion4 w Patm Fn Prsion atmosria var n watr Fluid_y u v xonnt Num. Gr 0 Math luid_mix vaourrur_bottom onst n xonnt Num. Gr Funtion t Ava ond. trmia K Ara va. var Fluid_y C Constant C H mw vaourrur_to d Calor latnt d vaorizaion saraion laa Fig. 5.- Calor or Evaoraión y Cálulo dl Dstilado 0 Rvista Faultad d Ingniría, Chil, Vol., 00

7 Dsalinizador solar d múltils tos a alta tmratura: disño, modlaión y simulaión La salida dl rograma rmit, ntr otras osibilidads, graiar l omortaminto d la tmratura, y l ondnsado (Figs. 6 y 7) ya sa n orma individual omo or gruo dndindo d las ondiions qu l rogramador stablza n l rograma. Admás d indiar las nrgías involuradas, Fig. 8. Sum. m C W ator masa-nrgía w Fig. 6.- Cálulo d la tmratura dl agua d la bandja d Dobl Fondo s Intgrator mratura wt ( C) Variaión d la roduión d ondnsado y tmratura wt nrgía d ntrada 050 W mratura wt masa simulada imo (s) * 0 x0 Fig. 7.- Comortaminto d la tmratura y roduión d ondnsado roduión d agua (l) x0 Fig. 8.- Comortaminto d la tmratura n ada to Faultad d Ingniría, Chil, Vol. N, 00

8 Eduardo Gálvz S., Pdro Roth U., Klmns Sharzr 500 Variaión d la Enrgía ara ada Eto 000 Enrgía (W) imo (s) sol IC wt B B B B4 B5 Fig. 9.- Variaión d la nrgía n las taas CONCLUSIONES S rquir una sial atnión ara la ormulaión d un mo dlo matmátio qu onsidr todos los nómnos qu ourrn y udisn ourrir n un quio dsalinizador d múltils tos. Dl análisis térmio ralizado s udiron dtrminar xrsions no muy snillas qu rquirn d tnología d unta ara nontrar soluions aduadas. Es aquí dond l aoyo d invstigadors dl Solar-Institut Julih s ha undamntal al dsarrollar un sotwar bibliota ara la dtrminaión d las dirnts roidads y arámtros d los luidos. Est sotwar ha rmitido disminuir los timos omutaionals n la laboraión dl rograma d simulaión. Dl transint d tmraturas simuladas ara ada una d los tos, s stabl qu rquir d ntr a 4 días ara llgar a su unto d unionaminto ótimo. D aurdo a st trabajo s ha odido dtrminar qu la artiiaión romdio d las taas,,, 4, 5, n la roduión total d agua s d 0 %, 8 %, %, 9 % y % rstivamnt. Esto india qu l quinto to s d oa rlvania y s nsario invstigar ual s l to sobr l quio, si s disminuy l númro d taas. El nivl d roduión d agua dl quio dsalinizador ud surar los m /día. REFERENCIAS [] R. V. Dunkl; Solar watr distillation: h roo ty still and a multil t diusion still, Commonwalth sintii and industrial rsarh organization, C.S.I.R.O., 08, Vitoria, Australia, , 96. [] J. A. Dui, W. Bkmann; Solar Enginring o hrmal Pros, Nw York, Chihstr: John Wily & Sons, , 980. [] M. A. S. Malik, G. N. iwari, A. Kumar, M. S. Sodha; Solar Distillation, Prgamon Pr,. 5 89, 98. [4] Solar Institut Julih, Fahhohshul Aahn Abt. Julih Untrsuhungn Zur Otimirung inr nurtign Mhrstundstill zur solarthrmishn Mr- und Brakwarntsalzung ur Einzatz in Chil, Forshungsantrag im Rahmn ds DFG- Programs,. 7 0, 998. [5] A. Sholz,; Otimirung inr nuartign Mhrstundstill zur rak- und Mrwarntsalzung, Solar-Insttut Jülih , 999. [6] Sanjay Kumar y G. N. iwari; Estimation o onvtiv ma transr in solar distillation systms, Solar Enrgy, 57(6), , 996. Rvista Faultad d Ingniría, Chil, Vol., 00

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