Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo

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Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril-junio 2015: 253-264
ISSN 1405-7743 FI-UNAM
(artículo arbitrado)
doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.riit.2015.03.009
Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo
combinado con planta solar de canal parabólico
Study of Different Configurations of ISCC Parabolic Through
Durán-García María Dolores
Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma del Estado de México
Correo: [email protected]
Almanza-Salgado Rafael
Instituto de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México
Correo: [email protected]
Martínez-Cienfuegos Ivan Galileo
Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma del Estado de México
Correo: [email protected]
Información del artículo: recibido: diciembre de 2013, reevaluado: enero y marzo 2014, aceptado: abril 2014
Resumen
Este trabajo presenta el estudio del acoplamiento de una planta solar con
Œ’Œ•˜ȱ Œ˜–‹’—Š˜ǯȱ Žȱ Žœž’Š—ȱ ’Ž›Ž—Žœȱ Œ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—Žœȱ Œ˜—œ’Ž›Š—˜ȱ •Šȱ
planta solar como el economizador o el sobrecalentador de la caldera de recuperación de calor. El objetivo es obtener el diseño óptimo, desde el punto
de vista termoeconómico de la caldera, incluyendo la planta solar, determinando los parámetros de diseño optimizados para ambos sistemas. Se aplica
ž—Šȱ–Ž˜˜•˜ÇŠȱŽ–™•ŽŠŠȱŽ—ȱ›Š‹Š“˜œȱ™›ŽŸ’˜œȱ™Š›Šȱ•Šȱ˜™’–’£ŠŒ’à—ȱŽȱŒ’clos combinados, pero incluyendo ahora la planta solar. Asimismo, se realiza un análisis de sensibilidad con respecto a la variación de radiación solar,
˜–Š—˜ȱž—ȱÇŠȱ™›˜–Ž’˜ȱŽ•ȱ–ŽœȱŽȱ–Š¢˜ǯȱ˜–˜ȱ›Žœž•Š˜ȱœŽȱ˜‹’Ž—ŽȱŽ•ȱ
›Ž—’–’Ž—˜ȱ¢ȱŒ˜œ˜ȱà™’–˜œȱŽȱ•ŠœȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—ŽœȱŠ—Š•’£ŠŠœǯȱȱ
Descriptores:
‡ SODQWDGHFDQDOSDUDEyOLFR
‡ SODQWDVRODULQWHJUDGDDXQ
FLFORFRPELQDGR
‡ DQiOLVLVWHUPRHFRQyPLFR
Abstract
This paper presents the study of the coupling of a solar plant with a combined cycle.
’쎛Ž—ȱŒ˜—ꐞ›Š’˜—œȱŠ›ŽȱŠ—Š•¢£ŽȱŒ˜—œ’Ž›’—ȱ‘Žȱœ˜•Š›ȱ™•Š—ȱŠœȱŽŒ˜—˜–’£Ž›ȱ˜›ȱ
superheated boiler with heat recovery. The goal is to obtain the thermoeconomic op’–Š•ȱŽœ’—ȱ˜ȱ‘Žȱ‹˜’•Ž›ǰȱ’—Œ•ž’—ȱ‘Žȱœ˜•Š›ȱ™•Š—ǰȱœ˜ȱŽŽ›–’—’—ȱ‘Žȱ˜™’–’£Žȱ
design parameters for both systems. The methodology used in previous papers to
˜™’–’£Žȱ‘ŽȱŒ˜–‹’—ŽȱŒ¢Œ•Žȱ ŠœȱžœŽǰȱ‹žȱ—˜ ȱ’—Œ•ž’—ȱ‘Žȱœ˜•Š›ȱ™•Š—ǯȱ•œ˜ǰȱŠȱ
sensitivity analysis with respect to the variation of solar radiation is conducted, tak’—ȱ‘ŽȱŠŸŽ›ŠŽȱŠ¢ȱ˜ȱŠ¢ǯȱœȱŠȱ›Žœž•ǰȱ‘Žȱ‹Žœȱ™Ž›˜›–Š—ŒŽȱŠ—ȱŒ˜œȱ˜ȱ‘Žȱ˜‹Š’—Žȱ
Œ˜—ꐞ›Š’˜—œȱ’œȱŠ—Š•¢£Žǯ
Keywords:
‡ integrated solar combined
cycle plant
‡ parabolic trough plant
‡ thermoeconomic analysis
Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo combinado con planta solar de canal parabólico
Introducción
Šȱ Ž•ŽŒ›’Œ’Šȱ Ž—Ž›ŠŠȱ Šȱ ™Š›’›ȱ Žȱ Ž—Ž›ÇŠȱ œ˜•Š›Ȭ·›mica (Solar Thermal Electricityǰȱ Ǽȱ Žœȱ ž—Šȱ ŽŒ—˜•˜ÇŠȱ
probada con más de 30 años de experiencia esperando
šžŽȱœŽŠȱŒ˜–™Ž’’ŸŠȱŒ˜—ȱ•ŠœȱŒŽ—›Š•Žœȱ·›–’ŒŠœȱŽȱŒ˜–bustible fósil para el 2020 (Llorente et al., 2011; IEA,
ŘŖŗŗǼǯȱœŠȱŽŒ—˜•˜ÇŠȱŽœ¤ȱ’œ™˜—’‹•Žȱ™›’—Œ’™Š•–Ž—ŽȱŠȱ
™Š›’›ȱ Žȱ ™•Š—Šœȱ ’™˜ȱ ȱ ǻConcentrating Solar Power)
’—œŠ•ŠŠœȱŽ—ȱ›Ž’˜—Žœȱ¤›’Šœȱ˜ȱœŽ–’Ȭ¤›’Šœǯ
ŒžŠ•–Ž—ŽȱŽ¡’œŽ—ȱŒžŠ›˜ȱŽŒ—˜•˜ÇŠœȱŒ˜–Ž›Œ’Š•Žœȱ
’œ™˜—’‹•Žœȱ Žȱ œ’œŽ–Šœȱ Žȱ Œ˜—ŒŽ—›ŠŒ’à—ȱ œ˜•Š›ȱ ǻǼDzȱ
dos de ellas, el canal parabólico y el concentrador Fresnel linearȱ›ŽĚŽ“Š—ȱ•Šȱ›Š’ŠŒ’à—ȱœ˜•Š›ȱ‘ŠŒ’Šȱž—ȱŒ˜—ŒŽ—›Šdor lineal, mientras que las otras dos la concentran en
un punto.
ȱꗊ•ŽœȱŽȱŘŖŗŖǰȱ‘Š‹ÇŠȱŗřŗŞȱȱŽȱŒŠ™ŠŒ’Šȱ’—œȬ
Š•ŠŠȱŠŒž–ž•ŠŠȱŽȱȱŽ—ȱ˜˜ȱŽ•ȱ–ž—˜ǯȱ
ŠœŠȱŽœŽȱ
ŠÛ˜ǰȱ œ™ŠÛŠȱ žŽȱ Ž•ȱ •ÇŽ›ȱ –ž—’Š•ȱ Ž—ȱ ’—œŠ•ŠŒ’˜—Žœȱ Ž›–˜œ˜•Š›Žœǰȱ Œ˜—ȱ ŚśŖȱ ȱ Žȱ ŒŠ™ŠŒ’Šȱ Š’Œ’˜—Š•ǰȱ ŠŒžmulando 55.4% de la capacidad instalada en todo el
–ž—˜ǯȱ’Ž—›ŠœȱŠ—˜ǰȱœŠ˜œȱ—’˜œȱŠÛŠ’àȱŝŞȱȱ
Žȱ™˜Ž—Œ’Šȱǰȱ™Š›Šȱž—ȱ˜Š•ȱŽȱřŞǯśƖȱŽȱ•ŠȱŒŠ™ŠŒ’Šȱ
ŠŒž–ž•ŠŠȱ –ž—’Š•ǰȱ –’Ž—›Šœȱ šžŽȱ ˜›˜œȱ ™ŠÇœŽœȱ Œ˜–˜DZȱ
Irán (5.0%), Israel (0.5%), Australia (0.2%) y Alemania
ǻŖǯŗƖǼȱ “ž—˜œȱ œž–Š›˜—ȱ ž—ȱ ™˜›ŒŽ—Š“Žȱ –Ž—˜›ȱ ǻǯǯȱ ǰȱ
2011).
Šȱ ŽŒ—˜•˜ÇŠȱ ȱ Ž•ȱ ’™˜ȱ ŒŠ—Š•ȱ ™Š›Š‹à•’Œ˜ȱ Žœȱ •Šȱ
única que ha demostrado su funcionamiento comercial
Šȱ•Š›˜ȱ™•Š£˜ǰȱŽœ˜ȱœŽȱŽ‹ŽȱŠȱœžȱŒ˜›˜ȱ’Ž–™˜ȱŽȱ™žŽœŠȱ
Ž—ȱ –Š›Œ‘Šȱ ¢ȱ ›Š—ȱ ’Ž–™˜ȱ Žȱ ˜™Ž›ŠŒ’à—ȱ ǻ–¤œȱ Žȱ řŖȱ
años). Actualmente existen alrededor de 29 plantas en
˜™Ž›ŠŒ’à—ȱ¢ȱ–¤œȱŽȱŗŘŘŖȱŽȱ’—œŠ•Š˜œǰȱ•˜ȱšžŽȱŒ˜››ŽœȬ
™˜—ŽȱŠȱşŜƖȱŽ•ȱ˜Š•ȱŽȱœ’œŽ–Šœȱȱ’—œŠ•Š˜œȱǻ˜rente et al., 2011).
