DISEÑO PROTOTIPO DESTILADOR SOLAR PARA DESALINIZAR AGUA DE MAR

W. Chero-Espinoza

Facultad de Ingeniería Industrial, Departamento Académico de Ingeniería Industrial, Universidad Nacional de Piura

Campus Universitario s/n, Urb. Miraflores, Castilla, Piura

RESUMEN

El presente proyecto denominado “DISEÑO PROTOTIPO DESTILADOR SOLAR

PARA DESALINIZAR AGUA DE MAR”; se proyecto con el propósito de

cumplimentar los siguientes objetivos:

Diseñar un prototipo de destilador solar para desalinizar agua de mar que consigne las

siguientes tareas:

Determinar tamaño de prototipo

Diseñar la geometría del prototipo

Analizar y evaluar eficiencia de operación

Determinar costos de producción

En cuanto al planteamiento del diseño del prototipo se tiene en cuenta las diferentes

formas, materiales y tamaños del destilador solar para la construcción del prototipo

En cuanto al desarrollo del diseño, se analiza y se decide la mejor alternativa,

considerando las especificaciones del destilador solar. Para el diseño del destilador

solar se ha empleado los materiales más adecuados que permitan un producto terminado

de calidad y bajo costo.

En cuanto al montaje, pruebas y operación; se realizara la validación del prototipo, se

realizaran pruebas de operación, evaluación de eficiencia y evaluación de costos de

producción.

Palabras clave: Sol, energía, destilador

DESIGN PROTOTYPE SOLAR DISTILLER TO DESALINATE SEA WATER

Abstract

This project called "SOLAR DESIGN PROTOTYPE TO DESALINATE SEA

WATER, is proposed in order to complete the following objectives:

Designing a prototype solar desalination of sea water for the appropriation of the

following tasks:

Determine size prototype

Design the prototype geometry

Analyze and evaluate operating efficiency

Determine production costs

As for the prototype design approach takes into account the different shapes, sizes and

materials for building solar prototype

In developing the design, analyze and decide the best alternative, considering the

specifications of the solar still. For the design of solar still has been used the most

appropriate materials to enable a finished product quality and low cost.

As for assembly, testing and operation, to validate the feasibility of the prototype tests

were done operating efficiency assessment and evaluation of production costs.

Introducción

La destilación solar del agua, es una réplica del mecanismo en que la naturaleza purifica

el agua, la energía del sol calienta el agua hasta su punto de evaporación. Al

evaporarse, el vapor de agua purificado se eleva y se condensa en la superficie del

cristal para su colección, mediante este proceso, se remueven impurezas tales, como

sales y metales pesados, y a la vez, se destruyen o eliminan los microorganismos.

Como producto final se obtiene agua ultra – que el agua, los destiladores solares

requieren energía solar para operar. No tiene partes móviles o que se pudieran desgastar

La intensidad de energía solar que cae sobre el destilador es el parámetro más importante que afecta la producción de agua del destilador solar

La operación general es muy simple y requiere la orientación del destilador frente al sol

de mediodía, enjuagar todos los días el destilador y agregar agua de mar para después

recolectarla al final del día. Todos los destiladores son modulares se pueden conectar en

serie o en paralelo

Materiales y construcción de prototipo

Materiales

Hay tres clases de materiales que se utilizan típicamente en la construcción del

destilador solar. Una propiedad que debe considerarse al seleccionar los materiales es la

resistencia a la humedad.

A. Material para la estructura

B. Aislantes

C. Material transparente

D. Resistencia a la humedad

A. Material para la estructura

Se necesitan materiales estructurales para que el destilador solar tenga y conserve una configuración y una forma dada, y sea duradera por mucho tiempo.

Muchos materiales que se comportan bien estructuralmente son demasiado densos para ser buenos aislantes. Para proporcionar las dos cosas, tanto cualidades de estabilidad estructural como de buen aislante, se necesita normalmente utilizar materiales distintos para la estructura y para el aislamiento.

B. Aislamiento

A fin de que el destilador solar alcance en su interior temperaturas lo

suficientemente altas para evaporar, los muros y la parte inferior debe tener un

buen valor de aislamiento (retención de calor). Se incluyen entre los buenos

materiales aislantes: hojas de aluminio (reflector brillante), plumas (las plumas

de abajo son las mejores), (lana de fibra de vidrio, lana de roca), celulosa,

cascarillas de arroz, lana, paja y periódicos arrugados, tecno por.

Cuando se construye un destilador solar, es importante que los materiales

aislantes rodeen el interior de la cavidad por todos los lados excepto por el lado

acristalado normalmente el superior. Los materiales aislantes deben ser

instalados para permitir la mínima conducción de calor desde los materiales

estructurales del interior de la caja hacia los materiales estructurales del exterior

de la caja. Cuanta menos pérdida de calor haya en la parte inferior de la caja,

más altas serán las temperaturas de cocción.

