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IHCantabria
Oportunidades de innovación de cara a la valorización de salmueras y herramientas para optimizar la gestión de su vertido
brIHne: Herramienta software de simulación de vertidos de salmuera
Beatriz Pérez Díaz ([email protected])Grupo de Oceanografía, Estuarios y Calidad de Agua
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IHCantabriaDesalación: como recurso hídrico
• La principal tecnología de desalación enEspaña es la Osmosis Inversa (nuevasplantas desaladoras)
Distribución mundial de unidades de desalación. Fuente: Pacific Institute (2009)
• Crecimiento exponencial. Capacidad de producción mundialde 2008 (47.8 Mm³/día), en 2012 (78.4 Mm3/día), 2016 (120Mm3/día)
• Mayor volumen de desalación: Oriente Medio y África(77%), Europa (10%) y América (7%)
• España: primera planta (1964, Lanzarote). Fundamentaltambién la Costa Mediterránea. Capacidad producción: 0.03Mm³/día (1970’s) y actúalmente unos 3.4 Mm³/día
• España es el primer país desalador en Europa(otros: Italia, Chipre, Grecia, Malta). A nivelmundial, sexta posición
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Producto: agua dulce Subproducto: salmuera
IHCantabriaSubproducto: Salmuera
1 litro agua de mar (alimentacion)
0.5 litrossalmuera ▪ Concentracion salina de la salmuera doble que
la del agua de mar: Co ≈ 2*CA
▪ Densidad de la salmuera es mayor que la delagua de mar: ρo > ρA Flotabilidad negativa
0.5 litros aguadulce
En plantas desaladoras OSMOSIS INVERSA: ratios de conversión : R ≈ 50%
▪ Temperatura de salmuera similar al agua demar: To > TA
Problema medioambiental
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IHCantabriaDescargas de salmuera al mar
1990
1970 Problema medioambiental:Impacto negativo sobre
ecosistemas marinos
Sistemas de descarga para maximizar la dilución:
Emisario de chorro sumergido
(Sánchez-Lizaso et al. 2008)
• Son efluentes de flotabilidad negativa que viajan por los fondos oceánicos• Evolución de los sistemas de descarga:
Fuentes fotografías: ACUAMED, CEDEX, ITC
Cymodocea nodosaPosidonia oceanica
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IHCantabriaDescargas de salmuera al mar
Planta desaladora
Corriente de densidad
Chorro turbulento
Región Campo Cercano(metros, min)
Región Campo Lejano(kilometros, horas-dias)
Optimizar el diseño para obtener máxima dilución
en el campo cercano
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En DIAs en España...
Ecosistema a proteger LÍMITE CRÍTICO DE SALINIDAD FUENTE
Posidonia oceanica
No exceder la salinidad de 38.5 psu en más del 25% de las medidas: S25,lim=38.5 psu
No exceder la salinidad de 40 psu en más del 5% de las medidas: S5,lim=40 psu
Sánchez-Lizaso et al. (2008).
