Dedicatoria y agradecimiento
A Dios mi creador, quien me dio la fe la fortaleza, salud y esperanza para
terminar este trabajo.
A mi adorada hija Pamela quien me prestó el tiempo que le pertenecía para
terminar y me motivo siempre con sus noticias, “No te rindas, adelante tu eres
fuerte, tu puedes” ¡Gracias, hermoso bebe!.
A mi tutora y sinodales por su paciencia y guía profesional.
Este documento es un esfuerzo grande que involucra a muchas personas
cercanas a mí, por lo que también dedico esta tesis a mi madre, mis hermanos,
y a esos amigos que me han enseñado que la amistad existe y los llevo en mi
corazón.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………….
CAPITULO I PROBLEMATIZACIÓN .......................................................... 1
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.................................................... 1
1.2. OBJETIVOS .......................................................................................... 2
1.2.1. General .................................................................................... 2
1.2.2. Específicos ............................................................................... 2
1.3. HIPÓTESIS ........................................................................................... 3
1.4. JUSTIFICACIÓN ................................................................................... 4
1.5. ANTECEDENTES ................................................................................. 5
CAPITULO II MARCO TEÓRICO ............................................................... 1
2.1. Agua ...................................................................................................... 8
2.1.2. Propiedades físicas y químicas del agua ................................. 8
2.1.3. Contaminación del agua ........................................................ 10
2.1.4. Tratamientos de purificación del agua ................................... 10
2.1.5. Tipos de agua para purificación y consumo humano ............. 12
2.2. Destilación ........................................................................................... 13
2.3. Procesos físicos de la destilación ........................................................ 15
2.3.2. Condensación ........................................................................ 15
2.4. Aparato de destilacion ......................................................................... 16
2.5 Agua mineral o agua destilada ............................................................. 17
2.6. Energía ................................................................................................ 21
2.6.1. Energías agotables ................................................................ 21
2.6.2. Energía renovable .................................................................. 22
2.7. Colector solar ...................................................................................... 23
2.8. Captadores solar de baja temperatura ............................................... 23
2.9. Captadores solar de alta temperatura ................................................. 24
2.10. Lente Fresnel ..................................................................................... 25
2.9.1. Principio de funcionamiento .................................................. 26
2.1 MARCO LEGAL ................................................................................... 29
CAPITULO III METODOLOGÍA ................................................................. 30
3.1. METODOLOGÍA .................................................................................. 31
3.2. Materiales ............................................................................................ 31
3.3. Instrumentos, equipo y accesorios ...................................................... 31
3.4. Construcción del prototipo ................................................................... 31
3.4.1. Primera Sección ..................................................................... 31
3.4.2. Segunda Sección ................................................................... 33
3.4.3. Tercera Sección ..................................................................... 36
3.4.4. Cuarta sección ....................................................................... 37
3.5. Acabado del prototipo de destilador solar........................................... 41
3.6. Pruebas experimentales ..................................................................... 43
3.6.1.Evaluación preliminar ........................................................................ 43
3.6.2. Primera fase ........................................................................... 43
3.6.3. Prueba preliminar calidad del destilado ................................ 44
3.7.Segunda fase ....................................................................................... 44
3.7.1. Proceso experimental del sistema de calentamiento solar .... 44
3.7.2. Prueba y resultado al sitema de calentamiento solar ............ 46
3.7.2. Prueba preliminar para la calidad del destilado...................... 46
3.8. Lugar donde se realizaron las pruebas del prototipo. ......................... 46
3.9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................ 47
3.9.1. Resultados de la primera fase .......................................................... 47
3.9.2.Resultados de la segunda fase ......................................................... 47
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 49
Conclusiones .............................................................................................. 50
Recomendaciones ...................................................................................... 51
Bibliografía .................................................................................................. 52
ANEXOS..................................................................................................... 54
ÍNDICE DE FIGURA
Figura 1 Aparato de destilación ........................................................................ 16