œÇȱ™žŽœǰȱŽ•ȱ™˜Ž—Œ’Š•ȱŽȱ•˜œȱǰȱ™›’—Œ’™Š•–Ž—ŽȱŽȱ
ŒŠ—Š•ȱ™Š›Š‹à•’Œ˜ȱ¢ȱ˜››ŽȱŒŽ—›Š•ǰȱŽœȱ–ž¢ȱ›Š—Žȱ¢ȱœŽȱ’ŽȬ
ne la expectativa de que su capacidad instalada se incremente considerablemente en los próximos años,
Ž‹’˜ȱ Šȱ •Šȱ ’œ–’—žŒ’à—ȱ Žȱ ™›ŽŒ’˜œǯȱ Žȱ ŠŒžŽ›˜ȱ Œ˜—ȱ
Ȭȱ Žȱ ȱ ǻŘŖŗřǼǰȱ œŽȱ Žœ™Ž›Šȱ šžŽȱ ™Š›Šȱ ŘŖŗśǰȱ
Ž›’ŸŠ˜ȱŽȱ•˜œȱŽœŠ››˜••˜œȱŽŒ—˜•à’Œ˜œȱ¢ȱ•ŠȱŽŒ˜—˜–ÇŠȱ
ŽȱŽœŒŠ•ŠǰȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱŒ˜—ȱŽœŽȱ’™˜ȱŽȱŽŒ—˜•˜ÇŠœȱ’œ–’—ž¢ŠȱŗśƖǰȱ¢ȱ™Š›ŠȱŽ•ȱŘŖŘŖȱ™˜›ÇŠȱ’œ–’—ž’›ȱ
Ž—›ŽȱřŖȱ¢ȱśŖƖǯȱœŽȱ–’œ–˜ȱ›Ž™˜›Žȱœž’Ž›ŽȱšžŽȱŽ•ȱ·¡’˜ȱ
Žȱ•˜œȱœ’œŽ–ŠœȱȱœŽȱŸŽ›¤ȱœž–Š–Ž—ŽȱŠ™˜¢Š˜ȱŒ˜—ȱ•Šȱ
‘’‹›’ŠŒ’à—ȱŽȱŽœ˜œȱŒ˜—ȱ™•Š—Šœȱ·›–’ŒŠœȱšžŽȱŽ–™•ŽŠ—ȱ
combustibles fósiles, particularmente ciclo combinado
Œ˜—ȱž›‹’—ŠȱŽȱŠœȱ¢ȱŽȱŸŠ™˜›ȱǻŒ˜—˜Œ’˜œȱŒ˜–˜ȱǼǰȱ
Œ˜–˜ȱŽ•ȱšžŽȱœŽȱ™›ŽœŽ—ŠȱŽ—ȱŽœŽȱ›Š‹Š“˜ǯȱ˜›ȱœžȱ™Š›ŽǰȱŽ•ȱ
ȱǻŘŖŖŜǼǰȱŽ—ȱœžȱ™›˜›Š–Šȱ˜™Ž›ŠŒ’˜—Š•ȱ’—Œ•ž¢Žȱ•ŠȱŽmostración de la viabilidad de estos sistemas con la in-
254
œŠ•ŠŒ’à—ȱŽȱž—Šȱ™•Š—ŠȱŒ˜—ȱřŗȱœ˜•Š›Žœȱ¢ȱśřŖȱŽȱ
Œ’Œ•˜ȱ Œ˜–‹’—Š˜ȱ Ž—ȱ •Šȱ ›Ž’à—ȱ ŽȱžŠȱ ›’ŽŠǰȱ ˜—˜›Šǰȱ
·¡’Œ˜ǯ
˜—ȱ›Žœ™ŽŒ˜ȱŠȱ•Šȱ‘’‹›’ŠŒ’à—ȱŽȱœ’œŽ–ŠœȱŒ˜—ȱ™•Š—Šœȱ ·›–’ŒŠœȱ Žȱ Œ˜–‹žœ’‹•Žœȱ àœ’•Žœǰȱ œŽȱ ›ŽŠ•’£Š›˜—ȱ ’ŸŽ›œŠœȱ’—ŸŽœ’ŠŒ’˜—Žœȱǻ˜—Žœȱet al.ǰȱŘŖŗŗDzȱŽ£Š––Š‘Š••Ž‘ȱ
et al., 2010) sobre la combinación de plantas solares con
Œ’Œ•˜ȱŒ˜–‹’—Š˜ȱǻǼǰȱ•ŠœȱŒžŠ•ŽœȱŽ–™•ŽŠ—ȱ•ŠȱŽ—Ž›ÇŠȱ
œ˜•Š›ȱŒ˜–˜ȱŽ—Ž›ÇŠȱœž™•Ž–Ž—Š›’ŠȱŠȱ•ŠȱšžŽȱ™›˜Ÿ’Ž—ŽȱŽȱ
•Šȱž›‹’—ŠȱŽȱŠœDzȱŽœ˜ȱ™Ž›–’Žȱž—ȱ’—Œ›Ž–Ž—˜ȱŽȱ•Šȱ™˜Ž—Œ’Šȱ Ž—Ž›ŠŠȱ ™˜›ȱ •Šȱ ž›‹’—Šȱ Žȱ ŸŠ™˜›ǰȱ ¢ȱ ž—Šȱ Œ˜–pensación de la disminución del rendimiento de la
ž›‹’—Šȱ Žȱ Šœȱ ‹Š“˜ȱ Œ’Ž›Šœȱ Œ˜—’Œ’˜—Žœȱ Š–‹’Ž—Š•Žœȱ
ǻŠ•·œȱet al.,ȱŘŖŖŜŠǼǯȱ—ȱ•Šȱ–Š¢˜›ÇŠȱŽȱ•ŠœȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜nes propuestas el campo de canal parabólico se puede
utilizar como el economizador de la caldera de recupe›ŠŒ’à—ȱŽȱŒŠ•˜›ȱǻ˜—ŽœǰȱŘŖŖŞǼǯ
Tomando los trabajos mencionados como precedenŽǰȱŽ•ȱ˜‹“Ž’Ÿ˜ȱŽȱŽœŽȱŠ›ÇŒž•˜ȱŽœȱ™›ŽœŽ—Š›ȱž—ȱŠ—¤•’œ’œȱŽȱ
’Ž›Ž—ŽœȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—ŽœȱŽȱ™•Š—ŠœȱŽȱŒŠ—Š•ȱ™Š›Š‹àlico con generación directa de vaporȱǻǼȱ’—Ž›ŠŠœȱŒ˜—ȱ
ciclo combinado.
‘˜›Šȱ‹’Ž—ǰȱœŽȱ™›˜™˜—Žȱ•ŠȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱ’›ŽŒŠȱŽȱŸŠpor porque se considerará al campo solar como el economizador o el sobrecalentador de la planta, por lo que
—˜ȱ‘Š‹›¤ȱ̞“˜ȱ‹’¤œ’Œ˜ȱŽ—ȱŽ•ȱŠ‹œ˜›‹Ž˜›ȱŽ•ȱŒ˜—ŒŽ—›Šdor. Además, existen varios trabajos que han estudiado
•ŠȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱ’›ŽŒŠȱŽȱŸŠ™˜›ȱǻŽ—ĵȱ¢ȱ•–Š—£ŠǰȱŘŖŖŜDzȱ
Zarza, 2006), que muestran que esta es factible tanto a
‹Š“Šȱ Œ˜–˜ȱ Šȱ Š•Šȱ ™›Žœ’à—ǯȱ Š–‹’·—ȱ Žœ¤ȱ Ž•ȱ Žȱ ˜—Žœȱ
ǻŘŖŖŞǼǰȱŽ—ȱŽ•ȱŒžŠ•ȱœŽȱŒ˜–™Š›ŠȱŽ•ȱŽœŽ–™ŽÛ˜ȱŽȱž—Šȱ™•Š—Šȱœ˜•Š›ȱȱŒ˜—ȱŠšžŽ••ŠȱšžŽȱž’•’£ŠȱŠŒŽ’Žȱ‘Ž›–’—˜•ȱ
ȬŗȱŒ˜–˜ȱ̞’˜ȱŽȱ›Š‹Š“˜ǰȱŒ˜—Œ•ž¢Ž—˜ȱšžŽȱ•Šȱȱ
™›ŽœŽ—Šȱž—ȱ–Š¢˜›ȱ›Ž—’–’Ž—˜ȱŽ—Ž›·’Œ˜ȱ¢ȱŽ¡Ž›·’Œ˜ȱ
porque no requiere un intercambiador de calor.
—ȱŒžŠ—˜ȱŠ•ȱŠ—¤•’œ’œȱ·›–’Œ˜ȱŽȱ•Šȱ™•Š—Šȱœ˜•Š›ǰȱ’œtintos trabajos lo realizan, como el de Bakos et al. (2001),
que muestran la variación del rendimiento del colector
™Š›Š‹à•’Œ˜ȱŒ˜–˜ȱž—Œ’à—ȱŽ•ȱ̞’˜ȱŽȱ›Š—œŽ›Ž—Œ’ŠȱŽȱ
ŒŠ•˜›ǯȱœ’–’œ–˜ǰȱŽ•ȱŽȱ¢Š’ȱet al.ȱǻŘŖŖŝǼȱšžŽȱŽœ¤ȱ›Ž•ŠŒ’˜—Š˜ȱŒ˜—ȱŽ•ȱŠ—¤•’œ’œȱ™˜›ȱœŽž—Šȱ•Ž¢ȱŽȱŽœŽȱ’™˜ȱŽȱ
œ’œŽ–Šœǯȱ’—ȱŽ–‹Š›˜ǰȱŽ¡’œŽ—ȱ™˜Œ˜œȱ›Š‹Š“˜œȱ›Ž•ŠŒ’˜—Šdos con el análisis termoeconómico y la optimización
Žȱ•˜œȱ–’œ–˜œȱǻŠ‘Ž›—Ž“Šȱ¢ȱŠ‘˜ž‹’ǰȱŘŖŗŗǼǯȱ˜›ȱŽœŠȱ
›Š£à—ȱœŽȱŽ•’’àȱ›ŽŠ•’£Š›ȱŽœŽȱŠ—¤•’œ’œǰȱŒ˜—œ’Ž›Š—˜ȱŠŽ–¤œȱšžŽȱŽ—ȱ›Š‹Š“˜œȱ™›ŽŸ’˜œȱǻŠ•·œȱet alǯǰȱŘŖŖřDzȱȱž›¤—ȱ
et al., 2013) se ha realizado este tipo de análisis a otros
sistemas y se han obtenido resultados más realistas.
—ȱ›Š‹Š“˜œȱ™›ŽŸ’˜œȱ›ŽŠ•’£Š˜œȱ™˜›ȱ•˜œȱŠž˜›Žœȱǻžrán, 2004), se desarrolló un modelo de optimización ter–˜ŽŒ˜—à–’ŒŠȱŒ˜—ȱŠ•˜›’–˜œȱŽ—·’Œ˜œȱšžŽȱœŽȱŠ™•’ŒàȱŠȱ
plantas de ciclo combinadoȱǻǼǰȱ™˜›ȱ•˜ȱšžŽȱœŽȱ™›˜™˜—Žȱ
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
Durán-García María Dolores, Almanza-Salgado Rafael, Martínez-Cienfuegos Ivan Galileo
aplicar este mismo modelo a la planta de ciclo combina˜ǰȱ’—Ž›ŠŠȱŒ˜—ȱ•Šȱ™•Š—Šȱœ˜•Š›ǯ
Desarrollo
'HVFULSFLyQ\SDUiPHWURVGHODSODQWDVRODU
LQWHJUDGDFRQFLFORFRPELQDGR
DescripciónDZȱ Ž—ȱ ŽœŽȱ ›Š‹Š“˜ȱ œŽȱ ›ŽŠ•’£Šȱ Ž•ȱ Š—¤•’œ’œȱ Žȱ
’Ž›Ž—ŽœȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—ŽœȱŽȱ™•Š—ŠœȱŽȱŒŠ—Š•ȱ™Š›Š‹à•’Œ˜ȱ ’—Ž›ŠŠœȱ Œ˜—ȱ ž—ȱ Œ’Œ•˜ȱ Œ˜–‹’—Š˜ȱ ǻǰȱ Integrated Systems with Combined Cycle). Estas plantas
constan de un ciclo combinado común pero incluyen
una planta solar que sustituye a una sección de la calŽ›ŠǰȱŒ˜—œŠȱŽȱ•˜œȱœ’ž’Ž—ŽœȱŽ•Ž–Ž—˜œDZ
Turbina de gasDZȱ›Š—œ˜›–Šȱ•ŠȱŽ—Ž›ÇŠȱ·›–’ŒŠȱŽȱ•˜œȱ
ŠœŽœȱ šžŽȱ ’—›ŽœŠ—ȱ Šȱ Š•Šȱ Ž–™Ž›Šž›Šȱ ¢ȱ Š•Šȱ ™›Žœ’à—ȱ
provenientes de la cámara de combustión en trabajo.
˜œȱŠœŽœȱŽȱŽœŒŠ™ŽȱŽȱŽœŽȱŽ•Ž–Ž—˜ȱŠø—ȱ’Ž—Ž—ȱœžęŒ’Ž—ŽȱŽ—Š•™ÇŠȱšžŽȱ™žŽŽȱœŽ›ȱŠ™›˜ŸŽŒ‘ŠŠȱŽ—ȱž—ȱŒ’Œ•˜ȱ
de baja temperatura (ciclo de vapor).
