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Universidad de los Andes

Ingeniería mecánica Proyecto de grado

Pregrado

Diseño de prototipo de desalinizador solar por proceso de humidificación y deshumidificación.

Nathalia Sabogal Paz Profesor Asesor: Andrés Leonardo Gonzalez Mancera. PhD

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Agradecimientos A Dios por las bendiciones de oportunidades presentadas a diario y la fortaleza para asumirlas. A mi madre, quien siempre es para mi un constante ejemplo de tenacidad, persistencia y amor infinito quien en conjunto con mi familia me brindaron siempre su apoyo incondicional y compañía durante todo el desarrollo de mi pregrado. A la Universidad Autónoma de Occidente y todos sus docentes de los que recibí su conocimiento por darme la oportunidad de escalar y darme las mejores bases para continuar con mi pregrado en la Universidad de los Andes. A ésta universidad por abrirme las puertas y por medio de las enseñanzas del deparamento de ingeniería mecánica ampliar mi visión profesional y enseñarme a dar lo mejor de mi en cada situación profesional que se me presente. Al profesor Andres Gonzalez por brindarme su apoyo desde el primer semestre ingresado a la universidad además de darme la oportunidad de participar en este proyecto de grado y confiar en mí, guiándome con paciencia y disponibilidad en cada dificultad presentada. A los técnicos de laboratorio, en especial Jhon Calvo, Jorge y Luis Carlos quienes siempre tuvieron la mejor disposición para aportar con su experiencia en este proyecto. A Jacobo y su madre por ser esa constante voz de apoyo, amor y aliento cada dia. A mis compañeros de carrera, en especial a Juan Pablo, Sergio, Daniela, y Oscar por estar siempre dispuestos a dar una mano en el momento más oportuno.

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Tabla de contenido 1. Nomenclatura ............................................................................................................. 4

2. Problemática ............................................................................................................... 4

3. Objetivos .................................................................................................................... 5

3.1 Objetivo General .................................................................................................. 5

3.2 Objetivos específicos ........................................................................................... 5

4. Estado del arte ............................................................................................................ 5

4.1 Flashing Multi Etapa (MSF)................................................................................. 5

4.2 Destilacion de multiple Efecto (MED) ................................................................. 6 4.3 Compresión Mecánica accionada por HDH .......................................................... 7

4.4 Osmosis Inversa ................................................................................................... 7

4.5 Desalinización por Humidificación Deshumidificacion ........................................ 8

5. Modelado del sistema ............................................................................................... 10

6. Resultados obtenidos ................................................................................................ 13

6.1 Efecto de la temperatura máxima y la relación de flujos ..................................... 13

6.2 Influencia de la efectividad del sistema .............................................................. 14

6.3 Efecto de la temperatura de agua de entrada al sistema ....................................... 15 7. Banco de pruebas ...................................................................................................... 17

8. Resultados obtenidos ................................................................................................ 22

9. Conclusiones............................................................................................................. 27

10. Trabajos Futuros.................................................................................................... 27

11. Referencias............................................................................................................ 28

12. Anexos. ................................................................................................................. 29

12.1 Anexo A Codigo en EES para modelo matemático ............................................. 29

12.2 Anexo B Resultados obtenidos del análisis ANOVA. ......................................... 30

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1. Nomenclatura

2. Problemática

Pese a que la tierra en su superficie está constituida por un 70% de agua, la cual es un componente esencial para el sustento de los seres vivos, el 97% de esta es salada. Actualmente, el 40% de la población mundial sufre de una grave escasez de agua dulce debido a que esta no se distribuye uniformemente por el planeta. [1] Añadiéndole a este factor, el rápido aumento de la población, los cambios en el estilo de vida y la contaminación, los cuales limitan aún más el acceso al agua dulce. Por lo general, las regiones que enfrentan tal escasez del recurso son regiones secas, en las cuales la energía del sol es abundante.

Es por esto, que los sistemas de desalinización son esenciales para la solución de este problema; teniendo en cuenta las limitaciones de las regiones secas de todo el mundo, y más aterrizado, las limitaciones en la Guajira, una solución común ampliamente utilizada es la desalinización que utiliza la energía solar. Esta tecnología puede proporcionar el agua dulce requerida a través de la purificación de agua salina, con el uso de la energía renovable de gran abundancia en esa zona. Además, el proceso de HDH es visto como una técnica favorable para plantas de pequeña capacidad de producción puesto que logra ofrecer operación a temperaturas bajo la de ebullición y presión atmosférica, tanto como características técnicas bastante simples. Este proceso de desalinización térmica se fundamenta en la vaporización del agua salina y la recolección de agua dulce a través de la recolección de vapor [2]; sin embargo, el principal inconveniente de los sistemas de desalinización térmica es la necesidad de una gran cantidad de energía para atender el cambio de fase al convertir el líquido en vapor. [1]

La humidificación-deshumidificación utiliza componentes independientes los cuales se encuentran separados para cada proceso térmico, lo que proporciona una ventaja a la hora de diseñar cada componente, además, como estos procesos implican mecanismos simples que

�̇�𝑚 Flujo másico 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑠𝑠

Indices

ℎ Entalpía 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠𝑠𝑠 Agua salina

𝐸𝐸 Efectividad 𝑝𝑝𝑠𝑠 Agua desalinizada 𝜔𝜔 Humedad específica 𝑏𝑏𝑏𝑏 Salmuera ∅ Humedad relativa 𝑎𝑎 Aire �̇�𝑄 Calor de entrada al sistema 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠

ℎ𝑓𝑓𝑘𝑘 Entalpía de vaporización 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑀𝑀𝑀𝑀 Flujo másico relativo 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑀𝑀 Gain output ratio

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pueden ser operados bajo condiciones poco estrictas en cuanto a calidad de agua, no es necesario un complejo procedimiento de mantenimiento ni una gran inversión de capital, lo que lo hace un proceso perfecto para operar en casos donde el soporte técnico es limitado y la inversión de capital es bajo. La clasificación general de estos sistemas depende del fluido de calefacción el cual puede ser aire o incluso agua, y si las corrientes de este fluido van a través de un sistema abierto o cerrado; sin embargo, aunque los modelos de desalinizadores se basen en el mismo principio de extraer agua dulce a través de un proceso de condensación de vapor de agua, se han realizado diversos experimentos a los que se les combina tanques de almacenamiento de agua, generadores de vapor, ciclos calentados por aire de varias etapas, ciclos accionados por compresión mecánica entre otros. En los cuales el análisis termodinámico del sistema se basa generalmente en un balance de energía y masa de cada componente dentro del sistema [3].