Figura 2 Calentador solar como captador de baja temepratura ........................ 24
Figura 3 Colector solar de alta temperatura ...................................................... 25
Figura 4 Lente Fresnel ...................................................................................... 25
Figura 5 Lente Fresnel de 1 x 1 m, 500 soles ................................................... 28
Figura 6 Cuerpo del evaporador ....................................................................... 32
Figura 7 Cuerpo del evaporador ....................................................................... 33
Figura 8 Serpentín ............................................................................................ 34
Figura 9 Aros para ecurrimiento del liquido condensado, colocado en el interior
del condensador ............................................................................................... 35
Figura 10 Flotador colocado en el extremo inferior del serpentín .................... 36
Figura 11 Sistema de salida del liquido condensado. ....................................... 37
Figura 12 Lentes Fresnel, colocadas en la circunferencia del evaporador y por
encima de este. ................................................................................................. 38
Figura 13 Abrazadera, ubicada en la circunferencia del condensador. ............ 39
Figura 14 Abrazadera, colocada a la circunferencia del condensador, ........... 40
Figura 15 Los marcos soportan las lentes F. ................................................... 41
Figura 16 Prototipo de destilación solar terminado ........................................... 42
Figura 17 Proceso llevado a cabo las pruebas de funcionalidad. ................... 43
Figura 18 Proceso del sistema de calentamiento solar con lentes Fresnel. ..... 45
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Propiedades más importantes del agua ................................................. 9
Tabla 2 Contaminates del agua y posibles tratamientos .................................. 11
Tabla 3 Tipos de aguas más aptas para purificaón .......................................... 12
Tabla 4 Principales tipos de destilación ............................................................ 14
Tabla 5 Comparación entre distintos sistemas de depueración de agua .......... 20
Tabla 6 resultados de las pruebas experimental sobre la funcionalidad de ...... 44
Tabla 7 Resulatdos de la prueba de calidad del destilado ................................ 46
ANEXOS
Anexo 1 Evaporador ........................................................................................ 54
Anexo 2 Serpentín colocado en el interior del condensador ............................ 54
Anexo 3 Vista de cuerpo entero del destilador ............................................... 54
Anexo 4 Resgistro de patente .......................................................................... 54
INTRODUCIÓN
El agua, es el recurso natural más importante y la base de toda forma de vida.
Conociendo la importancia vital del agua, debemos estar informados sobre los
problemas por los que atraviesa el agua, las dificultades a enfrentar si falta o si
está contaminada.
En México la concentración de la población y la actividad económica han
creado zonas de alta escasez de agua, no sólo en las regiones de baja
precipitación pluvial sino también en zonas donde eso no se percibía como un
problema al comenzar el crecimiento urbano o el establecimiento de agricultura
de riego. Tan sólo para ilustrar la situación extrema del agua, podemos
mencionar que, según cálculos de la Comisión Nacional del Agua, 101
acuíferos de un total de 600 están sobre explotados, otros se encuentran
disminuidos en su cauce y la mayoría de alguna manera contaminados.
Al problema de escasez, contaminación de agua, se suma el inconveniente de
purificar el agua para consumo humano, que en su proceso o en alguna parte
de él, hace uso de algún tipo de energía no renovable, siendo origen de una
buena parte de los contaminantes en la atmósfera, además del costo
económico.
En consecuencia es necesidad,disminuir, remediar o solucionar los
inconvenientes que esto representa, desde múltiples aspectos. Actualmente con
el objeto de solucionar la problemática, se esta haciendo tecnología, la cual
hace uso de energía renovable, pero todavía esta en crecimiento e
investigación. Lo que significa, que debemos crear, desarrollar tecnología de
purificación de agua, que comprenda el uso de energias renovables.
Por consiguiente, el desarrollo de un prototipo de destilación solar, resulta una
opción para purificación de agua cruda o ligeramente contaminada. El cual para
llevar a cabo el proceso de destilación, obtenga la energía térmica del sol a
través de un captador solar de alta temperatura (Lentes Fresnel). Así mismo se
ha desarrollado el prototipo de destilación solar por la presente autora.
Actualmente en nuestro país como en todo el mundo, existe el problema de
escacez y contaminación del agua, por la importancia que esta tiene en
nuestras vidas es fundamental el desarrollo de tecnología amigable con el
ambiente. Por este motivo, el desarrollo de un prototipo de destilación es una
opción al desarrollo de otros prototipos con estas caracterisiticas y asi mismo
estos fueran susceptibles de ser mejorados.
CAPITULO I
PROBLEMATIZACIÓN
1
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
De los problemas que debemos afrontar los seres humanos es la escasez de
agua. Los abastecimientos de agua disminuyen, mientras que la demanda
crece sorprendentemente, otro problema es la calidad de agua, las personas
enferman o mueren debido al agua potable contaminada y saneamiento
deficiente.
En contraste a lo anterior, los tratamientos de purificación de agua son caros y
contaminan, en este contexto, la destilación es una opción de purificación del
agua contaminada. Sin embargo, la mayoría de las veces se emplea energía
de origen fósil lo que hace de mayor costo a su procesos, además en la
combustión de este tipo de energía se emiten contaminantes a la atmósfera.