Caldera de recuperación de calorDZȱ Žœȱ Ž•ȱ Ž•Ž–Ž—˜ȱ Žȱ
ž—’à—ȱŽ—›ŽȱŽ•ȱŒ’Œ•˜ȱŽȱŠœȱ¢ȱŽȱŸŠ™˜›ǰȱŽœȱŽ•ȱŽ—ŒŠ›Š˜ȱ
Žȱ›ŽŒž™Ž›Š›ȱ•ŠȱŽ—Ž›ÇŠȱ·›–’ŒŠȱŽȱ•˜œȱŠœŽœȱ™›˜ŸŽ—’Ž—ŽœȱŽȱ•Šȱž›‹’—ŠȱŽȱŠœȱ™Š›Šȱ™›˜žŒ’›ȱ ŸŠ™˜›ǯȱ ˜—œŠȱ Žȱ ›Žœȱ œŽŒŒ’˜—Žœȱ
™˜›ȱŒŠŠȱ—’ŸŽ•ȱŽȱ™›Žœ’à—DZ
Ȋȱ
Ȋȱ
Ȋȱ
Œ˜—˜–’£Š˜›ȱǻǼ. En esta secŒ’à—ȱ Ž•ȱ ŠžŠȱ œŽȱ ŒŠ•’Ž—Šȱ ‘ŠœŠȱ
ž—˜œȱ ›Š˜œȱ ǻ™™›˜ŠŒ‘ȱ ˜’—)
menos que el punto de saturación a la presión de trabajo de la
ŒŠ•Ž›ŠǯȱŠ›ŠȱȱŽȱ˜œȱ—’ŸŽles de presión se suele tener
uno o dos economizadores por
cada nivel de presión.
ŸŠ™˜›Š˜›ȱ ǻǼ. En esta sección de la caldera presenta el
cambio de fase y se lleva al
ŠžŠȱ ŽœŽȱ •Çšž’˜ȱ œŠž›Š˜ȱ
hasta vapor saturado a la presión nominal. Se suele tener un
evaporador por cada nivel de
™›Žœ’à—ȱŽȱ•Šȱǯ
˜‹›ŽŒŠ•Ž—Š˜›ȱǻǼ. En esta última sección se lleva el vapor saturado a sobrecalentado. Se suele
tener un sobrecalentador por caŠȱ—’ŸŽ•ȱŽȱ™›Žœ’à—ȱŽȱ•Šȱǯ
—ȱŽ•ȱ™›ŽœŽ—Žȱ›Š‹Š“˜ȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ȱœžœ’ž’›¤ǰȱœŽø—ȱ
el caso, al economizador o al sobrecalentador de un nivel de presión de la caldera.
Planta solar. Se trata de una planta de canal parabólico, con generación directa de vaporȱǻǼȱŽ—ȱŽ•ȱ™›ŽœŽ—Žȱ
›Š‹Š“˜ȱœžœ’ž’›¤ȱŠ•ž—ŠȱœŽŒŒ’à—ȱŽȱ•ŠȱŒŠ•Ž›ŠȱŽȱ›ŽŒžperación de calor. La planta solar está constituida por
un número lazos de concentradores solares conectados
en paralelo, cada lazo es un conjunto de concentradores
solares en serie.
Turbina de vapor. Es el elemento de potencia del ciclo
Žȱ ‹Š“Šȱ Ž–™Ž›Šž›Šǰȱ ›ŽŒ’‹Žȱ Š•ȱ ŸŠ™˜›ȱ Žȱ •Šȱ ȱ ¢ȱ •˜ȱ
transforma en trabajo adicional.
—ȱŽ•ȱ™›ŽœŽ—Žȱ›Š‹Š“˜ȱœŽȱŽœž’Š—ȱřȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—Žœȱ
con 2 niveles de presión sin recalentamiento y sin almaŒŽ—Š–’Ž—˜ȱ·›–’Œ˜ȱŽ—ȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›DZ
Ȋȱ
Ȋȱ
Ȋȱ
ŠȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱŽȱŒ’Œ•˜ȱŒ˜–‹’—Š˜ȱœ’—ȱ™•Š—Šȱœ˜lar.
El campo solar es parte del economizador de alta
™›Žœ’à—ȱǻꐞ›ŠȱŗǼǯ
El campo solar es parte del sobrecalentador de baja
™›Žœ’à—ȱǻꐞ›ŠȱŘǼǯ
)LJXUD&RQILJXUDFLyQ%3ODQWDGHGRVQLYHOHVGHSUHVLyQVLQUHFDOHQWDPLHQWRFRQHO
FDPSRVRODUDFRSODGRDOHFRQRPL]DGRUGHDOWD
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril-junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
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Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo combinado con planta solar de canal parabólico
3DUiPHWURVGHGLVHxR\FRQVLGHUDFLRQHV
Š›ŠȱŽ•ȱŠ—¤•’œ’œȱšžŽȱŠšžÇȱœŽȱ™›ŽœŽ—Šȱ•˜œȱ™Š›¤–Ž›˜œȱŽȱ
diseño que se consideran durante la optimización co››Žœ™˜—Ž—ȱŠ•ȱŒ’Œ•˜ȱŽȱŸŠ™˜›ǰȱ™Š›’Œž•Š›–Ž—ŽȱŠȱ•Šȱȱ
y a la planta solar. Los parámetros de diseño más im™˜›Š—ŽœȱŽȱ•ŠȱŒŠ•Ž›Šȱœ˜—ȱ•˜œȱœ’ž’Ž—ŽœDZ
Ȋȱ
Ȋȱ
Ȋȱ
Ȋȱ
Presión nominal. Es la presión de operación de cada
nivel de presión de la caldera.
’—Œ‘ȱ ˜’—ȱ ǻǼǯȱ ˜››Žœ™˜—Žȱ Šȱ •Šȱ ’Ž›Ž—Œ’Šȱ Žȱ
Ž–™Ž›Šž›ŠœȱŽ—›ŽȱŽ•ȱŠžŠȱ•Çšž’ŠȱœŠž›ŠŠȱŠȱ•ŠȱŽ—trada del evaporador y los productos de la combus’à—ȱ Šȱ •Šȱ œŠ•’Šȱ Ž•ȱ –’œ–˜ǯȱ œŽȱ ŸŠ•˜›ȱ Ž—ȱ ›Š—ȱ
medida determinará el tamaño de la caldera y por
lo tanto del campo solar. Si se diseñara una caldera
ø—’ŒŠ–Ž—ŽȱŒ˜—œ’Ž›Š—˜ȱ•Šȱ˜™’–’£ŠŒ’à—ȱ·›–’ŒŠǰȱ
ŽœŽȱŸŠ•˜›ȱŽ—Ž›ÇŠȱŠȱœŽ›ȱ–ž¢ȱ™ŽšžŽÛ˜ǰȱœ’—ȱŽ–‹Š›˜ǰȱŽœ˜ȱ˜ŒŠœ’˜—Š›ÇŠȱž—ȱ’—Œ›Ž–Ž—˜ȱœž–Š–Ž—Žȱ’–portante en el costo de la caldera de recuperación
de calor o del campo solar en su caso.
™™›˜ŠŒ‘ȱ˜’—ȱǻǼǯȱ˜››Žœ™˜—ŽȱŠȱ•Šȱ’Ž›Ž—Œ’ŠȱŽȱ
Ž–™Ž›Šž›ŠœȱŽ—›ŽȱŽ•ȱŠžŠȱšžŽȱœŠ•ŽȱŽ•ȱŽŒ˜—˜–’£Šdor y la temperatura de saturación de la misma a la
presión nominal. Este valor es un parámetro de sež›’ŠȱšžŽȱ™Ž›–’’›¤ȱŽŸ’Š›ȱŽŸŠ™˜›ŠŒ’à—ȱŽ—ȱŽ•ȱŽŒ˜nomizador y por lo tanto en el campo solar cuando
sustituya a esta sección de la caldera.
Diferencia de temperaturas en el sobrecalentadorǯȱ ˜rresponde a la diferencia de temperaturas entre el
ŸŠ™˜›ȱŠȱ•ŠȱœŠ•’ŠȱŽ•ȱœ˜‹›ŽŒŠ•Ž—Š˜›ȱ¢ȱ•˜œȱŠœŽœȱŠȱ
la entrada del mismo. Esta diferencia determina el
tamaño del sobrecalentador y del campo solar si
este está acoplado en esta sección.
Ahora bien, en cuanto a los parámetros de diseño de la
ž›‹’—Šȱ Žȱ Šœȱ ¢ȱ Žȱ ŸŠ™˜›ǰȱ Žœ˜œȱ —˜ȱ œŽȱ Œ˜—œ’Ž›Š›¤—ȱ
como variables independientes en el proceso de optimi£ŠŒ’à—ǯȱŽȱŽ•’Žȱž—Šȱž›‹’—ŠȱŽȱŠœȱŒ˜–Ž›Œ’Š•ȱŒž¢ŠœȱŒŠ›ŠŒŽ›Çœ’ŒŠœȱŽȱ’œŽÛ˜ȱœŽȱ™›ŽœŽ—Š—ȱŽ—ȱ•ŠȱŠ‹•Šȱŗǯȱ˜›ȱœžȱ
parte, los parámetros relacionados con la simulación
del ciclo de vapor tampoco se incluirán dentro de la op’–’£ŠŒ’à—ǰȱœŽȱŽ–™•ŽŠ›¤ȱž—ȱŸŠ•˜›ȱꓘǰȱŽ•ȱŒžŠ•ȱœŽȱ™›ŽœŽ—Šȱ
en la tabla 2. En el presente trabajo se describe la optimización del ciclo centrada en los parámetros de diseño
Žȱ•Šȱȱ¢ȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›DzȱŽœŠȱ˜™’–’£ŠŒ’à—ȱœŽȱ›ŽŠ•’£Š›¤ȱŠ™•’ŒŠ—˜ȱ•Šȱ‘Ž››Š–’Ž—ŠȱŽȱŠ•˜›’–˜œȱŽ—·’Œ˜œǰȱ
para lo cual debe considerarse un intervalo de variación
de los parámetros de diseño (tabla 3). Se puede obserŸŠ›ȱ Ž—ȱ ŽœŠȱ Š‹•Šȱ šžŽȱ œŽȱ ™›˜™˜—Ž—ȱ ŸŠ•˜›Žœȱ •Ç–’Žȱ Ž•ȱ
pinch point y approach point entre 3 y 15 K. Se propone
Žœ˜ȱ™˜›šžŽȱŽœȱ•˜ȱœžŽ›’˜ȱ™Š›ŠȱŒŽ—›Š•ŽœȱŽȱŒ’Œ•˜ȱŒ˜–‹’—Š˜ȱ ¢ȱ ŒŠ•Ž›Šœȱ Žȱ ›ŽŒž™Ž›ŠŒ’à—ȱ Žȱ ŒŠ•˜›ȱ ǻ
˜›•˜Œ”ǰȱ
1991).
La optimización del sistema se realiza considerando
una irradiancia directa promedio mensual correspondienŽȱŠȱ•Šȱ£˜—ŠȱŽȱŽ››˜ȱ›’Ž˜ǰȱŽ—ȱŠ“ŠȱŠ•’˜›—’Šǰȱ·¡’Œ˜ǰȱŽȱ
ŠŒžŽ›˜ȱŒ˜—ȱŠ˜œȱŽȱ˜˜•ŽȱŠ›‘ǰȱ•Šȱž‹’ŒŠŒ’à—ȱŽ˜›¤ęŒŠȱŽ•ȱ•žŠ›ȱ’Ž—Žȱž—Šȱ•Š’žȱŽȱřŘǯŚŖǚȱȱ¢ȱž—Šȱ•˜—’žȱ
ŽȱŗŗśǯŘŚǚȱǯȱŠœȱŒ˜—’Œ’˜—ŽœȱŽȱŽ››˜ȱ›’Ž˜ȱœŽȱ™›ŽœŽ—Š—ȱ
en la tabla 4.
