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Análisis energético de dos configuraciones con y sin seguimiento para prototipos de colectores cilindro-parabólicos
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Diseño y modelado de un transformador térmico de doble etapa para recuperación de calor de desecho con control automático en función de la energía a revalorizar
Get PDFRESUMEN
Un transformador térmico de doble etapa por absorción (DSHT) es un dispositivo que revaloriza la calidad de calor de desecho con una fuente relativamente baja entre 60 - 80°C, aprovechando el calor residual en algún otro proceso que lo requiera, sin embargo este sistema cuenta con una gran cantidad de variables, más de cien; lo cual dificulta mantener condiciones de operación estables y por largo tiempo. En la literatura se muestran análisis teóricos de transformador térmico de doble etapa, sin embargo no existen datos experimentales de un DSHT operando con mezcla Carrol/Agua, por lo que no se tiene certeza de datos reales que indiquen cual es el mejor diseño o mezcla para aprovechar estos sistemas y poder recuperar la mayor energía posible. Así como los COP y GTL que muestren cuales son las condiciones de operación que permiten obtener valores mayores a 100 °C en el absorbedor del transformador térmico, ya que no se tienen repetitividad en los datos.
En la presente tesis se muestra el modelo termodinámico de un diseño de un transformador térmico de doble etapa por absorción utilizando la mezcla Carrol /Agua, se construyó, instaló y evaluó en condiciones experimentales de operación para validar el modelo termodinámico
Se realizaron pruebas experimentales con tres diseños del transformador térmico, siendo el tercer diseño el mejor, las temperaturas obtenidas conducen a una temperatura de interés del proceso de absorción entre 100.30 y 101.54°C en estado estable para primera etapa y 106.47 y 107.14 °C para segunda etapa. El COP calculado fue de 0.21 a 0.33 con GTL de 23.20 y 37.69 °C. Se obtuvieron pruebas muy similares para DSHT. Se realizó un análisis del sistema para detectar cuál de las variables es la que mayor problema causaba, siendo el flujo de los sistemas de calentamiento y temperaturas de los mismos los que más afectaban.
La adecuada metodología de diseño permitió obtener las ganancias del controlador PI de forma analítica y predecir su comportamiento aproximado en simulación. El control propuesto se implementó utilizando software y hardware de instrumentación virtual, un sensor de flujo adecuado y el diseño de una válvula regulada de bajo costo utilizando un servomotor y una válvula de esfera convencional.
Los resultados experimentales muestran que: (i) debido a la presencia de ruido en las mediciones de los sensores es preferible un controlador con ganancias mesuradas ya que de otro modo se amplifica el ruido presente en la medición en deterioro del desempeño en estado estable y transitorio en lazo cerrado y (ii) la primera etapa del DSHT controlado de forma automática con un controlador PI en el calor de entrada del generador de esta etapa puede compensar en medio minuto las perturbaciones en la temperatura de entrada manteniendo las condiciones de equilibrio para lograr una revalorización continua de calor de desecho.SUMMARY
A double-stage heat transformer (DSHT) is a device that revaluates the quality of waste heat with a relatively low source between 60 - 80 ° C, taking advantage of the residual heat in some other process that requires it, however this system has a large number of variables, more than a hundred; which makes it difficult to maintain stable operating conditions and for a long time. In the literature theoretical analyzes of double stage thermal transformer are shown, however there is no experimental data of a DSHT operating with water/Carrol mixture, so there is no certainty of real data that indicate which is the best design or mixture for take advantage of these systems and be able to recover as much energy as possible. As well as the COP and GTL that show which are the operating conditions that allow to obtain values higher than 100 ° C in the thermal transformer absorber, since there is no repeatability in the data.
In the present thesis the thermodynamic model of design of a thermal transformer the double stage by absorption using the wáter/Carrol mixture was constructed, installed and evaluated under experimental conditions of operation to validate the thermodynamic model.