3. Objetivos 3.1 Objetivo General

• Caracterizar el desempeño de un desalinizador solar por humidificación-deshumidificación

3.2 Objetivos específicos • Acoplar los sistemas de humidificacion y deshumidificacion. • Caracterizar el sistema en conjunto mediante un modelamiento, a fin de

obtener las optimas condiciones de operación en el proceso. • Obtener resultados experimentales para realizar comparaciones con la

literatura.

4. Estado del arte

En los procesos donde se incluye cambios de fase o térmicos, la destilación de agua de mar se logra utilizando una fuente de calor, la cual puede obtenerse de un combustible fósil convencional, energía nuclear o de una fuente no convencional como la energía solar o la energía geotérmica [4]. Los procesos de desalinización más importantes basados en la energía térmica son:

4.1 Flashing Multi Etapa (MSF)

Este proceso se basa en la generación de vapor a partir del agua de mar. Consta de varias etapas a presiones sucesivas decrecientes. Las etapas se dividen en las secciones de recuperación de calor y rechazo de calor. Los tubos recuperan el calor latente del vapor formado y el exceso de calor agregado al sistema por el vapor de calefacción es rechazado al medio ambiente por la corriente de agua de mar de enfriamiento. El sistema se acciona calentando vapor, el cual aumenta la temperatura de la salmuera o la del agua de alimentación

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al valor deseado, mientras que la condensación del vapor se logra mediante el calentamiento regenerativo del agua de alimentación [5].

4.2 Destilacion de multiple Efecto (MED)

Este sistema utiliza varios intercambiadores de vapor interconectados consecutivamente en los que el agua de mar de entrada se calienta, se vaporiza y luego se enfría para formar agua pura. El calor de entrada requerido para vaporizar el agua es equivalente al calor latente de evaporación de la masa de agua transformada de un estado líquido a gaseoso. Toda la entrada de calor en el sistema se usa una vez para evaporar el agua y no hay recuperación de calor. En una configuración típica, cómo la presentada en la Figura 2. El calor del intercambiador de vapor anterior se recupera en el condensador para alimentar la caldera de la siguiente etapa. Por lo tanto, cada intercambiador estará a una temperatura más baja que la precedente, y en consecuencia, la presión debe reducirse en cada etapa para inducir la vaporización. Estos sistemas se utilizan a gran escala, debido a que normalmente la eficiencia aumenta con el número de efectos involucrados. [2]

Fig. 1: Sistema de Desalinización Flashing Multi etapa [5].

Fig. 2 Típico sistema MED [2]

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4.3 Compresión Mecánica accionada por HDH

En este ciclo se opera el humidificador y deshumidificador a diferentes presiones, este diferencial se mantiene utilizando un compresor y un expansor. El aire humidificado que sale de la cámara de humidificación se comprime mecánicamente y luego se deshumidifica en el condensador o deshumidificador. Este aire deshumidificado luego se expande para recuperar energía en forma de trabajo y siguiente a esto enviado nuevamente a la cámara de humidificación. El aire opera entonces en un ciclo cerrado.

El agua de mar de alimentación se precalienta en el deshumidificador antes de enviarlo a la cámara de humidificación, recuperando así parte de la entrada de trabajo al compresor en forma de energía térmica que se devuelve a la corriente de gas portador durante el proceso de humidificación. Siguiente a esto se elimina la salmuera de la cámara de humidificación. [6]

Existen además, procesos de membrana, en los cuales, la electricidad es utilizada para impulsar bombas de alta presión o para establecer campos eléctricos para separar los iones. Entre estos procesos se encuentran:

4.4 Osmosis Inversa

Este proceso desmineraliza o desioniza el agua, empujándola a presión a través de una membrana semipermeable. Esta presión aplicada es mayor a la presión osmótica del agua, lo

Fig. 3 Diagrama Esquemático de Compresión Mecánica accionada por HDH [6].

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cual ocasiona que el agua salada migre a través de la membrana en dirección hacia una con menos concentración de salinidad, es decir, realizar lo opuesto al fenómeno natural de ósmosis; esta membrana remueve gran cantidad de partículas del agua, a fin de obtener agua fresca. [7]

Los procesos de membrana han tenido un gran desarrollo, debido a que se definen o caracterizan dependiendo del tipo y tamaño de partículas que se van a remover, la osmosis inversa por ejemplo, opera en un rango de partículas de 5𝑥𝑥10−3𝜇𝜇𝑚𝑚 𝑎𝑎 10−4𝜇𝜇𝑚𝑚 [5]. Además, son tecnologías de operación industrial con un grado de complejidad y de requerimiento de personal especializado en el tema, ya que estas membranas exigen tratamientos previos para disminuir y estabilizar el pH de agua salada después de llevar a cabo el proceso de desalinización.