C. Material transparente

Finalmente una superficie del destilador solar debe ser transparente y

encararse al sol para suministrar calor vía "efecto invernadero". Los

materiales vidriados más comunes son el cristal y el plástico resistente a

altas temperaturas como las bolsas para asar que se usan en las cocinas. Se

utiliza doble vidrio, bien de cristal o de plástico para influir tanto en la

ganancia como en la pérdida de calor. Dependiendo del material que se use,

la transmisión - la ganancia de calor puede reducirse entre un 5/15%.

Sin embargo, gracias a reducir a la mitad la pérdida de calor a través del

cristal o del plástico, el resultado global del destilador se incrementa.

D. Resistencia a la humedad

Cuando el agua se calienta en el destilador solar, se crea una presión de vapor,

conduciendo la humedad desde el interior al exterior. Hay varias maneras de que

esta humedad pueda salir. Puede escapar directamente a través de los huecos y las

grietas o introducirse en las paredes y la parte inferior del destilador si no hay una

barrera de humedad. Si se diseña con cierres herméticos y barreras de humedad, el

vapor de agua puede ser retenido dentro. En el diseño de la mayoría de

destiladores solares, es importante que la mayoría de la parte interior tenga una

buena barrera de vapor. Esta barrera impedirá desperfectos por agua en los

materiales, tanto aislantes como estructurales, a causa de la lenta migración del

vapor de agua a los muros y a la parte inferior

CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO

Para el presente estudio se han establecido algunas variables como alternativas, a

partir de los cuales se realizaran los análisis para el diseño del sistema.

Se ha considerado utilizar, cemento, hormigón, arena, fierro, vidrio, material

aislante, mayólica, pegamento, manguera, frasco de vidrio.

Validación del tamaño y geometría

Un destilador solar debe clasificarse según el tamaño tomando en

consideración los siguientes factores:

El tamaño debe permitir la mayor cantidad de

condensación de agua que se evapore normalmente.

El destilador debe ser fijo y posicionarse con orientación a

la salida y entrada del sol para aprovechar mejor la

intensidad.

El diseño del destilador debe construirse con materiales

que no sean afectados por las sales y materiales pesados

que contiene el agua del mar.

Descripción del diseño

Se diseñó un prototipo de destilador solar de concreto armado de 1,00 m2 de

área de captación, El prototipo consta de un depósito construido de concreto

armado que contiene el agua por destilar, y tiene paredes de poca altura.

Una de las paredes de este recipiente (la posterior) tiene una altura mayor

(0,40 m) que la otra (0,20 m), para dar la inclinación necesaria al vidrio, y

permitir el deslizamiento de las gotas de agua destilada por la superficie

interna del mismo, hasta la canal de recolección del agua destilada

construida del mismo material, y con salida por un tubo de acero inoxidable

que se acopla a una manguera unida directamente al pomo de recolección de

agua destilada. Tiene además, un orificio en la parte superior de la pared

posterior para la entrada de agua por destilar y uno en la parte inferior para

rebozo. En la parte superior, cerrando el equipo se encuentra una cubierta de

vidrio inclinada a 20º respecto a la horizontal. A continuación se muestra los

planos del destilador.

PLANOS DE DETALLE:

PLANOS DE MONTAJE:

Montaje, pruebas y operación

Validación del prototipo

Se realiza el análisis técnico y económico de un destilador solar de poceta

construido de concreto armado. La evaluación técnica se efectúa teniendo en

cuenta la productividad de agua destilada, así como las características de la

misma. Para la evaluación económica se utilizó como criterio de comparación el

costo de producción anual de agua destilada. En la evaluación del prototipo de

destilador se utilizaron los siguientes equipos:

Piranómetro NP-2 clase de precisión 2.

Probeta graduada de 100 ml, precisión 1 ml.

Se midió la radiación solar y la productividad horaria y diaria del destilador.

También se realizaron análisis químicos al agua destilada.

Monitoreo de operación

Se realizó la evaluación del destilador midiendo el volumen de agua destilada de

forma horaria a través del día, los resultados para un día cualquiera del período

evaluado se muestran en las graficas 1, 2 y 3

Grafica 1: Volumen acumulativo de agua destilada durante el día

Grafica 2: Volumen de agua destilada durante el día

Grafica 3: Producción del destilador en el mes marzo 2009

Evaluación de eficiencia

Como puede observarse, la productividad del equipo en días de buena

radiación alcanza valores de 2390 ml, lo cual representa una

productividad de 5,00 L/m2 d.

Al graficar (figura 2) el volumen de agua destilada de forma horaria, se

puede observar que el equipo comienza a destilar entre las 9:00 am, y las

10:00 am, y el volumen de agua destilada aumenta progresivamente

alcanzando valores máximos entre las 12:00 am y 2:00 pm, donde destila

aproximadamente el 62 % del destilado total. Luego, el volumen de agua

destilada va disminuyendo progresivamente hasta las 5:00 pm, hora en

que prácticamente termina de destilar.