Cymodocea nodosa
No exceder la salinidad de 39.5 psu en más del 25% de las medidas: S25,lim=39.5 psu
No exceder la salinidad de 41 psu en más del 5% de las medidas: S5,lim=41 psu
Criterio del Ministerio deAlimentación, Agricultura yMedio Ambiente
Ecosistema a proteger LÍMITE CRÍTICO DE SALINIDAD FUENTE
Caulerpa prolifera Límite alrededor 44 psu Terrados et al. (1992)
Zostera noltii Límite alrededor 41 psu Fernández-Torquemada et al.(2006)
Otros límites comunidad científica…
IHCantabriaDiseño de dispositivos de vertido……en base a límites críticos de salinidad
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IHCantabriaDiseño de dispositivos de vertido
• Optimización de diseño en base herramientas predictivas del comportamiento de los vertidosde salmuera Modelos numéricos basados en resolución de ecuaciones del movimiento ycontinuidad o en el análisis dimensional
• Se extendió el uso de modelos comerciales calibrados para vertidos de flotabilidad positiva
Cormix1 (Cormix) Chorro individual Cormix2 Cormix) Chorro múltiples Dcormix (Cormix) Vertido en superficie Corjet (Cormix) Chorro individual y múltiples UM3 (Visual plumes) Chorro individual y múltiples Jetlag (Visjet) Chorro individual y múltiples
Análisis adimensional
Ecuaciones integradas(medio ilimitado)
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IHCantabriaDiseño de dispositivos de vertido
• Evidencia de limitaciones y errores significativos en la predicción.Algunos ejemplos:• Transiciones irreales de comportamiento del flujo• Sensibilidad extrema a variaciones en los datos de entrada• Resultados incongruentes con la evidencia científica (mayor
dilución en caso de impacto con la superficie)• Insensible a la dirección de la corriente respecto al chorro• Simplificaciones inadmisibles para algunos casos• Insensible a la separación entre boquillas
CASO Calado Tipo
flujoPosición
horizontal (X) Dilución
1 10.9 NV2 11 15.4
2 10.8 NV5 11 85.5
• Proyecto MEDVSA (www.medvsa.es): desarrollo de una metodología para la optimización devertidos al mar de salmuera para minimizar el impacto negativo sobre el medio marino y susecosistemas. Tareas fundamentales realizadas:1. Análisis crítico y validación de los modelos comerciales para vertido de salmuera2. Generación de una base de datos experimental para calibración3. Desarrollo de herramientas fiables para predicción de vertidos de salmueras brIHne
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IHCantabriaDiseño de dispositivos de vertido
ERROR ESTIMADO DE LOS MODELOS COMERCIALES AL SIMULAR VERTIDOS EN CHORRO DE SALMUERA (↓: infravaloración; ↑: sobrevaloración)
MEDIO RECEPTOR
EN REPOSO
VariableΘ = 30º Θ = 45º Θ = 60º
Corjet UM3 JetLag Corjet UM3 JetLag Corjet UM3 JetLag
Zt 10%↓ 25%↓ 0% 10%↓ 20%↓ 20%↓ 15%↓ 30%↓ 25%↓
Si 60%↓ 60%↓ 60%↓ 50%↓ 60%↓ 60%↓ 50%↓
Xi 15%↓ 25%↓ 15%↓ 10%↓ 25%↓ 10%↓ 15%↓ 25%↓ 10%↓
Los modelos infravaloran todas las variables, especialmente la dilución.
0.0
0.3
0.5
0.8
1.0
1.3
1.5
1.8
2.0
25 30 35 40 45 50 55 60 65
S i/ F
rd
Ángulo de descarga, θ
Si: DILUCIÓN EN EL PUNTO DE IMPACTO CON EL FONDO
CORJET UM3 JETLAGKikkert_LIF Roberts Shao
• Análisis crítico y validación de los modelos comerciales vertido de salmuera• Medio receptor en reposo:
• Infraestiman la máxima altura del chorro (Zt)• Infraestiman el alcance horizontal (Xm)• Infraestiman significativametne la dilución (Si)
• Medio receptor dinámico• Chorro misma dirección y sentido que corriente: Infraestima altura; dilución f(modelo)• Chorro misma dirección y sentido opuesto que corriente: sobreestima la dilución• Chorro perpendicular: Infraestima la altura y la dilución
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IHCantabriaDiseño de dispositivos de vertido
• Generación de una base de datos experimental para calibración