Experimental tests were carried out with three designs of the thermal transformer, with the third design being the best, the temperatures obtained lead to a temperature of interest of the absorption process between 100.30 and 101.54 ° C a stable state for the first stage and 106.47 and 107.14 ° C the second stage. The calculated COP was 0.21 to 0.33 with GTL of 23.20 and 37.69 ° C. Very similar tests were obtained for DSHT. An analysis of the system was carried out to detect which of the variables caused the greatest problem, the flow of the heating systems and temperatures of which affected the most.
The adequate design methodology allowed to obtain the PI controller's gains analytically and predict their approximate behavior in simulation. The proposed control was implemented using virtual instrumentation software and hardware, an adequate flow sensor and the design of a low - cost regulated valve using a servomotor and a conventional ball valve.
The experimental results show that: (i) due to the presence of noise in the measurements of the sensors a controller with measured gains is preferable since otherwise the noise present in the measurement in deterioration of the steady-state and transitory performance is amplified in closed loop and (ii) the first stage of the DSHT controlled automatically with a PI controller in the input heat of the generator of this stage can compensate in half a minute the disturbances in the inlet temperature while maintaining the equilibrium conditions to achieve a continuous revaluation of waste heat
Diseño y evaluación teórica de ciclos termodinámicos de revalorización de energía con un polímero conductivo nanoestructurado
Get PDFEn este proyecto se presentan las ecuaciones termodinámicas para el cálculo de las potencias y flujos másicos que requiere un aire acondicionado solar operando a temperaturas mayores a 75 °C, con temperaturas ambientales cercanas a 40 °C y con el objetivo de intercambiar calor con el entorno a
temperaturas de 20 °C; así también se presentan las consideraciones para un modelo matemático basado en condiciones de equilibrio y cálculo de las entalpías para una solución de bromuro de litio acuoso. La membrana que se ha utilizado para el cálculo del flujo del fluido refrigerante es una membrana polimérica comercial que se ha evaluado en trabajos previos. Las conclusiones
indican que es posible operar este sistema con solo el 2 % de energía eléctrica y el resto de la operación (98 %) corresponde a energía térmica. Así mismo se analizaron las variaciones de potencia que presenta el condensador y los coeficientes de operación en un sistema de aire acondicionado, al incrementar la temperatura suministrada al proceso por colectores solares. El sistema consiste en una novedosa membrana polimérica capaz de realizar la separación del agua de una mezcla acuosa de bromuro
de litio que funciona como fluido de trabajo en un ciclo termodinámico. El objetivo es utilizar calor con temperaturas inferiores a 80 °C y que pueda realizar un intercambio de calor en un intervalo de temperatura entre 15 o 20 °C cuando los alrededores se encuentran a 30 °C. Para finalizar con un estudio comparativo del uso de una membrana comercial contra una membrana modificada, con una alta conductividad térmica relativa, en un proceso de una bomba de calor. Derivado de esta comparación se
analizaron las diferencias de la temperatura local junto con la densidad del vapor de agua, observando que para ambos casos se presenta un incremento de la temperatura y la densidad de vapor, al incrementar la conductividad térmica de la membrana utilizada para la separación del fluido refrigerante
Análisis del impacto de emisiones y sustentabilidad por sustitución de combustible en el sector del transporte público
Get PDFResumen La transición energética es un cambio que se está llevando a cabo en todo el mundo, migrando del uso de combustibles fósiles a energías renovables. El mayor demandante de derivados del petróleo en nuestro país es el sector transporte, alimentando el 99.81% de este sector. En la presente investigación se aborda un análisis de la sustentabilidad y el impacto ambiental por emisiones en el caso particular de sustituir la gasolina por gas natural El Gas Natural Vehicular (GNV) ha demostrado ser un actor clave en el cambio hacia una economía baja en carbono y un sistema energético más sostenible que, a pesar que es de origen fósil, es un combustible más limpio, comparado con la gasolina y el diésel, aunado a esto, el ahorro en el costo de utilización economiza el 57% de los costos de operación a la fecha. El sector transporte público sin itinerario fijo es por demás atractivo para someter a un cambio de combustible, ya que el parque vehicular sigue incrementando, 1091 unidades sólo de 2017 a 2018 y más importante aún, tienen un recorrido diario mayor comparado con el sector particular, además que, por cuestiones de legislación, éstas unidades no deben tener más de 10 años de antigüedad. En México, ya existe vehículos operando con sistema dual fuel, siendo alimentados con GNV, como es el caso de Ciudad de México, Monterrey, Guadalajara y Puebla, que han sido adquiridos con planes financieros atractivos para los concesionarios, lo que ha propiciado una reducción de las emisiones y un ahorro para los usuarios.Abstract
The energy transition is a change that is taking place around the world,
migrating from the use of fossil fuels to renewable energy. The largest applicant
for petroleum derivatives in our country is the transportation sector, feeding
99.81% of this sector. This research addresses an analysis of sustainability
and the environmental impact of emissions in the particular case of replacing
gasoline with natural gas.