El comportamiento del equipo en el período evaluado se muestra en la

figura 3. Como puede observarse, la productividad del equipo varía, lo

cual se debe a la variación de las condiciones climáticas, pero puede

apreciarse que la mayor tendencia es a obtener valores entre los 2280 -

2500 ml de agua destilada diariamente.

Al agua destilada obtenida se le realizaron análisis químicos en el

Laboratorio de la Facultad de Ingeniería Pesquera, alcanzándose los

siguientes resultados:

Tabla 1

Resultados de los análisis químicos realizados al agua destilada

Ensayos de unidades

Unidades ResultadosM1 M2 M3

Límites máximos permisibles

pH Unidades de pH 8,14 8,69 5,13 ≤10,6Dureza total ppm 3260,7 -.- 20,75Calcio ppm 533,57 -.- 7,19Cloruros ppm 17545,7-.- 70,19 250Carbonatos ppm -.- -.- 0,0 120Bicarbonatos ppm/CaCO3 -.- -.- 11,0

Magnesio ppm 2727,5 -.- 13,23125

125

Conductividad µS/cm 34,2 39,4 0,28 10Sólidos suspendidos totales

ppm 1035,0 -.- -.-500-1000

500-1000

Salinidad Sº/00 35,00 47,0 2,0

Fuente: ( Lab. Ingeniería Pesquera- UNP)

M1: Agua de mar, M2: Agua de mar de proceso, M3: Agua procesada

Al efectuar el análisis de las pruebas de laboratorio realizadas al agua destilada

en el destilador de concreto armado, y compararla con los valores establecidos

en la Resolución Suprema del Perú del 17-12-46 Agua para Análisis, se

observa que la conductividad, en la mayoría de los casos se encuentra dentro de

los límites establecidos, menor que 10 (μs/cm); el pH en todos los casos cumple

con la norma establecida (entre 5,4 y 7),

De todo lo analizado se concluye que esta agua puede ser utilizada para el

consumo humano y otros usos

EVALUACION DE COSTOS

Presupuesto

Base: Placa de 1m2*10cm. de espesor

Concreto armado 175 kg/cm2

Materiales Cantidad Precio Unitario s/. Total s/.Fierro corrugado D-6mm (16 ml) 1,8 varilla 7,40 13,32Alambre para amarrar (0,20 Kg. ) 0,20 Kg. 3,50 0,70Cemento (30 Kg.) 0,714 bolsa 21,0 15,0Confitillo (0,0715 m3) 0,0715 m3 65,0 4,65Arena (0,0715 m3) 0,0715 m3 40,0 2,86Fierro-ángulo de 1” 1,2 ml 50,0 60,0Vidrio 3 líneas 1,10 m2 30,0 33,0Mayólica color negro 20*20 cm 2,64 m2 25,0 66,0Fragua de color 1,0 bolsa 3,50 3,50Pegamento sidacur ¼ Kg 72,0 72,0Otros materiales 50,0Total materiales / m2 321,03Mano de obra 165,0Encofrado cara vista 60,0Armado, vaciado y acabado 70,0Colocado de mayólica y otros 35,0Total / m2 486,06Fuente: realizado por los investigadores

COSTO TOTAL DEL DESTILADOR: AREA 1,0 M2 DE AREA DE

INCIDENCIA DE RADIACION SOLAR

(Área Total del Modulo):

At = A1 + A2 + A3

At = 1,44 + 0,96+ 0,24 = 2,64 m2

Ct = 2,64 * 486,03 = S/. 1283,12 costo total del modulo

Cálculo económico:

Costo uniforme equivalente anual (Cue)

Cue = R + Cp

R= Cuota fija anual

Cp= costo de producción

Donde:

R = I * fr

I: Capital

fr = { i (1+i)n / [ (1+i)n - 1] }: Factor de recuperación del capital

i= Tasa de interés

n= Vida económica del proyecto

Cp: Costo de producción

Costo uniforme equivalente anual unitario (Cue’)

Cue’= Cue/ Volumen anual de agua destilada

A continuación se presenta el cálculo.

Destilador de concreto armado a dos aguas

Considerando una producción anual de 1825 L de agua destilada para una

productividad diaria de 5,0 L/ m2d.

Costo uniforme equivalente anual, (Cue)

Cue = R + Cp

Donde:

R = I * fr

I: 1283,12

fr= { i (1+i)n/[(1+i)n - 1]}: Factor de recuperación del capital

i= 19.56 % = 0,1956: Tasa de interés efectiva anual

n=10 años: Vida económica del proyecto

Cp: costo de producción 10% de la inversión = S/. 128,312

R = 1283,12* 0,234968687 = 301,49

Cue = 301,49 +128,312= 469,802

Costo uniforme equivalente anual unitario (Cue’)

Cue’= Cue/ Cantidad anual de agua destilada=

Cue`= 469,802 /1825 = 0,23 S/. / L de agua destilada

Cue` = 0,26 S/. / L de agua destilada

Referencias bibliográficas

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http://revista.consumer.es/web/es/20040901/medioambiente/

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