4.5 Desalinización por Humidificación Deshumidificacion Finalmente, la desalinización por humidificación-deshumidificación es utilizada para producción de agua a pequeña escala a partir de agua salina a temperatura de sub-ebullición. Para esto, el proceso utiliza una fuente de baja temperatura como la energía solar, a fin de aplicarse a un ciclo de calentamiento de agua; si bien estas fuentes de calor y componentes usados en las fases del proceso pueden estar disponibles a un costo de operación mínimo, se requiere un diseño térmico óptimo para maximizar la tasa de producción de agua dependiendo de una entrada de calor determinada. [8] El principio de funcionamiento del sistema de humidificación, se basa en enfriamiento por evaporación, en donde una serie de elementos de empaque son utilizados para aumentar el área superficial dentro de la torre de enfriamiento, por medio de esta es soplado aire a

Fig. 4 Funcionamiento de proceso Osmosis Inversa [7]

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temperatura ambiente a fin de humidificarlo utilizando agua de mar a mayor temperatura. Esta diferencia de temperaturas existentes entre el agua y el aire hacen que la conducción tenga un mejor efecto durante el intercambio de calor y masa entre los fluidos. En consiguiente el aire intenta transportar la mayor cantidad de vapor de agua obtenida de la fuente salina en un contraflujo, mientras que la restante se extrae del humidificador en forma de salmuera. [9] El aire húmedo sale y es posteriormente deshumidificado mediante una corriente de agua salina fría, la cual se encuentra en un ciclo que posteriormente será calentada por una resistencia, o en efecto para el caso al que se quiere llegar, por medio de un colector solar a fin de que ingrese a la fase de humidificación; ésta en la fase de deshumidificación recupera la mayor parte de la energía del aire húmedo y consigue condensar la mayor cantidad de vapor posible que estaba siendo transportada, obteniendo así, agua pura o desalinizada. Los sistemas de humidificación y deshumidificación son clasificados en diferentes categorías, una es basada dependiendo de el tipo de energía que utilizan, bien sea solar, termica, o geotermica; pero además pueden clasificarse con base en la configuración que tenga el ciclo. Pueden ser de agua en un ciclo cerrado y aire abierto (CWOA- Close Water, Open Air), o aire en un ciclo cerrado y agua en ciclo abierto (CAOW – Close Air, Open Water). En los sistemas CWOA usualmente el aire es humidificado, posteriormente parcialmente deshumidificado y sale en un ciclo abierto, en éste el aire puede ser calentado o por el contrario puede ser calentada el agua. Opuesto a éste, el CAOW recircula el aire en un ciclo cerrado entre el humidificador y el deshumidificador; el aire en este tipo de sistemas puede circular por conveccion natural, o puede ser impulsado mediante un soplador. [4]

Este proyecto fue enfocado en el análisis y caracterización de desempeño de un sistema de humidificación deshumidificación CWOA con calefacción de agua en el ciclo, partiendo del

Fig. 5 Clasificación de los sistemas típicos de HDH [4]

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prototipo existente de la fase de humidificación construida en semestres anteriores; se realizó el ensamble del subsistema y un condensador de vidrio tipo Graham con salida de vapor; y por medio de un modelo matemático basado en la literatura y adaptado al proceso se logra realizar una comparación teórica con la experimental, a fin de analizar cómo cambia el GOR del sistema dependiendo de las variables que intervienen, tales como las temperaturas, humedad de salida y relaciones de flujos másicos de entrada de los fluidos.

5. Modelado del sistema

Se considera un modelo termodinamico que describe el sistema HDH el cual está dividido en partes para cada uno de los procesos; a continuación se definen las siguientes condiciones de operación. [10]

• Las pérdidas de calor de los componentes en el ciclo son despreciables • El agua condensada en el deshumidificador sale a una temperatura promedio entre las

temperaturas del aire húmedo de entrada y salida del deshumidificador • La humedad relativa del aire húmedo en la salida del humidificador y

deshumidificador es del 90% • El proceso opera en condiciones de estado estacionario • Las propiedades del aire húmedo y del agua han sido obtenidas del software

Engineering Ecuation Solver (EES)

Es necesario además definir los siguientes parámetros: MR: Flujo másico relativo, éste representa la relación que debe tener el flujo másico de agua salada que circula dentro del sistema, y el flujo másico del aire que debe incorporarse en éste. [11]

Fig.6 Esquema de sistema HDH con calentamiento de agua [8]

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GOR: Se define como la relación del calor latente de evaporación del agua pura producida a la entrada de calor suministrada en el sistema bien sea por los colectores solares o por las fuentes externas como resistencias. Éste parámetro es la eficiencia de la producción de agua y un índice de la cantidad de calor recuperada en el sistema. [4]

𝐸𝐸𝐻𝐻,𝐷𝐷: Las efectividades del sistema son definidas como la variación de entalpia real a la máxima variación de entalpia posible para el intercambio simultaneo de masa y de calor que ocurre en ambos sistemas.

Se esquematiza el sistema HDH

Sistema de Humidificación

Balance de masa

𝑚𝑚𝑏𝑏𝑏𝑏̇ = 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠̇ − 𝑚𝑚𝑝𝑝𝑠𝑠̇

Balance de Energía

𝑚𝑚𝑎𝑎̇ ∗ (ℎ𝑎𝑎2 − ℎ𝑎𝑎1) = 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠̇ ∗ ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠3 −𝑚𝑚𝑏𝑏𝑏𝑏̇ ∗ ℎ𝑏𝑏𝑏𝑏

Efectividad de humidificación

𝐸𝐸𝐻𝐻 = 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 �(ℎ𝑎𝑎2 − ℎ𝑎𝑎1)

(ℎ𝑎𝑎2,𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑎𝑎𝑖𝑖 − ℎ𝑎𝑎1) ,(ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠3 − ℎ𝑏𝑏𝑏𝑏)

(ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠3 − ℎ𝑏𝑏𝑏𝑏,𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑎𝑎𝑖𝑖)�

Fig. 7 Esquema adaptado del sistema Humidificación deshumidificación [10]

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Sistema de Deshumidificación