Vehicle Natural Gas (NGV) has proven to be a key player in the shift towards
a low-carbon economy and a more sustainable energy system that, despite
being of fossil origin, is a cleaner fuel, compared to gasoline and gasoline.
Diesel, added to this, the savings in the cost of use saves 57% of the operating
costs to date.
The public transport sector without a fixed itinerary is extremely attractive to
undergo a fuel change, since the vehicle fleet continues to increase, 1091 units
only from 2017 to 2018 and more importantly, they have a longer daily route
compared to the private sector, furthermore, for legislative reasons, these units
must not be more than 10 years old.
In Mexico, there are already vehicles operating with dual fuel system, being fed
with NGV, as is the case of Mexico City, Monterrey, Guadalajara and Puebla,
which have been acquired with attractive financial plans for dealers, which has
led to a reduction emissions and savings for users
Evaluación ambiental de un sistema de tratamiento de agua salobre por nanofiltración y energía solar en samalayuca, chihuahua
Get PDFRESUMEN
La localidad de Samalayuca, Chihuahua, se caracteriza por ser una región árida con una precipitación anual de 257 mm. En algunas partes de esta zona, la extracción de agua se realiza de forma individual o familiar y en algunos casos, excede los límites permisibles en las normas existentes comprometiendo su viabilidad para irrigación agrícola y para consumo humano. Aunado a esto, para algunos habitantes de esta localidad, el acceso al agua es por medio de camiones cisterna, lo que da cuenta del problema de disponibilidad hídrica local. Actualmente, las tecnologías de desalinización con energías renovables pueden ayudar a aumentar la disponibilidad hídrica en zonas alejadas de la red eléctrica o hidráulica, específicamente, los sistemas de tratamiento por membrana impulsados con fuentes de energías limpias, como la solar fotovoltaica (FV).
En este trabajo, se realiza la evaluación del impacto ambiental por medio del análisis de ciclo de vida (ACV), de un sistema de tratamiento de agua salobre por nanofiltración y energía solar fotovoltaica (NF-FV) instalado en Samalayuca, Chihuahua. El desarrollo del ACV se realiza conforme a las fases establecidas por la Organización Internacional de Normalización, la ISO 14040 e ISO 14044 y se utiliza el software SimaPro® versión 8.0.4.30.
Se evalúan las cargas ambientales generadas por el sistema de nanofiltración bajo tres diferentes modelos de producción de electricidad: mix eléctrico 2018, mix eléctrico 2032 y 100% energía solar (fotovoltaica). Así mismo, se comparan los impactos ambientales generados considerando un tiempo de vida útil para las membranas de: 6 meses (peor escenario), 2 y 4 años. Se evalúa el impacto ambiental cuando se considera un tratamiento químico para las membranas, aplicado cada 6 meses, pero sin realizar un reemplazo de las mismas. Por último, se cuantifica la demanda energética acumulada durante el ciclo de vida del sistema NF-FV.