En consecuencia, es conveniente crear equipos térmicos que permitan el uso
de energía solar para llevar a cabo el proceso de destilación del agua como
medio de purificación y en resultado disminuir problemas de escasez de agua
potable, emisiones de contaminantes a la atmósfera y disminuir los costos de
proceso.
2
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. General
Desarrollar un prototipo de destilador solar para agua cruda.
1.2.2. Específicos
Analizar los tipos de destiladores actuales para agua cruda
Diseñar un prototipo de destilador solar para agua
Construir el prototipo de destilador solar
Probar la eficiencia del destilador solar
Evaluar la calidad del agua tratada
3
1.3. HIPÓTESIS
Mediante el desarrollo de un prototipo de destilador que utiliza energía solar en
lugar de energía no renovable, será posible obtener agua más limpia a partir de
agua cruda.
4
1.4. JUSTIFICACIÓN
Desarrollar prototipos de destilación solar e introducir el uso de estos, sería de
gran beneficio socio-económico-ambiental. Esto podría lograrse, considerando
que la destilación es un proceso de purificación relativamente fácil, aplicando
para su proceso energía térmica solar a través de dispositivos de concentración
solar de alta temperatura, además incluir en su diseño la durabilidad, diferente
capacidad y de fácil uso.
Una vez utilizados, serían una buena aplicación para potabilización de aguas
superficiales, como ríos lagos y aguas subterráneas, es decir ligeramente
contaminadas. Resultaría especialmente útil para las zonas serranas costeras
en las cuales la lejanía o economía son el factor restrictivo al agua de consumo
humano. En su aplicación también se encontrarían beneficios económicos, ya
que al dejar atrás el uso de energía no renovable se reduciría los costos de
procesos de purificación. Otra de las garantías de esta aplicación seria la
disminución de emisiones de contaminantes a la atmósfera, ya que son el
resultado de la combustión de energéticos de origen fósil.
Resumiendo, el desarrollo de prototipos de destilación, que utiliza energía solar
en lugar de energía no renovable para obtener agua de consumo humano o
potable, sería de beneficios e importancia social, económica y ambiental.
Asimismo, se esperaría fuera susceptible de mejorar cada vez su diseño.
5
1.5. ANTECEDENTES
Los principios básicos de la destilación solar ya eran conocidos desde hacía
muchos años cuando se construyó en Chile en 1872 la primera instalación
importante. Este destilador solar, ubicado en Las Salinas, en una zona
desértica, fue descrito por el ingeniero J. Hardin del Instituto de Ingeniería Civil
en Londres en 1883. Lo describe como una instalación cubierta de vidrio, que
abarcaba una superficie de 50,000 pies cuadrados y producía un máximo de
5000 galones por día; de agua destilada para abrevar mulas. El tiempo que
funcionó fue aproximadamente 40 años.
Durante la segunda Guerra mundial se diseñaron destiladores plegables para
uso en valsas salvavidas. Estos consistían en unidades circulares de plástico,
con fondo cónico provisto de peso y una parte superior hemisférica, que una
vez infladas flotaban en el mar. Bajo el casquete de plástico el vapor que se
formaba se condensaba, el destilado se acumulaba en el fondo del cono. Este
dispositivo se fabricó en considerables cantidades (UNIDAS, 1972)
Después, de la segunda guerra mundial se diseñaron y construyeron en los
Estados Unidos de América, en la Universidad de California varios pequeños
destiladores experimentales con cubiertas de vidrio. Aproximadamente por la
misma época en las Islas Vígenes se construyeron varios diseños de
destiladores entre ellos los de estanque. Mas tarde, la unidad del tipo de
estanque fue modificado por los franceses y españoles para la instalación de
las Marinas.
En la actualidad se hallan en marcha proyectos de perfeccionamiento de los
destiladores de estanque de sistema de propósito múltiple y producción
combinada, es decir que puede producir tanto sal como agua, asimismo
funcionan con energía combinada es decir energía eléctrica y solar.
6
Actualmente se ha comenzado la introducción de destiladores solares con
sistemas fotovoltaicos autónomos, como por ejemplo el instalado en la
comunidad de Santamaría del Loreto en Santiago de Cuba que fue electrificada
con una Central Fotovoltaica de 25 kW para la generación de electricidad.
Produce agua pura a bajo costo; ideal para beber, cocinar, infusiones, café,
biberones etcétera.