7DEOD3DUiPHWURVGHGLVHxRGHOFLFORGHJDV
Š›¤–Ž›˜
Valor
Ž•ŠŒ’à—ȱŽȱŒ˜–™›Žœ’à—ȱȱ
30
·›’ŠȱŽȱŒŠ›ŠȱŽ—ȱ•ŠȱŠ–’œ’à—ȱ
20mbar
Ž—’–’Ž—˜ȱ’œŽ—›à™’Œ˜ȱŽ•ȱŒ˜–™›Žœ˜›
ŖǯŞś
Ž—’–’Ž—˜ȱŽȱ•ŠȱŒ¤–Š›ŠȱŽȱŒ˜–‹žœ’à—
0.95
Ž—’–’Ž—˜ȱ’œŽ—›à™’Œ˜ȱŽȱ•Šȱž›‹’—Š
0.91
Temperatura de entrada a la turbina
1430 K
Temperatura de salida
ŝŗŖȱ
Flujo másico de aire
ŗŘŖǯŘȱ”Ȧœ
·›’ŠȱŽȱŒŠ›ŠȱŽ—ȱŽ•ȱŽœŒŠ™Ž
40 mbar
Žœž•Š˜œȱŽȱ•Šȱœ’–ž•ŠŒ’à—ȱ
)LJXUD&RQILJXUDFLyQ&3ODQWDGHGRVQLYHOHVGHSUHVLyQ
VLQUHFDOHQWDPLHQWRFRQHOFDPSRVRODUDFRSODGRDO
VREUHFDOHQWDGRUGHEDMD
256
˜Ž—Œ’Šȱ—˜–’—Š•ȱŽȱ•Šȱž›‹’—ŠȱŽȱŠœ
řŞǯŞȱŽ
Ž—’–’Ž—˜ȱŽ•ȱŒ’Œ•˜ȱŽȱŠœ
40.12%
Ž–™Ž›Šž›ŠȱŽȱŽ—›ŠŠȱŠȱ•Šȱ
ŝŗŖǯŝȱ
Temperatura de la mezcla
1222.19K
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
Durán-García María Dolores, Almanza-Salgado Rafael, Martínez-Cienfuegos Ivan Galileo
7DEOD3DUiPHWURVGHGLVHxRGHODWXUELQDGHYDSRU
Š›¤–Ž›˜
Valor
K
³Q dt
³ 
u
ø–Ž›˜ȱŽȱ—’ŸŽ•ŽœȱŽȱ™›Žœ’à—
2
Ž—’–’Ž—˜ȱ’œŽ—›à™’Œ˜ȱŽȱ•Šȱž›‹’—ŠȱŽȱ
vapor
ŖǯŞś
›Žœ’à—ȱŽ•ȱŒ˜—Ž—œŠ˜›ȱ
0.045 bar
›Žœ’à—ȱŽ•ȱŽœŠœ’ęŒŠ˜›
0.2 bar
7DEOD3DUiPHWURVSDUDODRSWLPL]DFLyQWHUPRHFRQyPLFD
FRQVXLQWHUYDORGHYDULDFLyQHQHODOJRULWPR
Š›¤–Ž›˜ȱŽȱ’œŽÛ˜
Intervalo de
variación
›Žœ’à—ȱŽ—ȱŒ˜•ŽŒ˜›ȱŽȱ‹Š“Š
3-15 bar
Pinch Point de la sección de baja presión
3-15 K
™™›˜ŠŒ‘ȱ˜’— de la sección de baja
presión
3-15 K
’Ž›Ž—Œ’ŠȱŽȱŽ–™Ž›Šž›ŠȱŽ—ȱŽ•
sobrecalentador de baja presión
ŘŖȬŝŖȱ
›Žœ’à—ȱŽ—ȱŽ•ȱŒ˜•ŽŒ˜›ȱŽȱŠ•Š
50-100 bar
Pinch Point de la sección de alta presión
3-15 K
™™›˜ŠŒ‘ȱ˜’— de la sección de alta
presión
3-15 K
’Ž›Ž—Œ’ŠȱŽȱŽ–™Ž›Šž›ŠȱŽ—ȱŽ•ȱ
sobrecalentador de alta presión
ŘŖȬŞŖȱ
7DEOD'DWRVJHRJUiILFRV\DPELHQWDOHVGH&HUUR3ULHWR%DMD
&DOLIRUQLD
Š›¤–Ž›˜
Valor
Latitud
ȱȱřŘǰŚŖǚȱ
˜—’ž
ŗŗśǰŘŚǚȱ
Altitud
12 msnm
Temperatura ambiente máxima normal
promedio anual
řŘǰŘȱǚ
Irradiación directa normal diaria promedio
mensual (Almanza y Estrada, 2005).
ŘřǰŝşȱȦ–Ř
Irradiancia directa instantánea
ŝşŝȦ–Ř
$QiOLVLVWHUPRGLQiPLFR\WHUPRHFRQyPLFR
Análisis termodinámico de la planta solar
•ȱ›Ž—’–’Ž—˜ȱ·›–’Œ˜ȱǻKǼȱœŽȱŽę—ŽȱŒ˜–˜ȱ•Šȱ›Š£à—ȱŽȱ•Šȱ
Š—Š—Œ’Šȱ·›–’ŒŠȱø’•ȱǻQu) en un periodo de tiempo (dt),
Ž—›Žȱ•ŠȱŽ—Ž›ÇŠȱœ˜•Š›ȱ’—Œ’Ž—Žȱǻ’—Ž›Š•ȱŽȱ•Šȱ’››Š’Š—Œ’Šȱ•˜‹Š•ǰȱT) multiplicada por el área de apertura del
concentrador () en el mismo intervalo de tiempo.
(1)
•ȱ™Ž›’˜˜ȱŽȱ’Ž–™˜ȱÇ™’Œ˜ȱŽœȱŽȱŗȱ‘ǰȱ™Ž›˜ȱœ’ȱœŽȱ’Ž—Ž—ȱ
Š˜œȱ Žȱ ’››Š’ŠŒ’à—ȱ •˜‹Š•ȱ ǻITǼȱ Žȱ ž—ȱ ÇŠǰȱ Ž—˜—ŒŽœȱ Ž•ȱ
™Ž›’˜˜ȱŽȱ’Ž–™˜ȱœŽ›¤—ȱ•Šœȱ‘˜›Šœȱ™’Œ˜ȱŽ•ȱÇŠȱŽ—ȱ™›˜medio para un mes o para un año.
œ’–’œ–˜ȱ œŽȱ Žę—Žȱ ˜›Šȱ ŸŠ›’Š‹•Žȱ šžŽȱ ›Ž•ŠŒ’˜—Šȱ •Šȱ
Š—Š—Œ’Šȱ ø’•ȱ Žȱ Ž—Ž›ÇŠȱ ’—œŠ—¤—ŽŠȱ Žȱ ž—ȱ Œ˜—ŒŽ—›Š˜›ȱŽ—›Žȱ•ŠȱŠ—Š—Œ’Šȱø’•ȱœ’ȱ˜Šȱ•Šȱœž™Ž›ęŒ’ŽȱŽ•ȱŠ‹œ˜›‹Ž˜›ȱŽœžŸ’Ž›ŠȱŠȱ•ŠȱŽ–™Ž›Šž›ŠȱŽ•ȱ̞’˜ǰȱŠȱŽœ˜ȱœŽȱ•Žȱ
llama factor de remoción de calor del concentrador (F).
El modelo termodinámico aplicado determina el
›Ž—’–’Ž—˜ȱ·›–’Œ˜ȱ’—œŠ—¤—Ž˜ȱǻKi) del colector para‹à•’Œ˜ȱŽ—ȱž—Œ’à—ȱŽ•ȱŠŒ˜›ȱŽȱ›Ž–˜Œ’à—ȱŽȱŒŠ•˜›ȱǻžęŽȱ ¢ȱ ŽŒ”–Š—ǰȱ ŘŖŖŜǼǰȱ Ž—ȱ Ž•ȱ šžŽȱ œŽȱ ˜–Šȱ Ž—ȱ ŒžŽ—Šȱ •Šȱ
irradiancia directa instantánea (b)
Ki
Qu
‹
R ª¬b WD L i a º¼
(2)
‹
donde
LȱƽȱȱŒ˜ŽęŒ’Ž—Žȱ•˜‹Š•ȱŽȱ›Š—œŽ›Ž—Œ’ŠȱŽȱŒŠ•˜›
ȱȱȱƽȱȱ›Š£à—ȱŽȱŒ˜—ŒŽ—›ŠŒ’à—ȱœ˜•Š›
W = transmitancia
΅ȱȱȱƽȱȱŠ‹œ˜›Š—Œ’ŠȱŽ•ȱ–ŠŽ›’Š•ȱŽ•ȱŠ‹œ˜›‹Ž˜›
TiȱȱƽȱȱŽ–™Ž›Šž›ŠȱŽȱŽ—›ŠŠȱŽ•ȱ̞’˜ȱŠ•ȱŒ˜•ŽŒ˜›
Ta = temperatura ambiente
En esta ecuación el factor de extracción de calor (F) se
determina mediante la ecuación
FR
§ c · º
ª
–
«1 exp ¨¨ ¸¸ »
¹ ¼»
¬«
© –
(3)
˜—ŽȱŽ•ȱŠŒ˜›ȱŽȱŽęŒ’Ž—Œ’ŠȱŽ•ȱŒ˜•ŽŒ˜›ȱǻȂǼȱŽœ¤ȱŠ˜ȱ
como la razón de la resistencia de transferencia de calor
Ž•ȱŠ‹œ˜›‹Ž˜›ȱ¢ȱŽ•ȱŠ’›ŽȱŠ–‹’Ž—Žȱǻo) entre la resistenŒ’ŠȱŽȱ›Š—œŽ›Ž—Œ’ŠȱŽȱŒŠ•˜›ȱŽ•ȱ̞’˜ȱŽȱ›Š‹Š“˜ȱ¢ȱŽ•ȱ
Š–‹’Ž—ŽȱǻLǼǰȱŽœ˜ȱœ’—’ęŒŠȱšžŽȱ•Šȱ–Ž“˜›ŠȱŽ—ȱŽ•ȱ›Ž—’–’Ž—˜ȱŽȱŒŠ™ŠŒ’à—ȱŽȱ•ŠȱŽ—Ž›ÇŠȱŽ—ȱŽ•ȱŒ˜—ŒŽ—›Š˜›ȱŽœȱ
ž—Œ’à—ȱŽ•ȱŒ˜ŽęŒ’Ž—Žȱ•˜‹Š•ȱŽȱ›Š—œŽ›Ž—Œ’ŠȱŽȱŒŠ•˜›ȱ
y del factor transferencia de calor por convección del
m
̞’˜ǯȱ˜›ȱœžȱ™Š›ŽȱȱȱȱŽœȱŽ•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ȱǻC
p) es el calor
Žœ™ŽŒÇꌘȱŠȱ™›Žœ’à—ȱŒ˜—œŠ—Žȱ¢ȱ es el área de apertura total del concentrador (Tiwari, 2002).
El rendimiento del colector determinado mediante
la ecuación (2) para un periodo diario promedio anual,
se empleará para obtener el tamaño de la planta solar
en el proceso de optimización.