Pump
1000 LStorage tank
Constanthead tank
Test tank
Electromagneticflowmeter
Laser
Cameras
Técnicas de medida PIVPLIF:• No intrusivas• Campos de velocidad y
concentraciones• Alta resolución (temporal
y espacial)
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IHCantabriaDiseño de dispositivos de vertido
• Generación de una base de datos experimental para calibración
• Campo cercano: gran número de configuraciones ensayadas f(inclinación del chorro, pendientedel fondo, diámetro de boquilla, número Frd-Caudal)
• Campo Lejano: gran número de configuraciones ensayadas f(pendiente fondo, altura de ranura,densidad de efluente, numero Richardson-Caudal)
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IHCantabriaDiseño de dispositivos de vertido
• brIHne: Herramientas fiables para la predicción del comportamiento de los vertidos de salmuera enel medio marino (http://www.brihne.ihcantabria.com/)
Características fundamentales:• Herramientas específicas de vertido de salmuera• Alternativa mejorada de las herramientas comerciales• Recalibradas con datos experimentales de alta resolución y calidad• Códigos brutosmejora continua• Facilidad de manejo, cálculos instantáneos, interpretación de resultados
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IHCantabriaHerramientas brIHne
• Aproximaciones numéricas publicadas en revistas científicas
• Programadas en MATLAB
• Optimización de interfaz e informe de resultados
• Calibración con datos experimentales
• Diferente ámbito de aplicación y configuración de descarga
Incluye modelos para estimar el comportamiento en las regiones de:
- CAMPO CERCANO- CAMPO LEJANO- CAMPO CERCANO Y LEJANO
MODELOS “BRIHNE”
ENFOCADOS A VERTIDOS DE SALMUERA
EJECUTABLES DESDE EL PORTAL WEB:
www.brihne.ihcantabria.com
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Pluma hipersalina(Campo lejano)
Chorro turbulento (campo cercano)
BrIHne-Jet
BrIHne-MJets
Spreading layer(Zona de transición)
BrIHne-Jet-Spreading
BrIHne-Jet-Plume2D
BrIHne-Plume2D
BrIHne-Plume3D
IHCantabriaHerramientas brIHne
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TIPO DE DESCARGA HERRAMIENTAS “BRIHNE” APROXIMACIÓN NUMÉRICA ÁMBITO APLICACIÓN
Vertido sumergido mediantechorro individual
BrIHne-Jet Ecuaciones IntegradasJirka. (2004)
+▪ Modificación flujo
hiperdenso (IH Cantabria)De boquilla hasta punto de impacto de chorros con el fondo
Vertido sumergido mediantechorros múltiples (con o sin interacción entre chorros)
BrIHne-MJets Ecuaciones Integradas
Jirka. (2006) +
▪ Modificación flujo hiperdenso (IH Cantabria)
Vertido sumergido mediante chorro individual
BrIHne-Jet-Spreading Análisis dimensional Roberts et al. (1997)
+▪ Calibración de variables IH
Cantabria
De boquilla a final decampo cercano
IHCantabriaHerramientas brIHne
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ible FLUJO SIMULADO MODELOS “BRIHNE” APROXIMACIÓN NUMÉRICA
BASE
Pluma hipersalina 2D (medio confinado)
brIHne-Plume2D Ecuaciones integradas
García. (1986)+
Calibración IH Cantabria
Pluma hipersalina 3D (medio ilimitado)
brIHne-Plume3DEcuaciones integradas
Alavian. (1986)+
Calibración IH Cantabria
IHCantabriaHerramientas brIHne
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FLUJO SIMULADO MODELOS “BRIHNE” APROXIMACIÓN NUMÉRICA BASE
Campo cercano y lejano de un vertido en chorro
brIHne-Jet-Plume2D ▪ C. Cercano: brIHne-Jet-Spreading
+▪ Conservación Q y M
+▪ C. Lejano: García. (2001), Alavian.
(1986)
IHCantabriaHerramientas brIHne
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• Cada herramientas “brIHne” incluye la siguiente información complementaria (“pdf”):
• Documento de especificaciones técnicas.
• Tabla de valores recomendados para los datos de entrada al modelo.