En México la destilación solar se ha desarrollado en proyectos de investigación
de instituciones educativas y de forma aislada en algunos proyectos para
proveer agua potable a comunidades costeras aplicando destilación indirecta
De estos últimos resalta el realizado en La Paz, Baja California Sur, dicha
instalación producía alrededor de 20 m3 por medio de colectores cilíndrico-
parabólicos. Otra instalación importante se llevó a cabo en Puerto Chale,
B.C.S., para proveer de agua potable a esta comunidad pesquera. También
destaca la planta construida en Puerto Lobos, Sonora, con el mismo propósito
que la anterior.
En la investigación los avances realizados en destiladores de canal largo y
destiladores indirectos por la UNAM en conjunto con la UABCS y el I.T. de La
Paz, así como el desarrollo de diversos prototipos de destiladores tipo caseta y
de otros tipos destacan los trabajos realizados en el ITESO y el CINVESTAV-
Mérida.
Por último, existen grandes instalaciones de destiladores en diversas partes del
mundo, notablemente en países con escasez de agua pero con acceso al mar
como Israel, Islas Canarias y en diversas islas áridas del mediterráneo y otros.
De modo que en varios lugares se investiga sobre el desarrollo de nueva
tecnología para destilar agua de consumo humano.
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
8
2.1. Agua
El agua (latín aqua) sustancia transparente, inodora e insípida, que se
encuentra en estado líquido a temperatura y presión estándar. Su composición
molecular es de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En realidad el
agua es una sustancia de propiedades poco frecuentes, que la diferencian
mucho tanto física como químicamente de la mayoría de los líquidos corrientes.
Es el compuesto más abundante en los organismos vivos, ya que constituye el
70 a 90 por ciento del peso de la mayor parte de las formas de vida, asimismo
la fase continua de los organismos. A causa de su abundancia y ubicuidad
ningún tipo de vida es posible, sin agua (Lehninger, 1991).
2.1.2. Propiedades físicas y químicas del agua
El agua está en constantemente movimiento en el ciclo del agua, es una
sustancia de propiedades físicas y químicas representativa para la vida sobre la
faz de la tierra. Muestra de ello, es el alto índice específico de calor, en virtud de
ello los seres vivos como el planeta logran regular su temperatura.
También, tiene una tensión superficial muy alta, esta propiedad confiere al agua
la característica de ser pegajosa y elástica, por lo que tiende a unirse en gotas
en lugar de separarse, de este modo el agua puede moverse a través de las
raíces de las plantas y a través de los pequeños vasos sanguíneos del cuerpo
humano.
También, es considerada el disolvente universal, ya que prácticamente disuelve
casi todos los cuerpos sólidos. Las plantas se nutren de sustancias minerales
que hay en la tierra, esas sustancias, tienen que ser disueltas antes por el agua
para poder entrar en la planta, lo mismo sucede con los demás seres vivos.
Su importancia reside, en que casi la totalidad de los procesos que ocurren en
la naturaleza y en los organismos vivos es gracias a sus propiedades. En la
Tabla 1 se sintetizan las propiedades mas importantes del agua.
9
PROPIEDADES FÍSICOQUIMICAS DEL AGUA
Disolvente Es lo más cercano al solvente universal.
Cohesión Propiedad con la que las moléculas de agua se atraen entre sí, lo que permite que
el agua se mantenga líquida a temperaturas no extremas.
Adhesión
El agua, por su gran potencial de polaridad, generalmente es atraída y se
mantiene adherida a otras superficies. La polaridad del agua se da por la
geometría tetraédrica irregular de sus átomos de hidrógeno, oxígeno y su alta
electronegatividad. Lo que le confiere gran capacidad de atraer electrones de
enlace hacia sí y otros.
Tensión
superficial
El agua tiene gran atracción entre las moléculas de su superficie, La superficie del
líquido se comporta como una película capaz de alargarse y con cierta resistencia
al intentar romperla; por lo que algunos objetos flotan en la superficie del agua.
Calor específico. Cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura, en un grado Celsius, a
un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C•g, que es igual a
4,1840 J/Kg.
Punto de fusión Temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido o a
la inversa. Temperaturas de fusión del agua a 1 atm es de 0 °C.
Temperatura de
evaporación.
La evaporación del agua puede producirse prácticamente a cualquier temperatura
entre 0 y 100 ºC a presión atm. Las moléculas de agua adquieren suficiente
energía cinética y escapan de la atracción de las otras moléculas a la atmosfera.
Fenómeno que también depende del aire y humedad relativa.