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril-junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
257
Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo combinado con planta solar de canal parabólico
C = 0.115WȱƸȱŘǯŝśȱȱ
Análisis termodinámico del ciclo combinado
Žȱ Š™•’Œàȱ ž—ȱ ™›˜›Š–Šȱ ŽœŠ››˜••Š˜ȱ Ž—ȱ –ŠŒ›˜œȱ Žȱ ’sual Basic para Excel para simular y optimizar el ciclo
Œ˜–‹’—Š˜ȱ’—Ž›Š˜ȱŒ˜—ȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱŽȱŒŠ—Š•ȱ™Š›Š‹à•’Œ˜ǯȱ
œŽȱ™›˜›Š–ŠȱŽ–™•ŽŠȱŽ•ȱ–˜Ž•˜ȱŽȱŒ˜œ˜Ȭ̞“˜ȱŽȱŒŠ“Šǰȱ
™›˜™žŽœ˜ȱ™˜›ȱ˜Ÿ’›ŠȱǻŘŖŖŚǼǯȱ
—ȱŽ•ȱ–·˜˜ȱŠ™•’ŒŠ˜ȱœŽȱ›ŽŠ•’£Šȱ•Šȱœ’–ž•ŠŒ’à—ȱŽ•ȱ
Œ’Œ•˜ȱ Žȱ Šœȱ ˜™Ž›Š—˜ȱ Ž—ȱ Œ˜—’Œ’˜—Žœȱ Žȱ ’œŽÛ˜ǰȱ Š™•’ŒŠ—˜ȱŽ•ȱ–˜Ž•˜ȱŽœŒ›’˜ȱŽ—ȱžÛ˜£ȱǻŘŖŖŚǼȱ¢ȱŠŒŒ‘’——’ȱ
y Stecco (1999). La caldera de recuperación de calor, el
campo solar y el ciclo de vapor se simulan aplicando las
Œ˜››Ž•ŠŒ’˜—Žœȱ Žȱ •Šȱ ȱ ǻŠ—Ž›ȱ ¢ȱ ›ŽĵŒ‘–Š›ǰȱ
ŗşŞŞǼǯȱ
Modelo económico
La optimización del sistema se realiza minimizando el
Œ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ǰȱŽ•ȱŒžŠ•ȱŒ˜››Žœ™˜—ŽȱŠ•ȱŒ˜œ˜ȱ˜Š•ȱ
Š—žŠ•ȱ’Ÿ’’˜ȱ™˜›ȱ•ŠȱŽ—Ž›ÇŠȱŽ—Ž›ŠŠȱŠ—žŠ•–Ž—ŽǰȱŽœȱ
decir
CTot
W .h
C kWh
(4)
—ȱ•ŠȱŽŒžŠŒ’à—ȱǻřǼǰȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱ˜Š•ȱŠ—žŠ•ȱǻTot) incluye el
costo de amortización, el costo del combustible y el de
operación y mantenimiento de todo el sistema, conside›Š—˜ȱŠ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ǯȱ˜›ȱœžȱ™Š›Žǰȱ W es la potencia
media anual de la planta y h es el número de horas de
operación del sistema por año. En el presente trabajo se
Œ˜—œ’Ž›Š›˜—ȱž—ȱ˜Š•ȱŽȱŝŖŖŖȱ‘˜›Šœȱ™Š›Šȱ•Šȱ™•Š—ŠȱŽȱ
ciclo combinado y 1460 para el campo solar.
Š›Šȱ ••ŽŸŠ›ȱ Šȱ ŒŠ‹˜ȱ Ž•ȱ Š—¤•’œ’œȱ ŽŒ˜—à–’Œ˜ȱ Ž•ȱ Œ’Œ•˜ȱ
combinado se consideraron las funciones de costo de la
ž›‹’—ŠȱŽȱŠœǰȱž›‹’—ŠȱŽȱŸŠ™˜›ȱ¢ȱŒŠ•Ž›ŠȱŽȱ›ŽŒž™Ž›ŠŒ’à—ȱŽȱŒŠ•˜›ȱšžŽȱœŽȱŽœŒ›’‹Ž—ȱŽ—ȱž›¤—ȱǻŘŖŖŚǼǯ
Ȋȱ
Ȋȱ
Ȋȱ
Costo de la turbina de gasDZȱŽœŽȱŒ˜œ˜ȱœŽȱŽŽ›–’—àȱŽ•ȱ
Š—¤•’œ’œȱŽȱŽ—Ž—Œ’ŠœȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱž›‹’—ŠœȱŽȱŠœȱ
ǻŠ•·œȱet al., 2006b), en el cual se obtiene una ex™›Žœ’à—ȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱ•Šȱž›‹’—ŠȱŽȱŠœȱŽ—ȱž—Œ’à—ȱŽȱ
•Šȱ™˜Ž—Œ’ŠȱŽȱ•Šȱ–’œ–ŠǰȱŽ¡™›ŽœŠŠȱŽ—ȱǯ
CȱƽȱŖǯŗŝŞŞW + 3.0253
ǻŜǼ
Costo de la CRCDZȱ’—Œ•ž¢ŽȱŸŠ›’˜œȱŒ˜–™˜—Ž—ŽœȱŒ˜–˜ȱ
el costo del diseño, de la estructura e instalación y
Ž•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱ•˜œȱ–ŠŽ›’Š•ŽœȱŽȱ•Šȱœž™Ž›ęŒ’ŽȱŽȱ’—Ž›ŒŠ–‹’˜ȱŽȱŒŠ•˜›ǯȱŽ›ÇŠȱŽœŽŠ‹•ŽȱŒ˜—˜ŒŽ›ȱ˜˜œȱŽœ˜œȱ
Œ˜œ˜œǰȱœ’—ȱŽ–‹Š›˜ǰȱœŽȱŒžŽ—ŠȱŒ˜—ȱ–ž¢ȱ™˜ŒŠȱ’—˜›mación al respecto. Es necesario desarrollar un modelo que sea capaz de predecir el costo de dicha
caldera en función de sus parámetros termodinᖒŒ˜œǰȱœ’—ȱŒ˜—˜ŒŽ›ȱŽ•ȱ’œŽÛ˜ȱŽ˜–·›’Œ˜ȱŽȱ•Šȱ–’œ–Šǯȱ—ȱ•Šȱ‹’‹•’˜›ŠÇŠȱœŽȱŽ—ŒžŽ—›Š—ȱŸŠ›’˜œȱ–˜Ž•˜œȱ
que desarrollan correlaciones para predecir este
Œ˜œ˜ǯȱ•ž—˜œȱŠž˜›ŽœȱǻĴŠ•Šȱet al., 2001) y (Valero, et al.ȱŗşşŚǼȱŽę—Ž—ȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŒŠŠȱœŽŒŒ’à—ȱŽȱ•Šȱ
caldera en función del producto ȱŽȱ•Šȱ˜›–ŠDZ
f CRC
,sec
¦ ” sec
sec
x
sec
ȱ
ȱ
ȱ
ǻŝǼ
donde el exponente (x) al que se encuentra elevado
el producto ȱœŽȱ’—Œ•ž¢ŽȱŽ‹’˜ȱŠȱ•ŠȱŽŒ˜—˜–ÇŠȱŽȱ
escala, es decir, que cuanto mayor sea el área de la
caldera, más barata será la unidad de . El valor
empleado en este trabajo es el propuesto por Valero
et alǯȱǻŗşşŚǼȱ¢ȱœŠœŠ›˜—’œȱ¢ȱ’œŠȱǻŗşşŚǼȱšž’Ž—ŽœȱŒ˜—œ’Ž›Š—ȱŽœŽȱŽ¡™˜—Ž—ŽȱŒ˜–˜ȱŖǯŞȱ¢ȱ™›˜™˜—Ž—ȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱ•ŠȱŒŠ•Ž›ŠȱŽȱ•Šȱœ’ž’Ž—Žȱ˜›–Š
f CRC
n sec
,sec
¦ ” sec
sec
ŖǯŞ
sec
ȱ
ȱ
ȱ
ǻŞǼ
˜›ȱ˜›Šȱ™Š›Žǰȱ™Š›Šȱ›ŽŠ•’£Š›ȱŽ•ȱŠ—¤•’œ’œȱŽŒ˜—à–’Œ˜ȱŽȱ•Šȱ
planta solar se tomaron en cuenta los costos estableci˜œȱ™˜›ȱ˜—Žœȱet al. (2011). Vea la tabla 5.
—ȱŒžŠ—˜ȱŠȱ•˜œȱ™Š›¤–Ž›˜œȱꗊ—Œ’Ž›˜œǰȱœŽȱ˜–àȱž—Šȱ
ŠœŠȱŽȱ’—Ž›·œȱŽȱŗŖƖȱ¢ȱž—ȱ’Ž–™˜ȱŽȱ˜™Ž›ŠŒ’à—ȱŽȱŘśȱ
años, se consideró este valor porque es el tiempo promedio de operación de una planta de ciclo combinado.
•ȱ–·˜˜ȱŽȱ˜™’–’£ŠŒ’à—ȱšžŽȱœŽȱŠ™•’ŒàȱŽœȱŽ•ȱŽȱŠ•˜›’–˜œȱŽ—·’Œ˜œȱǻǼǰȱ¢ŠȱšžŽȱŽœŽȱœŽȱŠ™•’ŒàȱŽ—ȱ›Š‹Šjos previos relacionados con la optimización de ciclos
combinados, donde presentaron resultados bastante
ŠŒŽ™Š‹•Žœǯȱ•ȱŠ•˜›’–˜ȱŽȱ˜™’–’£ŠŒ’à—ȱœŽȱŽ¡™•’ŒŠȱ–ŽȬ
(5)
Costo de la turbina de vaporDZȱŽœŽȱŒ˜œ˜ȱœŽȱŽŽ›–’—àȱ
del análisis de tendencias del costo de turbinas de
ŸŠ™˜›ȱ ǻŠ•·œȱ et al., 2006b), en el cual se obtiene
una expresión del costo de la turbina de vapor en
función de la potencia de la misma, expresada en
ǯ
258
Ȋȱ
ȱ
7DEOD&RQVLGHUDFLRQHVSDUDHODQiOLVLVHFRQyPLFR
GHOFDPSRVRODU
˜œ˜ȱŽȱ’—ŸŽ›œ’à—ȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ȱǻǧȦ–2)
200
˜œ˜ȱŽ•ȱŽ››Ž—˜ȱǻǧȦ–2)
2
˜œ˜ȱŽȱ˜™Ž›ŠŒ’à—ȱ¢ȱ–Š—Ž—’–’Ž—˜ȱŽȱ•Šȱ
™•Š—Šȱœ˜•Š›ȱǻǧȦ–2)
9
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
Durán-García María Dolores, Almanza-Salgado Rafael, Martínez-Cienfuegos Ivan Galileo
’Š—ŽȱŽ•ȱ’Š›Š–ŠȱŽȱ•Šȱꐞ›Šȱřǯȱ˜–˜ȱœŽȱ’—’ŒŠǰȱ™Š›Šȱ
ŒŠŠȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱŽ•ȱȱŽ—Ž›ŠȱŠ•ŽŠ˜›’Š–Ž—Žȱž—ȱ—ømero establecido de individuos que incluyen las variables de optimización, con ellas se simula el ciclo y la
™•Š—Šȱœ˜•Š›ȱ¢ȱœŽȱŒŠ•Œž•ŠȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱ™Š›Šȱ•Šœȱ
condiciones dadas. Finalmente se selecciona la combinación de variables que proporcione el menor costo de
Ž—Ž›ŠŒ’à—ǯȱŠ¢˜›ȱ’—˜›–ŠŒ’à—ȱŽȱŽœŠȱ–Ž˜˜•˜ÇŠȱ¢ȱ
œžȱŠ™•’ŒŠŒ’à—ȱŽ—ȱ•Šȱ˜™’–’£ŠŒ’à—ȱŽȱœ’œŽ–Šœȱ·›–’Œ˜œȱ
™žŽŽȱŽ—Œ˜—›Š›œŽȱŽ—ȱ˜ě˜•˜ȱ¢ȱŠ££Š›Ž˜ȱǻŘŖŖŘǼȱ¢ȱŠ•·œȱet al. (2003).