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En la evaluación de ciclo de vida se contempla la etapa de construcción y operación del sistema NF-FV. Los flujos de entrada y salida (inputs-outputs) se obtuvieron durante el diseño, la simulación y un estudio de campo del sistema desalinizador, dicha información se adaptó a la base de datos de Ecoinvent versión 3.5 (2018). Para la evaluación de los impactos se utilizó el método ReCiPe, con factores de caracterización a escala global y, para evaluar el consumo o la demanda de energía acumulada se eligió el método Cumulative Energy Demand (CED).
Los resultados indicaron que, cuando la energía proviene de la quema de combustibles fósiles, las emisiones por la etapa de operación son significativas en todas las categorías de impacto evaluadas, sobre todo en la categoría de cambio climático. Sin embargo, si el sistema NF opera con energía proveniente de una fuente limpia, el impacto ambiental se reduce significativamente.
Considerar una vida útil para las membranas a 2 años y 4 años genera menores emisiones en la categoría de agotamiento de ozono, en comparación con una vida útil de 6 meses, resultado de la emisión de clorofluorocarbonos (CFC), gases responsables de la destrucción de la capa de ozono. El tratamiento químico para las membranas (sin reemplazo de éstas) genera emisiones en la categoría de cambio climático.
La demanda de energía acumulada durante el ciclo de vida del sistema NF-FV proviene de la etapa de operación, esta etapa demanda la mayor cantidad de energía primaria proveniente de la energía solar.ABSTRACT
The town of Samalayuca, Chihuahua, is characterized by being and arid region with an annual rainfall of 257 mm. In some parts of this area, water extraction is carried out individually or in a family manner and in some cases, it exceeds the permissible limits in existing standards, compromising its viability for agricultural irrigation and for human consumption. In addition to this, for some inhabitants of this town, access to water is through tank trucks, which accounts for the problem of local water availability. Currently, renewable energy desalination technologies can help increase water availability in areas far from the electrical or hydraulic network, specifically, membrane treatment systems powered by clean energy sources, such as solar energy by photovoltaic system (PV).
In this work, the environmental impact assessment is carried out through the Life Cycle Assessment (LCA) of a brackish water treatment system by nanofiltration and photovoltaic solar energy (NF-PV) installed in Samalayuca. LCA development is carried out according to the phases established by the International Organization for Standardization, ISO 14040 and ISO 14044 and the SimaPro® software tool version 8.04.30 is used.
The evaluation compares the environmental loads generated by the nanofiltration system under three different models of electricity production: electric mix 2018, electric mix 2032 and 100% solar energy (PV). Likewise, the generated environmental impact is compared when considering a useful lifetime for membranes of 6 months (worst case scenario), 2 and 4 years. The impact is evaluated by considering as an option a chemical treatment for the membranes every 6 months, without replacing them. Finally, the accumulated energy demand during the life cycle of the system is quantified.
The evaluation includes the stage of construction and operation of the NF-PV system. The input and output flows were obtained based on the data during the
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design, simulation and experimental tests of the system. The information was adapted to the Ecoinvent database version 3.5 (2018). For the impact assessment, the ReCiPe method was used with characterization factors on a global scale and to the assess the consumption or demand for accumulated energy, the Cumulative Energy Demand (CED) method was chosen.
The results indicated that when energy comes from the burning of fossil fuels, emissions from the operating stage are significant in all selected impact categories, especially in climate change. If the NF system operates with energy from a clean source, the environmental impact is significantly reduced. To consider a useful life for the membranes of 2 and 4 years generates lower emissions in ozone depletion category, in comparison with a useful life of 6 months, resulting from the emission of chlorofluorocarbons (CFCs), these gases are responsible for the destruction of the ozone layer. The chemical treatment for membranes without replacing them generates high emissions in climate change category
Evaluación del perfil horario anual de la reducción de emisiones de CO2 de la central de Ciclo Combinado Agua Prieta II por efecto del acoplamiento de un campo termo-solar con concentradores cilindro-parabólicos
Get PDFLa energía eléctrica es un insumo primordial para la realización de procesos productivos de una nación, el grado de desarrollo de un país está estrechamente relacionado la disponibilidad de energía y del aprovechamiento eficiente de la misma es por ello que se hemos migrado hacia formas más eficientes de conversión de energía. En México cerca del 50% de la energía que se consume anualmente es producida en plantas de potencia de tipo Ciclo Combinado, debido a que es una de las tecnologías de generación de electricidad más eficientes que existen en la actualidad.