Punto de
Ebullición
Cuando se alcance una temperatura tal, para la cual, el valor de la presión de
vapor saturado del líquido en cuestión, sea igual al valor de la presión atmosférica,
la evaporación se producirá en toda la masa del líquido, se dice entonces que el
líquido entra en ebullición (hierve).
Densidad. Cantidad de masa contenida en un determinado volumen. La densidad del agua
varía cuando cambia la presión y temperatura.
Presión de vapor
Presión de la fase gaseosa sobre la fase líquida a temperaturas por debajo del
punto ebullición. Entre más vapor en un sistema cerrado la presión aumenta no
de forma indefinida y hay un valor de presión para el cual por cada molécula que
logra escapar del líquido necesariamente regresa una de las gaseosas a él, por lo
que se establece un equilibrio y la presión no sigue subiendo.
Tabla 1 Propiedades más importantes del agua Fuente: (Boys & Nogués Acuña)[email protected]
10
2.1.3. Contaminación del agua
Se considera agua contaminada, cuando su composición o su estado están
alterados de tal modo que ya no reúne las condiciones de utilización a las que
se hubiera destinado en su estado natural. Para la contaminación del agua
debe considerarse también, tanto las modificaciones de las propiedades físicas,
químicas y biológicas del agua, como los cambios de temperatura provocados
por emisiones de agua caliente. (OMS, 2011)
La contaminación puede ser de origen natural pero también puede existir otra
muy notable de procedencia humana. La primera el agua al caer con la lluvia
por enfriamiento de las nubes arrastra impurezas del aire. Al circular por la
superficie o a nivel de capas profundas, se le añaden otros contaminantes
químicos, físicos o biológicos. Puede contener productos derivados de la
disolución de los terrenos: calizas (CaCO3), calizas dolomíticas (CaCO3-Mg
CO3), yeso (CaSO4-H2O), anhidrita (CaSO4), sal (NaCl), cloruro potásico (KCl),
silicatos, oligoelementos, nitratos, hierro, potasio, cloruros, fluoruros, así como
materias orgánicas. En la segunda de procedencia humana por actividades
agrícolas, ganaderas o industriales, en la mayoría de las veces hace
sobrepasar la capacidad de autodepuración de la naturaleza.
Al ser recurso imprescindible para la vida humana y para el desarrollo
socioeconómico, industrial y agrícola, una contaminación a partir de cierto nivel
cuantitativo o cualitativo, puede plantear un problema de Salud Pública.
2.1.4. Tratamientos de purificación del agua
Dada su importante, el agua destinada al consumo humano, antes de su
distribución, debe ser sometida a tratamiento de purificación y desinfección
(Lesur, 1996) En la Tabla 2, se exponen los contaminantes del agua mas
frecuentes así mismo posibles tratamiento entre ellos la destilación.
11
Tabla 2 Contaminates del agua y posibles tratamientos Fuente: Manual de purificación del agua Luis Lesur,1996
CONTAMINANTE TRATAMIENTO
CONTAMINACIÓN
MICROBIOLÓGICA
Coliformes fecales
Clorinación, ozonificación, radiación ultravioleta y destilación.
Giardia Lamblia Filtración fina, clorinación, ozonificación, radiación ultravioleta y
destilación.
Turbidez Filtración fina, osmosis inversa, carbón activado, radiación
ultravioleta destilación.
CONTAMINANTES
INORGÁNICOS
Resinas de intercambio iónico(Zeolitas), osmosis inversa,
destilación
Cobre (10 ppm)
Sodio (20 ppm ) Resinas de intercambio iónico, osmosis inversa, destilación.
Flúor (4 ppm) Resina de intercambio iónico, osmosis inversa y destilación.
Arsénico (0,05 ppm) Resina de intercambio iónico, osmosis inversa, coagulación con
filtración, destilación.
Bario (2 ppm) Resina de intercambio iónico, osmosis inversa, suavización,
destilación.
Cadmio (0.005 ppm) Resina de intercambio iónico, osmosis inversa, coagulación con
filtración, destilación.
Cromo(0.1 ppm) Coagulación con filtración, resinas de intercambio iónico,
suavización, osmosis inversa, destilación.
Plomo( 0.015 ppm) Resinas de intercambio iónico, osmosis inversa, coagulación con
filtración, suavización, carbón activado granular, destilación.
Mercurio (0.002ppm)
selenio
Carbón activado, suavización, osmosis inversa, coagulación con
filtración, destilación.
CONTAMINANTES.
ORGÁNICOS
Acilamina, benceno,
plaguicidas, herbicidas,
Carbón activado granular.