'LVFXVLyQ\DQiOLVLVGHUHVXOWDGRV
Parámetros considerados para la simulación
de la planta solar
˜—ȱŽ•ȱę—ȱŽȱ›ŽŠ•’£Š›ȱ•ŠȱŽŸŠ•žŠŒ’à—ȱ—ž–·›’ŒŠȱŽȱ•˜œȱ›Žsultados, se consideró un captador parabólico comercial modelo Eurotrough ET-100ǯȱ Šœȱ Žœ™ŽŒ’ęŒŠŒ’˜—Žœȱ
·Œ—’ŒŠœȱŽȱŽœŽȱ’™˜ȱŽȱŒŠ™Š˜›ȱœŽȱ™›ŽœŽ—Š—ȱŽ—ȱ•ŠȱŠ‹•Šȱ Ŝǯȱ œ™ŽŒ’ęŒŠŒ’˜—Žœȱ –¤œȱ ŽŠ••ŠŠœȱ Žȱ ŽœŽȱ ’™˜ȱ Žȱ
Œ˜•ŽŒ˜›Žœǰȱ ŠœÇȱ Œ˜–˜ȱ ž—ȱ Š—¤•’œ’œȱ Žȱ œžȱ ŽœŽ–™ŽÛ˜ȱ œŽȱ
puede encontrar en Geyer et al. (2002).
œȱ’–™˜›Š—ŽȱœŽÛŠ•Š›ȱšžŽȱœŽȱŒ˜—œ’Ž›àȱž—ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ȱŽ—›˜ȱŽ•ȱŠ‹œ˜›‹Ž˜›ȱŽȱŗǯŚȱ”Ȧœȱ™˜›šžŽȱŽœȱŽ•ȱŸŠ•˜›ȱœžŽ›’˜ȱ™Š›ŠȱŽŸ’Š›ȱ›Š—Žœȱ™·›’ŠœȱŽȱŒŠ›ŠȱŽ—ȱŽ•ȱ
–’œ–˜ȱǻ˜—ŽœǰȱŘŖŖşǼǯ
5HVXOWDGRVGHODRSWLPL]DFLyQ Tomando en cuenta las consideraciones mencionadas
Ž—ȱ •˜œȱ Š™Š›Š˜œȱ Š—Ž›’˜›Žœǰȱ œŽȱ Š™•’Œàȱ Ž•ȱ ™›˜›Š–Šȱ Žȱ
˜™’–’£ŠŒ’à—ȱŠȱ•ŠœȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—ŽœȱŠ—Š•’£ŠŠœǯȱ˜œȱ›Žsultados de la optimización se obtuvieron consideran˜ȱŽ•ȱ–Ç—’–˜ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱǻŠ‹•ŠȱŝǼǯȱ
7DEOD3DUiPHWURVGHODSODQWDGHFDQDOSDUDEyOLFR
Š›¤–Ž›˜œȱŽ•ȱ–˜ž•˜ȱœ˜•Š›
˜Ž•˜ȱŽ•ȱŒ˜•ŽŒ˜›ȱœ˜•Š›
ET100
Š’˜ȱŽ•ȱŠ‹œ˜›‹Ž˜›ȱ
0.035 m
›ŽŠȱŽȱ•Šȱœž™Ž›ęŒ’Žȱ›ŽĚŽ“Š—Ž
545 m2
Apertura
śǯŝŝ–
˜—’žȱŽ•ȱŒ˜•ŽŒ˜›
99.5 m
ŽĚŽŒ’Ÿ’ŠȱŽ•ȱŽœ™Ž“˜
94%
Ž—’–’Ž—˜ȱà™’Œ˜ȱ™’Œ˜
ŞŖƖ
Š£à—ȱŽȱŒ˜—ŒŽ—›ŠŒ’à—
23.23
˜—’žȱŽȱŒŠŠȱ–˜ž•˜
12 m
Flujo másico en el absorbedor
ŗǯŚȱ”Ȧœ
Algoritmo
Genético:
Generación de
individuos
Simulación de ISCCC = Costo
de generación = Función salud
Simulación
CRC
Simulación
TV
Simulación TG
Simulación de
la planta solar
)LJXUD'LDJUDPDGHIOXMRGHOSURJUDPDGHRSWLPL]DFLyQ
Es importante aclarar que se trata de una optimización termoeconómica, si se tratara solo de una optimi£ŠŒ’à—ȱ ·›–’ŒŠȱ ™˜›ÇŠȱ Žœ™Ž›Š›œŽȱ šžŽȱ •˜œȱ ŸŠ•˜›Žœȱ Ž•ȱ
pinch point y el approach pointȱŽ—’Ž›Š—ȱŠ•ȱ–Ç—’–˜ȱŽ•ȱ
’—Ž›ŸŠ•˜ǰȱœ’—ȱŽ–‹Š›˜ǰȱŠ•ȱ’—Ÿ˜•žŒ›Š›ȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽ•ȱ™›˜›Šma de optimización encuentra el valor óptimo con el
šžŽȱœŽȱ˜‹’Ž—ŽȱŽ•ȱ–Ž—˜›ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ǯȱ˜›ȱŽœŠȱ
›Š£à—ȱ•˜œȱŸŠ•˜›ŽœȱŽȱ•ŠȱŠ‹•Šȱŝȱ—˜ȱŒ˜››Žœ™˜—Ž—ȱŠ•ȱ•Ç–’Žȱ
inferior del intervalo propuesto.
›’–Ž›˜ȱ œŽȱ ˜™’–’£àȱ •Šȱ ™•Š—Šȱ Žȱ Œ’Œ•˜ȱ Œ˜–‹’—Š˜ȱ
de dos niveles de presión, sin recalentamiento y sin el
acoplamiento del campo solar, estos resultados se
–žŽœ›Š—ȱŽ—ȱ•ŠȱœŽž—ŠȱŒ˜•ž–—ŠȱŽȱ•ŠȱŠ‹•ŠȱŝǯȱŽȱ˜‹œŽ›ŸŠȱšžŽȱŽœŠȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱ™›ŽœŽ—Šȱž—ȱ›Ž—’–’Ž—˜ȱŽȱ
śŚǯŜŞƖȱ¢ȱž—ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱŽȱŖǯśŘşǧȦ”‘ǯȱœ˜œȱ
valores se encuentran en las tendencias de diseño de
Žœ˜œȱœ’œŽ–ŠœȱǻŠ•·œȱet al., 2006b).
En la columna 3 se presenta la optimización de la
ǰȱŒ˜—œ’Ž›Š—˜ȱŠ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ȱŒ˜–˜ȱ™Š›ŽȱŽ•ȱŽŒ˜—˜–’£Š˜›ȱŽȱŠ•Šȱ™›Žœ’à—ǯȱŽȱ˜‹œŽ›ŸŠȱšžŽȱŽœŠȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱŽœȱ•ŠȱšžŽȱ™›ŽœŽ—Šȱž—ȱ–Ž—˜›ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ǰȱ
ya que el acoplamiento del campo solar en la sección de
Š•Šȱ ™›Žœ’à—ȱ Ž“Šȱ –¤œȱ Ž—Ž›ÇŠȱ ’œ™˜—’‹•Žȱ Žȱ •˜œȱ ŠœŽœȱ
ŒŠ•’Ž—ŽœȱŽ—ȱ•ŠȱȱŽ—ȱ•Šȱ£˜—ŠȱŽȱ‹Š“Šȱ™›Žœ’à—ȱŽȱ•Šȱ–’œ–Šǰȱ™Ž›–’’Ž—˜ȱ’—Œ›Ž–Ž—Š›ȱŽ•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ȱŽ—ȱŽœŠȱø•’–ŠȱœŽŒŒ’à—ȱ¢ȱŠž–Ž—Š—˜ȱŠœÇȱ•Šȱ™˜Ž—Œ’ŠȱŽ—ȱ•Šȱž›‹’—Šȱ
de baja.
˜›ȱ œžȱ ™Š›Žǰȱ Ž—ȱ •Šȱ Œ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱ ˜—Žȱ Ž•ȱ ŒŠ–™˜ȱ
solar es el sobrecalentador de la sección de baja presión
Žȱ•Šȱȱǻ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱǰȱǼǰȱœŽȱ˜‹œŽ›ŸŠȱšžŽǰȱœ’ȱ
bien, el rendimiento es mayor que en los otros dos caœ˜œǰȱ Ž•ȱ Œ˜œ˜ȱ Žȱ Ž—Ž›ŠŒ’à—ȱ Žœȱ –Š¢˜›ȱ šžŽȱ Ž•ȱ ˜‹Ž—’˜ȱ
cuando el campo solar está acoplado en el economizador de alta presión, aunque menor que el obtenido con
•ŠȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱǯȱœ˜ȱœŽȱŽ‹ŽȱŠȱšžŽȱŽ•ȱŠŒ˜™•Š–’Ž—˜ȱ
Œ˜—ȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ȱœÇȱ’Ž—Žȱž—ȱŽŽŒ˜ȱŽ—ȱŽ•ȱ’—Œ›Ž–Ž—˜ȱ
Ž•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ȱŽȱŸŠ™˜›ȱŽ•ȱŒ’Œ•˜ȱŽȱ‹Š“Šǰȱ™Ž›˜ȱŽœȱ–žŒ‘˜ȱ–Ž—˜›ȱ™˜›šžŽȱ•ŠȱŽ—Ž›ÇŠȱšžŽȱœŽȱ›Š—œęŽ›ŽȱŽ—ȱŽœŽȱ
sobrecalentador es mucho menor.
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril-junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
259
Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo combinado con planta solar de canal parabólico
entonces durante este tiempo se tiene un inŒ›Ž–Ž—˜ȱŒ˜—œ’Ž›Š‹•ŽȱŽ—ȱŽ•ȱ̞“˜ȱŽȱŸŠ™˜›ȱŽȱ
alta y por lo tanto en el rendimiento del ciclo.