Balance de masa

𝑚𝑚𝑝𝑝𝑠𝑠̇ = 𝑚𝑚𝑎𝑎̇ ∗ (𝑠𝑠𝑎𝑎2 − 𝑠𝑠𝑎𝑎3)

Balance de Energía

𝑚𝑚𝑎𝑎̇ ∗ (ℎ𝑎𝑎2 − ℎ𝑎𝑎3) = 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠̇ ∗ (ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠2 − ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠1) + 𝑚𝑚𝑝𝑝𝑠𝑠̇ ∗ ℎ𝑝𝑝𝑠𝑠

Efectividad de deshumidificacion

𝐸𝐸𝐷𝐷 = 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 �(ℎ𝑎𝑎2 − ℎ𝑎𝑎3)

(ℎ𝑎𝑎2 − ℎ𝑎𝑎3,𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑎𝑎𝑖𝑖),

(ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠1 − ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠1)(ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠2,𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑎𝑎𝑖𝑖 − ℎ𝑠𝑠1)

�

Sistema de Calentamiento de agua (Colector Solar)

𝑄𝑄 = 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠̇ ∗ (ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠3 − ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠2) Relacion de flujos másicos en el sistema

𝑚𝑚𝑎𝑎̇ =𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠̇𝑀𝑀𝑀𝑀

Relación obtenida de salida (GOR)

𝐺𝐺𝐺𝐺𝑀𝑀 =ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓 ∗ 𝑚𝑚𝑝𝑝𝑠𝑠̇

𝑄𝑄𝚤𝚤𝚤𝚤̇

Por medio del software EES se implementó el modelo matemático, a fin de encontrar los valores de las variables en donde se cumplen las restricciones planteadas en las ecuaciones. Para que el programa realice las iteraciones necesarias se parte de las condiciones mediante las cuales se va a trabajar en el sistema. Con base en lo anterior se realizó un análisis de sensibilidad de las variables de entrada más importantes a fin de ver la incidencia que tienen en el GOR de manera teórica para posteriormente realizar la comparación con la literatura, validando así el modelo termodinámico utilizado y logrando encontrar los puntos de mejor operación del sistema con la variación de los parámetros de temperaturas de entrada del agua, humedades relativas planteadas y relación de flujos másicos de aire y agua dentro del sistema. El código implementado se encuentra en la sección de anexos.

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Los parámetros fijados en el modelo matemático fueron: el flujo másico de agua de entrada al sistema, el cual es de 0.033 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠, y las humedades relativas de salida del humidificador y

deshumidificador supuestas del 90%. 6. Resultados obtenidos

6.1 Efecto de la temperatura máxima y la relación de flujos La figura 8 ilustra el efecto de la temperatura máxima, es decir, la temperatura después del calentamiento, en el rendimiento del ciclo GOR. En este caso, fue fijada la temperatura de entrada del agua a 30° y la efectividad del humidificador y deshumidificador se fijó al 92%, la temperatura máxima fue variada desde los 50° hasta los 60°. Se puede observar que el rendimiento del ciclo aumenta, conforme lo hace la temperatura máxima. Sin embargo, existe un punto en el que un mayor aumento de la temperatura del agua conducirá a una reducción del GOR en el sistema; además de que éste aumento podría ocasionar que la condensación en el deshumidificador resulte menos efectiva, debido a la baja diferencia de temperatura. Por otra parte, en la gráfica se puede observar que el GOR aumenta también ligeramente conforme lo hace MR debido a que la relación de flujo de masa optimo garantiza que se rocíe la cantidad correcta de agua en el humidificador en la medida necesaria para la cantidad de aire suministrada, es decir, en el caso en el que se rocíe una menor cantidad de agua dará como resultado que el aire salga casi seco; por otra parte, un mayor flujo de agua no aumentará la humedad del aire que sale del humidificador, sino que por el contrario llevará

Fig. 8 GOR vs MR a Tsw1=30° y efectividad=0.92

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a un mayor consumo de energía innecesario debido al incremento en el calentamiento del agua.

6.2 Influencia de la efectividad del sistema

La figura 9 presenta el comportamiento del GOR conforme aumenta la temperatura, se observa que fueron utilizados los mismos parámetros de la gráfica anterior, con una temperatura de entrada de 30°, la misma relación de flujos y la misma variación de la temperatura máxima entre 50 y 60°; pero a diferencia del anterior gráfico la efectividad se redujo al 85%. De lo cual, se puede inferir que dependiendo de la efectividad del humidificador y deshumidificador, el valor del GOR cambia drásticamente. Es decir, una mayor efectividad significa una mejor recuperación de energía, lo cual va a reducir la necesidad de entrada de energía externa; en el caso del humidificador, una mayor efectividad conduce a una mayor temperatura del aire en la salida del humidificador. De manera similar, una mayor efectividad del deshumidificador resulta en una mejor condensación y más agua desalinizada. Sin embargo, la efectividad de cada uno de los componentes debe ser proporcional tamaño de ellos. [8]

Fig. 9 GOR vs MR a Tsw1= 30° y efectividad=0.85

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6.3 Efecto de la temperatura de agua de entrada al sistema

La temperatura de entrada del sistema es la temperatura del agua de mar en el momento de la extracción, en éste caso, la temperatura máxima después del calentamiento fue fijada a un valor de 60°, también una efectividad para el sistema de humidificación y deshumidificación del 85% para diferentes relaciones de flujo y variando las temperaturas de entrada entre 20° y 30°. Puede observarse entonces que una temperatura de entrada más alta en el ciclo, da como resultado un mayor valor de GOR como se ilustra en la figura; esto ocurre debido a que al ingresarle al sistema una mayor temperatura en el agua, se requerirá de menos energía por parte de la resistencia o el colector para elevar la temperatura del agua que ingresa al humidificador al valor requerido, en este caso en particular para obtener el mejor GOR debería ingresarse una temperatura de agua de mar a 30°, en caso de que el agua salina no se encuentre a esa temperatura, se puede considerar hacer pre calentamiento antes del ingreso al sistema [12].