RADIONUCLEIDOS
Desechos radioactivos,
depósitos de uranio
Osmosis inversa, resinas de intercambio iónico, suavización a pH
elevado.
12
2.1.5. Tipos de agua para purificación y consumo humano
La depuración de agua contaminada para consumo humano, consiste en retirar
de una manera u otra los contaminantes. Eliminarlos implica algún tipo de
tratamiento, asimismo, un costo económico, relacionado con el grado de
contaminación del agua y objeto de la purificación. Por consiguiente, la
caracterización permite la selección de agua que represente la menor dificultad
en el tratamiento de purificación. En la tabla 3 se muestra ciertos tipos de agua
con mayor posibilidad para tratamiento de purificación.
TIPO DE
AGUA AGUA MAS APTA PARA LA PURIFICACIÓN
Salada Agua en la que la concentración de sales es relativamente alta (más de 10
000 mg/l).
Salobre Agua que contiene sal en una proporción significativamente menor que el
agua marina. Entre 1000 - 10 000 mg/l.
Dulce Agua natural con una baja concentración de sales, o generalmente
considerada adecuada, previo tratamiento, para producir agua potable.
Dura La dureza está determinada por el número de átomos de calcio y magnesio
presentes. El jabón se disuelve malamente.
Blanda Agua sin dureza significativa.
Cruda o bruta Agua que no ha recibido tratamiento de ningún tipo, o agua que entra en una
planta para su ulterior tratamiento.
Mineral
Se define como aguas bacteriológicamente sanas extraídas de yacimientos
subterráneos y que brotan de un manantial en uno o varios puntos de
alumbramiento naturales o perforados. Pero actualmente muchos de ellos
están contaminados.
AGUA PAPA CONSUMO HUMANO
Potable
Fines domésticos e higiene personal, así como para beber y cocinar; Agua
potable cuyas características microbianas, químicas y físicas cumplen con las
pautas de la OMS o los patrones nacionales sobre la calidad del agua potable
(UNICEF. 2011)
Destilada Es el liquido obtenido alcondensar el vapor producido por el agua al hervir.
Tabla 3 Tipos de aguas más aptas para purificaón Fuente: Manual de purificación del agua Luis Lesur,1996, www.oms.gob.com/articulos.
13
2.2. Destilación
La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y
condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en
líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos
de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que
el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir,
no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la
presión.
El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios
componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los
materiales volátiles de los no volátiles. Si los puntos de ebullición de los
componentes de una mezcla sólo difieren ligeramente, no se puede conseguir
la separación total en una destilación individual. Un ejemplo importante es la
separación de agua, que hierve a 100°C, y alcohol, que hierve a 78.6°C. Si se
hierve una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale es más rico en
alcohol y más pobre en agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol
puro. Con el fin de concentrar una disolución que contenga un 10% de alcohol
(como la que puede obtenerse por fermentación) para obtener una disolución
que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de
destilarse una o dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son
necesarias varias destilaciones (Rajiv, Jorapur, & Rajvanshi, 1991).
La destilación es el método más utilizado para separar y purificar mezclas y
líquidos. Tiene innumerables aplicaciones en la industria y en laboratorio. Se
usa con fines muy variables: para purificar un componente separándolo de otra
sustancia que se introdujo en el curso de su elaboracion, para separar dos
componentes valiosos o dos disolventes que luego se recuperan y recirculan
devolviendose al proceso original (ENCARTA, 2008) En la tabla 4 se exponen
los principales tipos de destilación
14
PRINCIPALES TIPOS DE DESTILACIÓN
Destilación simple
Destilación simple los vapores producidos son inmediatamente
canalizados hacia un condensador, el cual los refresca y condensa de
modo que el destilado no resulta puro. Su composición será idéntica a la
composición de los vapores a la presión y temperatura dados y pueden
ser computados por la ley de Raoult.
Destilación
fraccionada
Es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente
cuando es necesario separar líquidos con punto de ebullición cercanos.
La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de
una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre
los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende,
por la utilización de diferentes "platos".
Destilación al vacío
Es la operación complementaria de destilación del crudo procesado en
la unidad de destilación atmosférica, que no se vaporiza y sale por la
parte inferior de la columna de destilación atmosférica. El vaporizado de
todo el crudo a la presión atmosférica necesitaría elevar la temperatura
por encima del umbral de descomposición química y eso, en esta fase
del refino de petróleo, es indeseable.