Š›¤–Ž›˜œȱŽ›–˜’—¤–’Œ˜œ
˜—ęǯȱȱ
˜—ęǯȱȱ
ž›Š—Žȱ•Šœȱ‘˜›ŠœȱŽȱ–Ž—˜›ȱ’››Š’Š—Œ’Šȱ•ŠȱŠ•
Šȱ Žȱ Ž—Ž›ÇŠȱ œ˜•Š›ȱ œŽȱ Œ˜–™Ž—œŠȱ Œ˜—ȱ •Šȱ Žȱ •Šȱ
ž›‹’—ŠȱŽȱŠœǰȱŽ‹’˜ȱŠȱšžŽȱŽ•ȱŸŠ™˜›ȱšžŽȱ—˜ȱ
›Žœ’à—ȱŽȱ‹Š“Š
řŘŚ”Š
řŞş”Š
řŝŗ”Š
Ž—Ž›ŠȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ǰȱ•˜ȱŽ—Ž›Šȱ•ŠȱȱŽ—ȱœžȱ
ȱŽȱ‹Š“Š
3.01K
14.5K
9.4k
sección del economizador de alta presión; esto
ȱŽȱ‹Š“Š
ŚǯŖŝ
5.91K
3.09K
implica una disminución en la temperatura de
•˜œȱŠœŽœȱšžŽȱ••ŽŠ—ȱŠȱ•ŠȱœŽŒŒ’à—ȱŽȱ‹Š“Šȱ™›ŽȱŽȱ‹Š“Š
ŞŚǯŞ
69.24K
51.55K
œ’à—ǰȱœ’—ȱŽ–‹Š›˜ǰȱ—˜ȱ’Ž—Žȱž—ȱŽŽŒ˜ȱ—˜Š‹•Žȱ
›Žœ’à—ȱŽȱŠ•Š
ŜŜŘŗȱ”Š
şŜřşȱ”Š
ŗŖŗŜŞȱ”Š
en el rendimiento como puede observarse en
ȱŽȱŠ•Š
řǯşŞ
12.455K
ŗŚǯŞř
•Šȱ ꐞ›Šȱ śǯȱ Žȱ ˜‹œŽ›ŸŠȱ Š–‹’·—ȱ šžŽȱ •Šȱ ŸŠ›’ŠȱŽȱŠ•Š
ŝǯŜ
4.25 K
ŝǯśş
Œ’à—ȱŽ•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ȱŽœȱ–ž¢ȱœ’–’•Š›ȱŠȱ•ŠȱŽȱ•Šȱ
ȱŽȱŠ•Š
43.145K
69.95K
50.5K
irradiancia, esto se debe a que, como se expliŖǯŖśŘşŞǧȦ
ŖǯŖŚŜŖŘǧȦ
ŖǯŖśŘǧȦ
có anteriormente, las temperaturas de entrada
˜œ˜Ȧ”‘
”‘
”‘
”‘
y salida del economizador permanecen conŽ—’–’Ž—˜
śŚǯŜŞƖ
56.0%
śŝǯşƖ
œŠ—Žœȱ¢ȱšž’Ž—ȱŸŠ›ÇŠȱŒ˜—ȱ›Žœ™ŽŒ˜ȱŠȱ•Šȱ›Š’Š˜Ž—Œ’ŠȱŽ•ȱ
śŘşŞŜǯŞŘ”
śŚŘŞŜǯřř”
śřŖŞřǯŖ”
Œ’à—ȱŽœȱœ˜•˜ȱŽ•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ǯ
˜›ȱ˜›˜ȱ•Š˜ǰȱŠ–‹’·—ȱœŽȱ›ŽŠ•’£àȱŽ•ȱŠ—¤•’œ’œȱ
Flujo másico de alta presión
ŗŖǯŞş”Ȧœ
ŗŖǯşś”Ȧœ
şǯŘŜ”Ȧœ
Žȱ•ŠȱŸŠ›’ŠŒ’à—ȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱǻ›¤ęFlujo másico de baja presión
śǯřؔȦœ
şǯŘŖȱ”Ȧœ
śǯŞŚ”Ȧœ
ŒŠȱŒ˜—ȱ•Ç—ŽŠȱŒ˜—’—žŠȱŽ—ȱ•Šȱꐞ›ŠȱśǼȱ¢ȱŽ•ȱ›Ž—’ø–Ž›˜ȱŽȱ‹žŒ•Žœȱ˜Š•Žœ
0
26
9
–’Ž—˜ȱǻ›¤ęŒŠȱŒ˜—ȱ•Ç—ŽŠȱ™ž—ŽŠŠȱŽ—ȱ•Šȱꐞ›Šȱ
ø–Ž›˜ȱŽȱ‹žŒ•ŽœȱŽ—ȱ
5) en función de la irradiancia directa. Se obparalelo
0
ŝ
ŝ
servó que se presenta una variación importante en estos dos parámetros, principalmente
En cuanto al número de bucles totales obtenidos en
Ž—ȱŽ•ȱ›Ž—’–’Ž—˜ȱ™Š›ŠȱŸŠ•˜›ŽœȱŽȱ’››Š’Š—Œ’ŠȱŽ—›ŽȱŖǯŝŜȱ
ŒŠŠȱ Œ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ǰȱ Žœȱ ’–™˜›Š—Žȱ ŠŒ•Š›Š›ȱ šžŽȱ •Šȱ ’Ž¢ȱŖǯŞŜȱ”Ȧ–2, intervalo en el cual el rendimiento cam›Ž—Œ’ŠȱŽœȱ›Š—ŽȱŒžŠ—˜ȱœŽȱŠŒ˜™•ŠȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ȱŠ•ȱŽŒ˜‹’Šȱ Ž—›Žȱ śśǯŜƖȱ ¢ȱ śŝǯŘƖǯȱ ˜œŽ›’˜›–Ž—Žǰȱ ™Š›Šȱ ŸŠ•˜›Žœȱ
nomizador de alta, contrario a cuando se acopla al
Žȱ’››Š’Š—Œ’Šȱ–Ž—˜›ŽœȱŠȱŖǯŝŜ”Ȧ–2ǰȱ•Šȱž›‹’—ŠȱŽȱŠœȱ
sobrecalentador de baja. Esta diferencia tan marcada
Œ˜–™Ž—œŠȱ•ŠȱŠ•ŠȱŽȱŽ—Ž›ÇŠȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ȱ¢ȱ™˜›ȱŽœŠȱ
radica en que el área de captación obtenida para el sorazón la variación del rendimiento disminuye considebrecalentador de baja es muy pequeña porque este ele›Š‹•Ž–Ž—Žǯȱ ȱ ˜›ȱ ˜›˜ȱ •Š˜ǰȱ œŽȱ ˜‹œŽ›ŸŠȱ ž—Šȱ ™Ž—’Ž—Žȱ
–Ž—˜ȱ Ž–Š—Šȱ –žŒ‘Šȱ –Ž—˜œȱ Ž—Ž›ÇŠȱ šžŽȱ Ž•ȱ ŽŒ˜Ȭ
Œ˜—œŠ—ŽȱŽ—ȱ•ŠȱŸŠ›’ŠŒ’à—ȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱŒ˜—ȱ•Šȱ
—˜–’£Š˜›ȱŽȱŠ•Šȱ™›Žœ’à—ǯȱŠ¢˜›ȱ’—˜›–ŠŒ’à—ȱŠŒŽ›ŒŠȱ
irradiación, de hecho se obtuvo una correlación lineal
Ž•ȱ Š–ŠÛ˜ȱ Žȱ •Šœȱ œž™Ž›ęŒ’Žœȱ Žȱ ’—Ž›ŒŠ–‹’˜ȱ Žȱ ž—Šȱ
Œ˜—ȱ™Ž—’Ž—Žȱ—ŽŠ’ŸŠȱšžŽȱœŽȱ™›ŽœŽ—ŠȱŽ—ȱ•Šȱ–’œ–ŠȱęȱœŽȱ™žŽŽȱŽ—Œ˜—›Š›ȱŽ—ȱž›¤—ȱet al. (2013).
ž›ŠǯȱŽȱŠŒžŽ›˜ȱŒ˜—ȱ•Šȱ›¤ęŒŠȱ¢ȱ•ŠȱŽŒžŠŒ’à—ȱ˜‹Ž—’Šȱ
˜›ȱ˜›˜ȱ•Š˜ǰȱœŽȱ›ŽŠ•’£àȱž—ȱŠ—¤•’œ’œȱŽȱœŽ—œ’‹’•’Šȱ
en función de irradiancia directa, únicamente para la
Œ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱǰȱšžŽȱžŽȱ•ŠȱšžŽȱ’˜ȱ–Ž“˜›Žœȱ›Žœž•Š˜œǯȱ
Žȱ˜‹œŽ›ŸàȱšžŽȱ•Šȱ’››Š’Š—Œ’Šȱ’Ž—Žȱž—Šȱ’—ĚžŽ—Œ’Šȱ–ž¢ȱ
’–™˜›Š—Žȱœ˜‹›ŽȱŽ•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ȱŽȱŠžŠȱŽ—ȱŽ•ȱŒŠ—Š•ȱ™Šrabólico, que al pasar por las secciones de la caldera se
Œ˜—Ÿ’Ž›ŽȱŽ—ȱŸŠ™˜›ǯȱœ˜ȱœŽȱ–žŽœ›ŠȱŽ—ȱ•Šȱ›¤ęŒŠȱŽȱ•Šȱ
ꐞ›ŠȱŚǯȱœŠȱŽ—Ž—Œ’ŠȱœŽȱŽ‹ŽȱŠȱšžŽȱž›Š—ŽȱŽ•ȱŠ—¤•’œ’œȱ
las temperaturas de entrada y salida de los economiza˜›Žœȱ™Ž›–Š—ŽŒŽ—ȱŒ˜—œŠ—ŽœǰȱŽ—˜—ŒŽœȱšž’Ž—ȱŸŠ›ÇŠȱŽ—ȱ
ž—Œ’à—ȱŽȱ•Šȱ’››Š’Š—Œ’ŠȱŽœȱŽ•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ǯ
El análisis se realizó para las condiciones del mes de
mayo, ya que es el que mejores condiciones de irradian)LJXUD9DULDFLyQGHOIOXMRPiVLFRGHYDSRUHQHOFDQDO
cia presenta, se observó más de 6 horas que la irradianSDUDEyOLFRGHODFRQILJXUDFLyQ$FRPRIXQFLyQGHODLUUDGLDQFLD
cia promedio es superior a la promedio considerada;
GLUHFWDJUDILFDGRHQIXQFLyQGHOWLHPSRKRUDULR
7DEOD5HVXOWDGRVGHODRSWLPL]DFLyQSDUDODVFRQILJXUDFLRQHVDQDOL]DGDV
˜—ęǯȱ
ȱȱ
œȦŒŠ—Š•ȱ
parabólico
optimizada
260
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
Durán-García María Dolores, Almanza-Salgado Rafael, Martínez-Cienfuegos Ivan Galileo
)LJXUD9DULDFLyQGHOFRVWROtQHD
URMD\UHQGLPLHQWROtQHDD]XOGHOD
FRQILJXUDFLyQ$FRPRIXQFLyQGHOD
LUUDGLDQFLDGLUHFWD
se observa que aún con la disminución en el costo de
Ž—Ž›ŠŒ’à—ǰȱŽœŽȱ™Ž›–Š—ŽŒŽȱ–Ž—˜›ȱšžŽȱŽ•ȱ˜‹Ž—’˜ȱ™Š›Šȱ
•ŠȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱŽȱŒ’Œ•˜ȱŒ˜–‹’—Š˜ȱœ’—ȱ•Šȱ’—Ž›ŠŒ’à—ȱ
Œ˜—ȱŽ•ȱŒŠ–™˜ȱœ˜•Š›ȱǻŠ‹•ŠȱŝǼȱŠø—ȱ™Š›ŠȱŸŠ•˜›ŽœȱŽȱ’››Š’ancia bajos.
Conclusiones
En este trabajo se aplicó un modelo de optimización ter–˜ŽŒ˜—à–’ŒŠȱŒ˜—ȱŠ•˜›’–˜œȱŽ—·’Œ˜œȱ™Š›Šȱ•Šȱ˜™’–’£ŠŒ’à—ȱ Žȱ ’Ž›Ž—Žœȱ Œ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—Žœȱ Žȱ ǯȱ Žȱ
˜‹œŽ›ŸàȱšžŽȱ•Šȱ–Ž˜˜•˜ÇŠȱŽœȱŠ™•’ŒŠ‹•Žȱ¢ȱ‹›’—Šȱ›Žœž•tados interesantes.