Fig. 10 GOR vs MR a Tsw3=60 y efectividad=0.85

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En la figura 11 se presenta el GOR en función de la temperatura de entrada, dejando fija la relación de flujos en 1.5, y variando la temperatura de entrada del agua al humidificador. Esta gráfica muestra que el disminuir la temperatura máxima del humidificador o aumentar la temperatura de entrada al sistema va a implicar que haya un menor consumo de energía en el calentador del agua, por lo tanto, se obtendrá un valor en el GOR más alto, pese el hecho de que la tasa de producción de agua desalinizada disminuirá debido a una condensación menos efectiva en el deshumidificador. Con este análisis de rendimiento en el ciclo de acuerdo a las variables de entrada se puede encontrar entonces los puntos de óptima operación, en donde se obtiene un GOR de 3.2 a una temperatura de entrada al ciclo de 𝟑𝟑𝟑𝟑°𝑪𝑪 y una temperatura máxima de 𝟔𝟔𝟑𝟑°𝑪𝑪 con una relación de flujos de 3.3, es decir, para esta relación se debe ingresar al sistema 𝟑𝟑.𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑 𝒌𝒌𝒌𝒌

𝒔𝒔

de agua salada al sistema, y 𝟑𝟑.𝟑𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒌𝒌𝒌𝒔𝒔

de aire; todo estos valores se encuentran representados en la Figura 9. Comparando con la literatura, varios de los estudios realizados por otros investigadores han encontrado experimentalmente valores similares de las condiciones de operación, sin embargo, con diferencias en la relación de flujos debido a que la entalpías usadas son caracterizadas con un valor de salinidad de 0.35, el tipo de ciclo que usan, (CAOW o bien CWOA) y la falta de certeza de la presión atmosférica del sitio en donde se realizó la investigación. Llegando incluso a valores de GOR un poco menores, tal como se representa en la figura 11, donde el autor hizo las pruebas en un ciclo CAOW [8] [10]

Fig. 11 GOR vs Tsw1 a MR=1.5 y efectividad de 0.85

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7. Banco de pruebas

Se partió del diseño existente del humidificador construido en semestres anteriores, y se implementó un montaje completo del sistema, haciendo las modificaciones pertinentes en éstos, tales que permitiera tomar los datos que se requieren de temperaturas de operación del aire y del agua a la entrada y salida de cada subsistema, también humedades relativas del aire a la salida del humidificador y del deshumidificador para así corroborar lo hayado teóricamente. En el sistema de humidificación inicial, el aire humedo se disipaba al ambiente, por lo cual se elaboró el CAD de un acople en forma de “campana” que lo recibiera, éste fue impreso

Fig. 12 “The Gain Output Ratio vs The mass-flow-rate-ratio” resultados teóricos [8]

Fig. 13 "The effect of top temperature on water heated CAOW cycle" [10]

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en 3D en material PLA y recubierto con resina a fin de que la humedad y la temperatura no afectara la pieza y la convirtiera en porosa en su interior. Posterior a esto, se realizó el acople a la torre de humidificación y con un pegamento acrilico se garantizó que hubiera un sello perfecto a fin de que no se presentarán pérdidas del aire humidificado.Una vez realizadas las pruebas de la torre de humidificación se observó que se presentaban fugas en la sección donde se recogía la salmuera y en la entrada del aire, lo cual generaba residuos y pérdidas de agua no contabilizables en el sistema; por lo tanto todos los acoples fueron cambiados y soldados nuevamente para garantizar que no ocurrieran derrames y evitar pérdidas.

Fig. 14 Torre de humidificación inicial

Fig. 15 CAD Acople de campana Fig. 16 Acople en humidificador

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Por otra parte, para calentar el agua que ingresa al sistema de humidificación se usa una resistencia la cual no se encontraba aislada, por lo tanto, la mayor parte del calor se disipaba al ambiente, y no permitía que se llegara a la temperatura deseada para el agua. Se realizó inicialmente un aislamiento con fibra de vidrio y cinta de vinil para ductos; pero al realizar las pruebas se comprobó que el aislamiento no fue lo suficiente grueso y la cinta de vinil se comenzó a quemar debido a la alta temperatura alcanzada. Por lo cual, posterior a esto se realizó una capa de aislamiento mas gruesa con fibra de vidrio y sobre éste un recubrimiento con aluminio y en los puntos de exposición con la corriente, se agregó cinta de alta temperatura para evitar algún corto.

Para el suministro del agua al sistema se instalaron dos bombas en serie. A fin de medir el caudal que se le estaba suministrando al sistema se utilizó una probeta volumétrica de 1L y se tomó el tiempo que tardaba en llenar dicho volumen. La primera bomba utilizada es sumergible de 60w de corriente alterna, por lo que se le instaló una valvula de cortina para poder controlar el caudal que le estaba ingresando al sistema. La segunda bomba es no sumergible de 17w, ésta funciona con corriente directa, para alimentarla se utilizó una fuente variable de la cual se puede controlar el voltaje, para la bomba se utiliza un voltaje entre 6v y 12v. Para el deshumidificador fue utilizado un condensador de vidrio de espiral tipo Graham con doble salida de vapor. En éste, el refrigerante que pasa por dentro de la espiral es el agua que viene desde el reservorio y el aire húmedo es extraído desde el humidificador; ésta configuración maximiza la capacidad de flujo, ya que el aire húmedo puede fluir por encima y alrededor de la espiral para posteriormente ser condensado. En cuanto a la toma de datos, fueron acoplados ambos sistemas, sin embargo, debido a limitaciones en el montaje experimental no se lograron instalar las termocuplas en el lugar