La eficiencia de una central de Ciclo Combinado está ligada directamente a la temperatura del aire que ingresa a la turbina de gas de la misma. Se espera que por cada grado en que la temperatura ambiente se incremente por encima de los 15 grados centígrados la eficiencia de la turbina de gas de la central se vea disminuida en un 0.1117%; este efecto tiene un impacto negativo en la cantidad de energía que genera la central y aumenta los costos de producción de energía eléctrica. Existen distintos sistemas de incremento de potencia para las centrales de Ciclo Combinado, entre ellos existen sistemas de recalentamiento de gases por la quema directa de gas natural, sistemas de enfriamiento del aire que ingresa a la turbina de gas, y sistemas termo-solares que aprovechan la disponibilidad de radiación solar para suministrar energía térmica a la central. Actualmente México cuenta con la central de Ciclo Combinado Agua Prieta II que integra una planta termo-solar para incrementar la cantidad de vapor de media presión que ingresa al Ciclo Rankine de la central con ello se logra incrementar la cantidad de electricidad que es despachada por unidad de tiempo.
En el presente estudio se realiza una evaluación técnica de la operación de la planta termo-solar acoplada a la central de Ciclo Combinado Agua Prieta II mediante la simulación en el software Aspen HYSYS®. Se realizó un modelo termodinámico que representa la operación de la central, operando de acuerdo a su documento de licitación. De acuerdo a la base de datos de la NASA para el recurso solar disponible en el sitio de la central Agua Prieta II se desarrolló un modelo que representa la radiación disponible, así como el perfil de la temperatura ambiente, en función del tiempo horario. Para ello se caracterizó el campo termo-solar instalado en la central y el calor que este suministra en función de la radiación incidente en los paneles termo-solares.
Los resultados del presente estudio muestran la generación de electricidad que se genera en la central de Ciclo Combinado Agua Prieta II debido a la operación de la planta termo-solar que tiene acoplada durante un periodo igual a un año, y el efecto de la reducción en las emisiones de CO2 se comparó contra la operación de la misma central operando sin la planta termo-solar y una planta solar-fotovoltaica con la misma disponibilidad de radiación que la planta termo-solar actual
Metodología para la comparación de impactos en los objetivos de desarrollo sustentables para edificaciones
Get PDFLas proyecciones hechas a futuro sobre el crecimiento exponencial de la población, se crea una demanda por edificaciones sustentables y energéticamente eficientes, ya que el crecimiento de las ciudades genera cambios demográficos, incremento en la demanda de energía, uso de agua y suelo, así como recursos naturales y afectaciones a los ecosistemas colindantes. Sabiendo además que el 98% de los edificios en donde estos cambios van a ocurrir, la opción más factible para llegar a ese futuro es adaptar estos edificios de forma en que puedan cumplir los estándares de sustentabilidad, especialmente en los ámbitos de energía y agua. En este trabajo se propone una primera aproximación simulando tres escenarios de algunos indicadores de valor para evaluar los cambios que se podrían realizar en edificaciones para cumplir con los Objetivos de Desarrollo Sustentable.With the projections made on the exponential growth of the population, a demand for sustainable, energy-efficient buildings is being created, since the growth of cities generates demographic changes, an increase in the demand for energy, use of water and land, as well as natural resources and effects on neighboring ecosystems. Knowing also that 98% of the buildings where these changes will occur already exist, the most feasible option is to adapt these buildings so that they can meet sustainability standards, especially in the areas of energy and water. A first approximation is considered simulating three scenarios of some value indicators to evaluate the changes that could be made to meet the Sustainable Development Goals
Análisis de la disminución de emisiones de CO2 en el acondicionamiento de un espacio con un sistema pasivo
Get PDFEn el contexto global de la dependencia de fuentes de energía fósil en el modelo energético actual, la electricidad desempeña un papel fundamental en el crecimiento y desarrollo de las ciudades. Derivado del consumo excesivo de estas fuentes, se genera la presencia de fenómenos como el Cambio Climático, evidenciando así el uso generalizado de sistemas de climatización en edificaciones durante la temporada de verano en áreas geográficas con climas tropicales y cálidos.