Destilación por
vapor
Si dos líquidos insolubles se calientan, ninguno de los dos es afectado
por la presencia del otro (mientras se les remueva para que el líquido
más ligero no forme una capa impenetrable sobre el más pesado) y se
evaporan en un grado determinado solamente por su propia volatilidad.
Por lo tanto, dicha mezcla siempre hierve a una temperatura menor que
la de cada componente por separado.
Destilación molecular centrífuga
Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra
herméticamente y se coloca en posición vertical, se produce una
separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una
centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice,
las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más
pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo
la separación más eficaz
Tabla 4 Principales tipos de destilación Fuent: ENCARTA 2008. http://es.encarta.msn.com/encyclopedia
15
2.3. Procesos físicos de la destilación
Para que ocurra la destilacion es necesario que se lleven a cabo dos
fenómenos físicos, la evaporacion y condensacion.
2.3.1. Evaporación
La evaporación es un proceso físico en el que un líquido o un sólido se
convierte gradualmente en gas. Considerando que en este proceso el agua se
calienta al absorber energía calórica del sol, suponiendo la fuente de energía es
el sol y que esto permite culminar la fase. La energía necesaria para que un
gramo de agua se convierta en vapor es de 540 calorías a 100 ºC valor
conocido cómo calor de evaporación.
Hay dos tipos de vaporización: la ebullición y la evaporación. La ebullición, es
el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al
estado de gas. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la
masa del líquido. La diferencia entre la evaporación y la ebullición, es que en la
evaporación, el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido.
También se encuentra en que en una se necesita mayor cantidad de calor para
que suceda la reacción y los vapores se desprenden de todo el seno de la masa
Agua (King, 1988).
2.3.2. Condensación
La condensación es el cambio de estado de la fase vapor a la fase líquido. El
vapor que condensa puede ser un vapor puro, una mezcla de vapores no
miscibles o un vapor mezclado con un gas (el gas no condensará) aquí solo se
tratará condensación de un vapor puro. Dicho de otra manera es el fenómeno
inverso de la vaporización. Debido a paredes frías con la función de extraer el
calor (Pedro R., 2000).
a) Para que se produzca condensación, es necesario la existencia de una
superficie fría (p. ej., la de un tubo). Existen dos tipos de condensación:
16
Condensación en forma de gota. El vapor condensa en forma de
pequeñas gotas sobre la superficie fría. Esas gotas se van
desprendiendo de la superficie y en su lugar van formándose gotas
nuevas. (Pedro R. 2000).
b) Condensación por película descendiente es muy utilizada. Se puede
producir en el interior o exterior de tubos verticales o sobre placas planas
verticales. Las gotas liquidas que se forman por enfriamiento, se
adhieren a la pared debido al efecto de las fuerzas de tensión superficial,
y constituye una película de espesor que va creciendo en sentido
descendiente. Esta película se acumula y desciende al fondo del aparato
(Pedro R., 2000)
2.4. Aparato de destilacion
Técnicamente el término alambique se aplica al recipiente en el que se hierven
los líquidos durante la destilación, pero a veces se aplica al aparato entero,
incluyendo la columna fraccionadora, el condensador y el receptor en el que se
recoge el destilado. Este término se extiende también a los aparatos de
destilación destructiva o craqueo. Los alambiques para trabajar en el laboratorio
están hechos normalmente de vidrio, pero los industriales suelen ser de hierro o
acero, otros se están desarrollando y mejorando los destiladores solares.En la
figura 1 se muestra de un destilador y partes de su proceso
Figura 1 Aparato de destilación Destilación y tipos de destilación.www.alambiques.com
17
2.5 Agua mineral o agua destilada
Que es mejor beber agua destilada o agua mineral. Si se pregunta a los
médicos la mayoría le responderá que el agua destilada es apta en el consumo
humano, ya que los minerales necesarios y en su mejor forma los podemos
obtener de los alimentos.
La importancia del agua en la salud está fuera de toda duda, Sin embargo, hay
algo que está en si es mejor beber agua mineral o destilada. Es verdad que no
es lo mismo beber agua de grifo en la ciudad o agua de grifo que agua de
manantial, entre éstas hay diferencias, especialmente en lo que al grado de
mineralización se refiere: cuantos menos minerales tenga mejor es para el
consumo. A fin de cuentas los minerales del agua no se asimilan por el
organismo y deben ser eliminados; si alguien bebe agua rica en minerales
puede terminar logrando tener piedras en los riñones y los conductos urinarios
así como en las paredes intestinales, las arterias, las articulaciones, el hígado y
hasta el corazón, a veces corroyendo incluso los tejidos. Porque los minerales
del agua son minerales inorgánicos y nosotros al igual que los animales sólo
podemos asimilar los minerales orgánicos (Dr. Ams, 1987).