Fig. 17 Resistencia sin aislamiento Fig. 18 Resistencia con aislamiento

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óptimo de senso de temperaturas del aire para humidificación y deshumidificación; en cambio, estos fueron ubicados en lugares de facil acceso proximos a la posición deseada,que permitieran tomar temperaturas cercanas a los valores esperados. Para el senso de temperatura del aire fueron utilizadas termocuplas tipo K conectadas a un lector de temperatura HH506RA mientras que para las temperaturas del agua que recorre el sistema se utilizaron termocuplas J conectadas a un PLC Siemens que se encarga de controlar los rangos en el que éstas debían estar. Se realizó la medición de las temperaturas de entrada y salida del humidificador y deshumidificador (Ta1 , Ta2, Ta3), así como las temperaturas de entrada del agua desde el reservorio, la temperatura luego del paso del serpentín del deshumidificador y después del paso por la resistencia eléctrica (Tsw1 , Tsw2, Tsw3 ). Lo anterior dejando fija la temperatura del reservorio del agua (Tsw1) y variando la temperatura después del paso de la resistencia (Tsw3), es decir la temperatura de trabajo del humidificador para diferentes relaciones de flujo másico relativo (MR). Para los cálculos de las humedades relativas de la salida del humidificador y deshumidificador fueron sensadas las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo en cada subsistema, y por medio del sofrtware EES se obtuvieron los valores correspondientes con los que posteriormente se realizó el cálculo del GOR. Fig. 19 Acople entre humidificador y deshumidificador

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Fig. 20 Termocuplas instaladas en humidificador

Fig.21 Termocuplas instaladas en deshumidificador

Fig. 22 Montaje completo del desalinizador

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8. Resultados obtenidos Con base en las temperaturas sensadas y mediante EES fue posible re calcular las efectividades que fueron asumidas en el modelo matemático con el máximo flujo de operación, es decir a 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠̇ = 0.033 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠 a fin de obtener el valor mas acertado para proceder a

realizar los cálculos del GOR del montaje experimental.

Tabla 1 Efectividades de humidificación y deshumidificación respecto a parámetros de entrada

Tsw1 [°C] Tsw2 [°C] Tsw3 [°C] Ta2 [°C] ∅Hum 𝝎𝝎 a3 Ta3 [°C] ∅Dehum 𝜔𝜔 a3 E Hum E Dehum 30.0 31.7 44.0 39.3 0.910 0.044 34.0 0.978 0.035 0.6446 0.587 30.0 29.9 39.9 35.7 0.972 0.039 31.6 0.990 0.031 0.5429 0.7925 30.0 29.9 36.9 33.9 0.957 0.034 31.0 0.987 0.030 0.5606 0.7631

De la tabla anterior se ven además los valores de humedad relativa y específica, de los cuales los valores de humedad relativa del deshumidificador son mayores que los del humidificador, lo cual va acorde con la teoría, puesto que esta humedad varía en valores entre 0 y 1, lo cual quiere decir que el aire que está saliendo del deshumidificador está casi completamente saturado y no almacenará más humedad, lo que llevará a la condensación. Por otra parte, la humedad específica determina la cantidad de humedad que puede transportar el aire, estos valores son mayores en la salida del humidificador que en la del deshumidificador, por lo que se infiere que el aire efectivamente está transportando una mayor humedad en el humidificador, liberada en el deshumidificador. La humedad relativa es altamente sensible a la temperatura, y aunque la específica no dependa de ésta, si depende de la relativa, por lo cual un cambio minimo en las temperaturas puede significar en llegar a diferencias considerables que afectan al GOR del sistema.

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Fig. 23 GOR experimental Vs 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠3

La figura 23 presenta la relación entre GOR vs Tsw3; de lo cual puede verse que esta es casi lineal, en adición, cuando el MR aumenta, el GOR tambíen lo hace, esto es notable con la linea de tendencia de los flujos másicos de 0.464 y de 0.821; sin embargo, al comparar la tendencia de flujos másicos de 0.821 con 1.18 se percibe que aunque tienen valores de GOR diferentes, se encuentran muy próximos, de lo cual se podría inferir que después de cierta relación de flujos el GOR deja de ser tan sensible con MR.

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

35,0 37,0 39,0 41,0 43,0 45,0 47,0 49,0

GO

R

Tsw3

0.464

0.821

1.179

24

En la figura 24 se presenta el comportamiento del GOR respecto a la relación de flujos alcanzados de 0.464, 0.821 y 1.179 variando las temperaturas de trabajo del humidificador (𝑇𝑇sw3 ) Desde 37°C hasta 47.5°C. En ésta se observa que a mayor temperatura de operación del humidificador se obtiene un mayor GOR hasta que se alcanza la relación de flujos másicos de 0.821, a partir de este punto el valor del GOR tiende a estabilizarse dependiendo principalmente del valor de la temperatura todo esto puede afirmarse únicamente dentro de las condiciones probadas en banco de pruebas. Cabe resaltar que las condiciones del montaje no permitieron aumentar la temperatura de operación a 47.5°C para la relación de flujo de 1.17, por lo cual no se obtuvo un valor de GOR para dicha condición. De acuerdo con lo que fue posible cuantificar, el mayor GOR experimental del montaje se obtuvo a un punto de operación de 47.5°C a una relación de flujo de 0.821, es decir a un 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠 = 0.023 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠 y 𝑚𝑚𝑎𝑎 = 0.028 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠.

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

GOR

MR

40 °C

37 °C

44 °C

47.5 °C

Fig. 24 GOR experimental vs MR

25

Por otra parte, al ingresar los parámetros alcanzados con el banco de pruebas en el modelo matemático y con la nueva eficacia para humidificador y deshumidificador se obtuvo la figura 24 de un GOR modelado según las anteriores condiciones. Se observa que a partir de un MR=1 se obtiene un GOR más alto con la máxima temperatura alcanzada, esto puede corroborarse con la literatura [10] en donde como se discutió anteriormente este rendimiento aumenta conforme lo hace la temperatura; experimentalmente éste comportamiento ocurrió a la relación de 0.821, más sin embargo a ciencia cierta no se tiene un punto de comparación con la literatura para estas relaciones de flujo menores a 1 (ver Fig 13.) Las barras de error presentadas en las figuras 23 y 24, fueron calculadas mediante la propagación del error, teniendo el cuenta la incertidumbre de las variables inmersas en la ecuación del cálculo del GOR.