El trabajo presenta un estudio comparativo anual de los impactos ambientales de dos sistemas de climatización en un espacio construido previamente: un sistema activo y un sistema pasivo. El estudio se llevó a cabo mediante la simulación de procesos sustentables utilizando el software TRNSYS® y también se evaluaron los indicadores de Calentamiento Global, Agotamiento de la Capa de Ozono y Agotamiento de combustibles fósiles, por mencionar a algunos, utilizando la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) en el software OpenLCA. Los resultados demuestran una reducción de los impactos ambientales mediante el uso de elementos pasivos en comparación con el uso de dos aires acondicionados y su consumo eléctrico, evitando una huella de carbono de un 98% en su etapa de construcción y hasta en un 100% en su etapa de operación.
Este estudio contribuye al conocimiento sobre la importancia de implementar estrategias de climatización pasiva en edificaciones existentes como una alternativa sostenible y de bajo impacto ambiental. Los hallazgos respaldan la necesidad de promover soluciones más eficientes y respetuosas con el medio ambiente en el sector de la climatización, en línea con la transición hacia un modelo energético más sostenible y la mitigación del Cambio Climático.In the global context of dependence on fossil fuel energy sources in the current energy model, electricity plays a crucial role in the growth and development of cities. This is evident in the widespread use of air conditioning systems in buildings during the summer season in areas with tropical and warm climates.
This work presents an annual comparative study of the environmental impacts of two cooling systems in a pre-existing space: the active system and the passive system. The study was carried out through the simulation of sustainable processes using the TRNSYS® software, and various indicators such as Global Warming Potential (GWP100a), Ozone Depletion Potential, and Fossil Fuel Depletion were evaluated using the Life Cycle Assessment (LCA) methodology in the OpenLCA software. The results demonstrate a reduction in environmental impacts through the use of passive elements compared to the use of two air conditioning units and their electricity consumption, avoiding a carbon footprint of 98% during its construction stage and up to 100% during its operational stage
This study contributes to the understanding of the importance of implementing passive cooling strategies in existing buildings as a sustainable and low-impact alternative. The findings support the need to promote more efficient and environmentally-friendly solutions in the cooling sector, in line with the transition towards a more sustainable energy model and the mitigation of Climate Change
Comparison of Scenarios for the Mexican Electricity System for 2050 Energy Transition Law Objectives—Pre COVID-19 Analysis
Get PDFIn recent years, the reports presented on climate change and its consequences highlight the need to create public policy agendas that address the problem of adaptation and mitigation of anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. Globally, the energy sector is responsible for a significant percentage of GHG emissions, while it is one of the most important sector for economic growth. In particular, the electricity sector in Mexico relies heavily on fossil fuels for electricity generation. This problem has made it essential to design plans and policies that contribute to GHG mitigation. The General Law on Climate Change, whose objective is to determine the guidelines towards a low-carbon economy, has established a goal of reducing emissions by 50% by 2050 concerning the baseline from the year 2000 and proposes to produce 50% of electricity with clean energy by 2050 following the Mexican Energy Transition Law. For this reason, the challenge is to design and develop an environmentally sustainable energy model for the National Electric System (NES). Different scenarios are defined and evaluated considering six probable growing electricity demands, as well as mature technologies considering the potential of renewable resources in Mexico, fossil fuel reserves, efficiencies of each technology, investment costs, operation costs, and maintenance costs along with the price of the fuels. The results showed that it is possible to reduce about 50% of the emissions from the electricity sector by 2050 considering a scenario of low population growth and a yearly per capita consumption of 2.0 MWh, as well as a diversification of the electricity generation matrix
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