ŽȱŠ™•’ŒàȱŽ•ȱ–˜Ž•˜ȱŠȱ˜œȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜—ŽœȱŽȱȱ¢ȱ
œŽȱŒ˜–™Š›Š›˜—ȱ•˜œȱ›Žœž•Š˜œȱŒ˜—ȱž—ȱȱŒ˜—ŸŽ—Œ’˜—Š•Dzȱ
se observa que la planta optimizada de ciclo combinado
’—Ž›ŠŠȱ Œ˜—ȱ •Šȱ ™•Š—Šȱ œ˜•Š›ȱ ǻǼȱ ™›ŽœŽ—Šȱ –Ž“˜›Žœȱ
›Žœž•Š˜œȱšžŽȱ•Šȱ–’œ–ŠȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱŽȱŒ’Œ•˜ȱŒ˜–‹’nado optimizada, esto empleando el valor de irradiaŒ’à—ȱ’›ŽŒŠȱ™›˜–Ž’˜ȱŽȱ•Šȱ›Ž’à—ȱŽȱŽ››˜ȱ›’Ž˜ǰȱǯǯ
Asimismo, al considerarse la planta de canal parabólico como el economizador o el sobrecalentador de la
ȱ¢ȱ˜–Š—˜ȱŽ—ȱŒžŽ—Šȱž—ȱ™™›˜ŠŒ‘ȱ˜’— mayor que
řǚǰȱ—˜ȱœŽȱŽœ™Ž›ŠȱŽ—Ž›ȱŽŸŠ™˜›ŠŒ’à—ȱŽ—ȱŽ•ȱŠ‹œ˜›‹Ž˜›ǯȱ˜ȱ
ŒžŠ•ȱ ŠŸ˜›ŽŒŽȱ Ž•ȱ Ž–™•Ž˜ȱ Žȱ ȱ ¢ȱ ŽŸ’Šȱ Ž•ȱ žœ˜ȱ Žȱ ž—ȱ
ŠŒŽ’ŽȱŒ˜–˜ȱ̞’˜ȱŽȱ›Š‹Š“˜ǯ
Se observa que es preferible acoplar la planta de canal parabólico en el economizador de la sección de alta
™›Žœ’à—ȱŽȱ•ŠȱDzȱ•Šȱ›Š£à—ȱŽœȱšžŽȱŽȱŽœŠȱ˜›–ŠȱœŽȱ’Ž—Žȱ–¤œȱŽ—Ž›ÇŠȱ’œ™˜—’‹•ŽȱŽȱ•˜œȱŠœŽœȱŽ—ȱ•ŠȱœŽŒŒ’à—ȱŽȱ
baja presión de la misma y, por lo tanto, se puede incre–Ž—Š›ȱŽ•ȱ̞“˜ȱ–¤œ’Œ˜ȱŽ—ȱŽœŠȱœŽŒŒ’à—ȱ¢ȱ•Šȱ™˜Ž—Œ’ŠȱŽ•ȱ
ciclo.
˜›ȱ˜›˜ȱ•Š˜ǰȱœŽȱ˜‹œŽ›ŸàȱšžŽȱ•ŠȱŸŠ›’ŠŒ’à—ȱŽȱ•Šȱ›Šdiación directa tiene un efecto importante sobre el ren’–’Ž—˜ȱ¢ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—Dzȱœ’—ȱŽ–‹Š›˜ǰȱŠø—ȱŒ˜—ȱ
esta variación este costo resulta menor que el obtenido
Œ˜—ȱ•ŠȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’à—ȱšžŽȱ—˜ȱŽœ¤ȱ’—Ž›ŠŠȱŒ˜—ȱŽ•ȱŒŠ—Š•ȱ
parabólico. Asimismo, resulta interesante resaltar que
•Šȱ›¤ęŒŠȱŽȱŸŠ›’ŠŒ’à—ȱŽ•ȱŒ˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱŽ—ȱž—Œ’à—ȱ Žȱ •Šȱ ›Š’ŠŒ’à—ǰȱ œ’žŽȱ ž—Šȱ Œ˜››Ž•ŠŒ’à—ȱ •’—ŽŠ•ȱ Œ˜—ȱ
™Ž—’Ž—Žȱ—ŽŠ’ŸŠǯȱ
ŽȱŒ˜—œ’Ž›Šȱ’–™˜›Š—ŽȱŠ—Š•’£Š›ȱ˜›ŠœȱŒ˜—ꐞ›ŠŒ’˜nes con y sin acoplamiento con la planta solar. Esto permitirá establecer tendencias en el diseño de este tipo de
sistemas, además de que los diseñadores y tomadores
ŽȱŽŒ’œ’˜—ŽœȱŽȱŽ–™›ŽœŠœȱŽ—Ž›Š˜›ŠœȱŽȱŽ—Ž›ÇŠȱŽ—›¤—ȱž—Šȱ’ŽŠȱ–¤œȱŒ•Š›ŠȱŽȱ‘ŠŒ’Šȱà—ŽȱŽ‹Ž—ȱ’›’’›œŽȱ
•˜œȱŸŠ•˜›ŽœȱŽȱ•˜œȱ™Š›¤–Ž›˜œȱŽȱ’œŽÛ˜ȱ¢ȱšž·ȱŽœŽ–peño y costo se espera tener, previo a seleccionar un
diseño o adquirir una central llave en mano.
ŠȱȱŽœȱž—Šȱ—žŽŸŠȱ˜™Œ’à—ȱšžŽȱ‹Š“Š›¤ȱ•˜œȱŒ˜œ˜œǰȱ
ya que se eliminan el intercambiador de calor y los
ŠŒŽ’Žœȱœ’—·’Œ˜œȱǻ̞’˜ȱŽȱ›Š—œŽ›Ž—Œ’ŠȱŽȱŒŠ•˜›Ǽǯ
Nomenclatura
Símbolo ’—’ęŒŠ˜
—’Š
AA
Área de apertura del colector solar
m2
A
Área de transferencia de calor
m2
Approach point
K
Alta presión
Baja presión
Š£à—ȱŽȱŒ˜—ŒŽ—›ŠŒ’à—
˜œ˜
’Œ•˜ȱŒ˜–‹’—Š˜
cp
Š•˜›ȱŽœ™ŽŒÇꌘȱŠȱ™›Žœ’à—ȱŒ˜—œŠ—Žȱ
”Ȧ”ȱ
Tot
˜œ˜ȱ˜Š•ȱ
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˜œ˜ȱŽȱŽ—Ž›ŠŒ’à—ȱ™˜›ȱ”‘
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˜—Ž—œŠ˜›
Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril-junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
ǧ
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Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo combinado con planta solar de canal parabólico
Š•Ž›ŠȱŽȱŽŒž™Ž›ŠŒ’à—ȱŽȱŠ•˜›
Žœ
ŽœŠœ’ęŒŠ˜›
’Ž›Ž—Œ’ŠȱŽ›–’—Š•ȱŽȱŽ–™Ž›Šž›ŠœȱŽ—ȱŽ•ȱœ˜brecalentador
Economizador
EV
Evaporador
F
Factor de remoción de calor
Ȃ
ŠŒ˜›ȱŽȱŽęŒ’Ž—Œ’ŠȱŽ•ȱŒ˜•ŽŒ˜›
Gb
Irradiancia directa instantánea
Generación directa de Vapor
K
Ȧ–2
h
˜›ŠœȱŽȱ˜™Ž›ŠŒ’à—ȱŽȱ•Šȱ™•Š—Š
ŽŠȱŽŒ˜ŸŽ›¢ȱŽŠ–ȱŽ—Ž›Š˜›
—Ž›ŠŽȱœ˜•Š›ȱŒ˜–‹’—ŽȱŒ¢Œ•Ž
k
˜—œŠŽȱŽȱŒ˜œ˜ȱŒ˜››Žœ™˜—’Ž—ŽȱŠȱž—ŠȱœŽŒŒ’à—ȱŽȱ•Šȱ
Flujo másico
”Ȧœ
’—Œ‘ȱ˜’—
K
Qu
Š•˜›ȱø’•
Sobrecalentador
T
Temperatura
TV
Turbina de vapor
h
K
TG
ž›‹’—ŠȱŽȱŠœ
L
˜ŽęŒ’Ž—Žȱ •˜‹Š•ȱ Žȱ ›Š—œŽ›Ž—Œ’Šȱ Žȱ ŒŠ•˜›ȱ Ȧ–2K
del colector
W
˜Ž—Œ’Š
˜Ž—Œ’Šȱ–Ž’ŠȱŠ—žŠ•ȱŽȱ•Šȱ™•Š—Š
΅
Absortancia
Símbolo ’—’ęŒŠ˜
—’Š
K
ꌒŽ—Œ’Šȱ·›–’ŒŠ
΋o
ꌒŽ—Œ’Šȱà™’ŒŠ
W
Transmitancia
ž‹Ç—’ŒŽœ
i
Interior
a
Ambiente
Alta presión
Baja presión
sec
Sección de la caldera de recuperación
de calor
Referencias
•–Š—£Šȱǯǰȱœ›ŠŠȬŠ“’Š•ȱǯȱ››Š’ŠŒ’˜—Žœȱ•˜‹Š•ǰȱ’›ŽŒŠȱ¢ȱ’žœŠǰȱ Ž—ȱ œž™Ž›ęŒ’Žœȱ ‘˜›’£˜—Š•Žœȱ Žȱ ’—Œ•’—ŠŠœǰȱ ŠœÇȱ Œ˜–˜ȱ ’››Š’ŠŒ’à—ȱ ’›ŽŒŠȱ —˜›–Š•ȱ Ž—ȱ •Šȱ Ž™ø‹•’ŒŠȱ Ž¡’ŒŠ—Šǯȱ Ž›’Žȱ Žȱ
—ŸŽœ’ŠŒ’à—ȱ ¢ȱ ŽœŠ››˜••˜ǰȱ ȦŜŚŜǰȱ —œ’ž˜ȱ Žȱ —Ž—’Ž›ÇŠǰȱ
ǰȱŘŖŖśǯ
262
ĴŠ•ŠȱǯǰȱŠŒŒ‘’—’ȱǯȱ¢ȱŽ››Š›Šȱǯȱ‘Ž›–˜ŽŒ˜—˜–’Œȱ˜™’–’£Š’˜—ȱ
–Ž‘˜ȱ Šœȱ Žœ’—ȱ ˜˜•ȱ ’—ȱ ŠœȬœŽŠ–ȱ Œ˜–‹’—Žȱ ™•Š—ȱ ›ŽŠ•’£Štion. Energy Conversion and Management, volumnen 42, 2001.
Š‘Ž›—Ž“Šȱǯȱ¢ȱŠ‘˜ž‹’ȱǯȱ¡Ž›˜ŽŒ˜—˜–’ŒȱŠ—Š•¢œ’œȱŠ—ȱ˜™’–’£Š’˜—ȱ ˜ȱ Š—ȱ ’—Ž›ŠŽȱ œ˜•Š›ȱ Œ˜–‹’—Žȱ Œ¢Œ•Žȱ œ¢œŽ–ȱ
ǻǼȱžœ’—ȱŽ—Ž’ŒȱŠ•˜›’‘–ǯȱEnergy Conversion and ManagementǰȱŸ˜•ž–Ž—ȱśŘǰȱŘŖŗŗDZȱŘŗşřȬŘŘŖřǯ
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ž›Š—ȱǯȱEstudio de calderas de recuperación de calor de ciclos combinados de turbinas de gas y vapor empleando la técnica de algoritmos
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Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
Durán-García María Dolores, Almanza-Salgado Rafael, Martínez-Cienfuegos Ivan Galileo
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production as a function of the solar multiple. Solar Energy,
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España, 2004.
Tiwari G. ˜•Š›ȱŽ—Ž›¢ǰȱž—Š–Ž—Š•œǰȱŽœ’—ǰȱ–˜Ž••’—ȱŠ—ȱ™™•’ŒŠtions, Ed. Alpha Science, India, 2002.
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solar collectors. International Journal of Thermal Sciences, volu–Ž—ȱŚŜȱǻ—ø–Ž›˜ȱŗŘǼǰȱŘŖŖŝDZȱŗřŖŚȬŗřŗŖǯ
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2006a.
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(número 2), 2006b.
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Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril-junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
263
Estudio del acoplamiento de diferentes configuraciones de ciclo combinado con planta solar de canal parabólico
Este artículo se cita:
Citación estilo Chicago
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Investigación y Tecnología;9,
Citación estilo ISO 690
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GH FDQDO SDUDEyOLFR Ingeniería Investigación y Tecnología YROX
PHQ;9,Q~PHURDEULOMXQLR
Semblanzas de los autores
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solar, principalmente, plantas de canal parabólico.
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Ingeniería Investigación y Tecnología, volumen XVI (número 2), abril junio 2015: 253-264 ISSN 1405-7743 FI-UNAM
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