𝐺𝐺𝐺𝐺𝑀𝑀 = 𝑚𝑚𝑓𝑓𝑠𝑠̇ ∗ ℎ𝑓𝑓𝑘𝑘

𝑄𝑄𝚤𝚤𝚤𝚤̇=ℎ𝑓𝑓𝑘𝑘𝑀𝑀𝑀𝑀 ∗

𝜔𝜔𝑎𝑎2 − 𝜔𝜔𝑎𝑎3

ℎ𝑠𝑠3 − ℎ𝑠𝑠2

En la figura 23, se observa que las barras de error del GOR disminuyen conforme aumenta la temperatura, esto debido a que en el montaje experimental para la relación de flujo más pequeño MR=0.464 era complejo mantener las temperaturas del agua menores a los 44°C estables, ya que para esto era necesario que el controlador realizara un on/off en lapsos de tiempo muy pequeños, lo cual hacia que las temperaturas del agua oscilaran en un rango que desestabilizaba las mediciones de las del aire húmedo también. Mientras que para las otras relaciones de flujo era más fácil mantener estas temperaturas constantes, por tanto los valores

Fig. 25 GOR modelado vs MR

26

de temperatura del aire se mantenían estacionarios. Esto también se puede ver, debido a que al aumentar la temperatura Tsw3 los errores de ésta empiezan a reducirse, disminuyendo la aleatoriedad de las mediciones. Por otra parte, en la figura 24 se observa que las barras de error del MR aumentan conforme éste lo hace. Esto último, debido a que al aumentar el caudal del agua en las mediciones era más complicado tomar los tiempos que tardaba en llenar el volumen de la probeta; por tanto esta imprecisión incrementa la incertidumbre en la medición. En adición, puede observarse que el error del GOR para valores de MR más pequeños es mucho mayor puesto que para estas relaciones el calentamiento del agua a través de la resistencia es mucho más rápido, lo que lleva a que sea más complicado mantener estable las temperaturas. A fin de conocer la incidencia que tienen las variables de temperatura y relación de flujos másicos en el GOR se realizó un análisis ANOVA, con el cual se encontró que aunque ambos parámetros son bastante incidentes, el valor de MR es el más influyente en la respuesta del GOR, esto se ve reflejado en el valor del P-value para la prueba estadística realizada. Mediante éste, se realizó una gráfica de superficie del GOR vs 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠3 en la que se evidencia el punto donde se optimiza el valor del GOR respecto a los dos parámetros.

00,50,75

00,1

3,0

,60

90,

84

44

04

52,1

90,

1,2

ROG

3wsT

RM

ráfiG a de superficie de GOR vs. Tsw3; MRc

Fig. 26 Grafica de superficie GOR Vs Tsw3 y MR

27

9. Conclusiones

Modelado matemático

Con el modelo matemático planetado se encontró que el GOR depende sensiblemente de los parámetros de efectividad del humidificador y deshumidificador, las temperaturas 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠1 y 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠3 y las humedades relativas 𝑀𝑀𝐻𝐻𝐻𝐻 y 𝑀𝑀𝐻𝐻𝐷𝐷𝐻𝐻, además fue calculado el punto de óptima operación a condiciones de 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠1 = 30°𝐶𝐶 , 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠3 = 60°𝐶𝐶 con una relación 𝑀𝑀𝑀𝑀 = 3.3 es decir 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠 =̇ 0.033 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠 y 𝑚𝑚𝑎𝑎 =̇ 0.099 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠 para obtener un 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑀𝑀 = 3.2.

Experimentalmente pudo recalcularse el valor de la efectividad de los subsistemas de humidificación y deshumidificación, llegando a valores promedio entre 58% y 71% respectivamente. Fue posible hallar el punto óptimo de operación experimental, el cual es a 𝑀𝑀𝑀𝑀 = 0.821 lo que da unos 𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠̇ = 0.023 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠 , 𝑚𝑚𝑎𝑎̇ = 0.028 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠 y una 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠3 = 60°𝐶𝐶.

Obteniendo un 𝐺𝐺𝐺𝐺𝑀𝑀𝑖𝑖𝑒𝑒𝑝𝑝 = 1.14. Por otra parte, pudo comprobarse que en bajas relaciones de flujo el error del GOR es mucho mayor, en comparación a relaciones altas; en contraste, éste disminuye conforme la temperatura aumenta. Finalmente mediante el análisis ANOVA se determinó que aunque ambos parámetros MR, y 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠3 son influyentes en el GOR, el P-value determinó que el parámetro MR es más influyente en el experimento. Se obtuvo 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑎𝑎𝑃𝑃𝑃𝑃𝑒𝑒𝑀𝑀𝑀𝑀 = 0.001,𝑃𝑃𝑃𝑃𝑎𝑎𝑃𝑃𝑃𝑃𝑒𝑒𝑇𝑇_𝑠𝑠𝑠𝑠3 = 0.006.

10. Trabajos Futuros

• Se sugiere realizar una mejora en cuanto al senso de las temperaturas de los fluidos de ambos sistemas, es decir, ubicar las termocuplas justo en los puntos de las respectivas salidas y entradas de los subsistemas a fin de tener la certeza de que se está sensando la temperatura correcta.

• Insertar o acoplar una tarjeta de adquisición de datos a las termocuplas a fin de que todas las temperaturas sean sensadas al mismo tiempo y sea mas facil realizar el procesamiento de los valores.