• Fichero “warning”, aviso de aspectos a considerar
IHCantabriaHerramientas brIHne
• Modelos (i.e. interfaz, documentación, informes resultados) disponibles en español e inglés
• La ejecución de “brIHne” es online, requiere conexión a internet y es prácticamente instantánea.
• Los modelos permiten guardar/ cargar fichero de los datos de entrada.
• Tras introducir los datos de entrada y ejecutar:
• Si el modelo no ejecuta correctamente Mensaje de error (datos de entrada fuera de rango aceptable, invalidación de hipótesis, etc.)
• Si modelo ejecuta correctamente Interfaz de resultados, informe de resultados “pdf” y fichero excel con la evolución del flujo
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Ejemplo: Interfaz datos entrada brIHne-Jet-Spreading
Cargar datos de entrada
Valores recomendados datos de entrada
Documento de Especificaciones Técnicas
Fichero “Warning”
Ejecución de modelo
Guardar datos de entrada para otra
ejecución
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fichero Excel con tabla de resultados numéricos de evolución del flujo
Documento “pdf” informe de resultados
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Ejemplo: Interfaz resultados brIHne-Jet-Spreading
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Ejemplo: Informe resultados brIHne-Jet-Spreading
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IHCantabriaHerramientas brIHne
• Acceso online a los modelos brIHne y su documentación a través de www.brihne.ihcantabria.com
• El libre acceso (usuario y contraseña) a los modelos se obtiene previo curso presencial, donde se describen las herramientas, profundizando en su base base teórica, hipótesis simplificativas, capacidades, limitaciones, aplicación y manejo. Anteriores convocatorias:
• Canarias 2014
• Madrid 2014
• Madrid 2016
• Canarias 2018
• Madrid 2018
• Soporte y contacto con usuarios [email protected]
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IHCantabriaActuales líneas de investigación brIHne
• Desarrollo de una metodología de acoplamiento de las herramientas brIHne a modelos de campo lejano avanzados (e.g. Delft3D, Mike, ROMS, Telemac3D, etc) para aquellos casos donde:
• Desarrollo de nuevos ensayos experimentales de vertido en tramo difusor con solape (merging) y recalibrar la hipótesis de vertido mediante ranura equivalente
• Desarrollo de nuevos ensayos experimentales de vertido en medio receptor dinámico y recalibrar las herramientas brIHne para medio dinámico
• Modelización avanzada (CFD) del campo cercano
• el criterio de calidad no se cumple en la región inicial (campo cercano y spreading) en una zona donde no se puede asumir medio receptor en reposo/homogéneo y fondo plano
• Existan ecosistemas sensibles a la salmuera (estenohalinos) lejos del punto de descarga
• Exista riesgo de recirculación a tomas de agua cercanas pérdidas de eficiencia
• Existan contaminantes químicos con distintas cinéticas en sus reacciones
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Posidonia oceanica
Cymodocea nodosa
Cymodocea nodosa
• Modelos “brIHne” → alternativa a los comerciales (solventar limitaciones, mayor fiabilidad en predicción vertidos de salmuera: calibración)
• “BrIHne”: vocación de mejora continua (nuevos datos experimentales, mejora aproximaciones numéricas)
• Metodología de acoplamiento de modelos “BrIHne” con modelos avanzados hidrodinámicos para modelar el comportamiento global de la salmuera
• Disponibilidad de versión e información más actualizada de los modelos www.brihne.ihcantabria.com
• Soporte y contacto con usuarios [email protected]
• Herramientas adaptables para desarrollar nuevos modelos de acuerdo con las necesidades de los usuarios y extender los modelos a otro tipo de efluentes
IHCantabriaConclusiones
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¡Muchas gracias por vuestra atención!
brIHne: Herramienta software de simulación de vertidos de salmuera
Beatriz Pérez Díaz ([email protected])Grupo de Oceanografía, Estuarios y Calidad de Agua
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