• Utilizar un sistema de control que garantice una temperatura de salida constante deseada durante todo el experimento.

• Trabajar bajo los puntos óptimos de operación hallados teoricamente y corroborados con la literatura, para esto debe usarse una resistencia más potente a fin de elevar la temperatura de trabajo del humidificador a 60°.

• Utilizar una bomba de suministro de agua con mayor capacidad, o utilizar un reductor para el compresor de aire, a fin de poder llegar a relaciones de flujo MR mayores a 1.

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11. Referencias

[1] F. A.-s. M.-. A. M. ifras Zubair, «Performance and cost assessment of solar driven

humidification,» ScienceDirect, 2017.

[2] P. Narayan, «Status of humidification dehumidification desalination technology,» 2011.

[3] G. P. N. John H. Lienhard V, «Thermodynamic balancing of a fixed-size two-stage humidification dehumidification desalination system,» USA, 2015.

[4] P. Narayan, «The potential of solar-driven humidification-dehumidification desalination for small scale decentralized water production,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009.

[5] H. M. Hisham T. El-Dessouky, Fundamentals of Salt Water Desalination, Netherlands: Elsevier Science, 2002.

[6] G. M. R. Z. S. a. L. V. J. Narayan, «Variable pressure humidification dehumidification desalination, Accepted for presentation in AJTEC,» de ASME/JSME 8th Thermal Engineering Joint Conference, Hawaii, 2011.

[7] P. Water, «What is Reverse Osmosis,» 2012. [En línea]. Available: https://puretecwater.com/reverse-osmosis/what-is-reverse-osmosis. [Último acceso: 1 5 2019].

[8] M. A. A. S. M. A. M. Mostafa H. Sharqawy, «Optimum thermal design of humidification dehumidification,» Desalination , Saudi Arabia, 2014.

[9] V. P. C. B. Kiran Naik, «Performance Assessment of a Counter Flow Cooling Tower- Unique Approach,» India, 2016.

[10] M. H. S. J. H. L. G. Prakash Narayan, «Thermodynamic analysis of humidification dehumidification desalination cycles,» USA, 2010.

[11] J. H. L. S. M. Z. G. Prakash Narayan, «Entropy generation minimization of combined heat and mass transfer devices,» USA, Saudi Arabia , 2010.

[12] M. A. A. K. S. Z. F. A. S. Dahiru Lawal, «Humidification-dehumidification desalination system operated by a heat,» Saudi Arabia , 2018.

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12. Anexos.

12.1 Anexo A Codigo en EES para modelo matemático {Desalinizador basado en HDH} {Deshumidificador} p_aire=101.2 MR=1 MR=mp_sw/mp_a mp_sw=0.033 eff_des=0.85 eff_hum=0.85 T_sw1=30 T_sw3=60 omega_2=HumRat(AirH2O,h=h_a2,r=0.9,P=p_aire) omega_3=HumRat(AirH2O,T=T_a3,r=0.9,P=p_aire) mp_a*(h_a2 - h_a3) = mp_sw*(h_sw2 - h_sw1) + mp_fw*h_fw mp_fw = mp_a*(omega_2 - omega_3) eff_des = max((h_a2-h_a3)/(h_a2-h_a3_ideal),(h_sw2-h_sw1)/(h_sw2_ideal-h_sw1)) h_a2=Enthalpy(AirH2O,T=T_a2,w=omega_2,P=p_aire) h_a3=Enthalpy(AirH2O,T=T_a3, w=omega_3,P=p_aire) h_a3_ideal = enthalpy(AirH2O,P=p_aire,T=T_sw1,R=1) h_sw2= enthalpy(Water,P=p_aire,T=T_sw2) h_sw2_ideal = enthalpy(Water,P=p_aire,T=T_a2) h_sw1=enthalpy(Water,P=p_aire,T=T_sw1) h_fw=enthalpy(Water,P=p_aire,T=T_fw) T_fw=(T_a2+T_a3)/2 {Humidificador} mp_a*(h_a2-h_a3) = mp_sw*h_sw3-mp_br*h_br mp_br=mp_sw-mp_fw eff_hum = max((h_a2-h_a3)/(h_a2_ideal-h_a3),(h_sw3-h_br)/(h_sw3-h_br_ideal)) h_a2_ideal=Enthalpy(AirH2O,T=T_sw3,r=1,P=p_aire) h_sw3=Enthalpy(Water,T=T_sw3,P=p_aire) h_br=Enthalpy(Water,T=T_br,P=p_aire) h_br_ideal=Enthalpy(Water,T=T_a3,P=p_aire) //Calentador Q_dot_water= mp_sw*(h_sw3-h_sw2) //GOR hfg= 2256.5 GOR= (mp_fw*hfg)/Q_dot_water

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12.2 Anexo B Resultados obtenidos del análisis ANOVA.

Regresión de superficie de respuesta: GOR vs. MR; Tsw3 Análisis de Varianza Fuente GL SC Ajust. MC Ajust. Valor F Valor p Modelo 5 0,821285 0,164257 30,88 0,001 Lineal 2 0,356511 0,178255 33,51 0,001 MR 1 0,334427 0,334427 62,87 0,001 Tsw3 1 0,110198 0,110198 20,72 0,006 Cuadrado 2 0,226775 0,113388 21,32 0,004 MR*MR 1 0,222333 0,222333 41,80 0,001 Tsw3*Tsw3 1 0,001691 0,001691 0,32 0,597 Interacción de 2 factores 1 0,000019 0,000019 0,00 0,955 MR*Tsw3 1 0,000019 0,000019 0,00 0,955 Error 5 0,026596 0,005319 Total 10 0,847882 Significancia (alpha)= 0,05 Resumen del modelo R-cuad. R-cuad. S R-cuad. (ajustado) (pred) 0,0729333 96,86% 93,73% 76,18%