Es decir, son sólo las plantas las que pueden absorber por las raíces los
minerales inorgánicos quedándoselos y transformándolos en orgánicos, en
asimilables por animales y humanos y son también las plantas frutas y verduras
las que transforman el agua que absorben de la tierra en agua destilada, libre
de minerales inorgánicos, pura y además en forma de cristal líquido.
Según los cálculos de los expertos a lo largo de la vida una persona que bebe
agua dura no destilada puede llegar a ingerir el equivalente a 450 vasos de
minerales sólidos. Residuos que si no se eliminan se derminan acumulando o
tederiorando tejidos dando lugar a numerosas dolencias y sólo hay una manera
de prevenir ese problema: eliminar los minerales inorgánicos, ingiriendo agua
desmineralizada, preferentemente destilada.
18
Beber agua lo más pura posible lo que por una parte, se consigue ingiriendo el
agua biológica de las frutas y verduras -destilada naturalmente y, por otra,
utilizando medios mecánicos de purificación. Es decir, mediante filtros, aparatos
que eliminen el máximo posible de impurezas y elementos patógenos.
Obviamente en las grandes poblaciones urbanas las llamadas aguas potables
han sido ya sometidas a un proceso de purificación y se supone que son aptas
para el consumo pero la verdad es que su calidad es en general bastante
discutible. Porque no hablamos sólo de su dureza, de que sea salina o
calcárea, sino también de los microorganismos que no se eliminan con tales
procesos a pesar del cloro añadido. Por eso en muchas poblaciones la
instalación de métodos de purificación de agua en los domicilios, oficinas e
instalaciones públicas sea una necesidad decisiva y hablamos básicamente de
tres posibilidades:
a) Filtros, eliminan del agua la arena, el mal olor, el cloro y la mayoría de los
contaminantes orgánicos como los pesticidas, los herbicidas, el benceno,
los trihalometanos (THM) y los policlorobifenilos (PCB).
b) Dispositivos de ósmosis inversa: además de lo anterior, eliminan
contaminantes inorgánicos como el arsénico, el boro, el cadmio, el calcio,
el cromo, el cobre, el plomo, la plata, el manganeso, el mercurio, los
sulfatos, los cloruros, el sodio, el selenio y el zinc, hierro, nitratos,
sulfuros, virus, no así el cloro, además de los contaminantes radiactivos
estroncio 90 y radio 226 y 228, un contaminante orgánico como el tanino
e, incluso, la mayor parte de las microalgas, bacterias, hongos y mohos
presentes en el agua.
c) Destiladoras al vapor: los aparatos de agua destilada si eliminan todos
los contaminantes mencionados sin excepción: los inorgánicos, los
orgánicos, los radioactivos y los biológicos. Siendo algunos de excelente
calidad y precio muy asequible. Sin pérdida de agua
19
La destilación por vapor, es en realidad el procedimiento utilizado por la
naturaleza para purificar el agua. La diferencia está en que en la naturaleza el
vapor se crea por efecto del calor del sol y en la destiladora el calor se consigue
con electricidad haciendo hervir el agua; y en la naturaleza el vapor se
condensa por las bajas temperaturas de la atmósfera produciendo lluvia o nieve
y en la destiladora se logra haciendo pasar el vapor por espirales que la enfrían.
Pero en ambos casos las impurezas se eliminan. Debido a las constantes
cuestiones sobre la diferencia entre destilación de vapor de agua y otros
procesos de purificación Dr. Marc Ams, de su libro Water Connectionen,
muestra e identifica que elementos son capaces de eliminarse y cuáles no con
cada tratamiento. Él, hizo una comparación entre los diferentes procesos de
purificación de agua para consumo humano. Esto es la entre destilación,
osmosis inversa y filtros de carbón
En sus investigaciones él resume y muestra que la destilación es uno de los
procesos que mas elementos contaminates elimina del agua, siguiendo a este
la osmosis inversa, por último los filtros de carbon, como puede observarse en
la tabla 5.
Mas tarde, Lexis Carrol -premio Nobel de Medicina en 1912 llegó a relacionar el
agua con la inmortalidad: La célula es inmortal. En realidad es el fluido en el
que flota, básicamente agua, lo que degenera. Por tanto, renovando ese fluido a
intervalos proporcionaríamos a las células lo que necesitan para su
alimentación y, hasta donde nosotros conocemos, el pulso de la vida
continuaría para siempre, por lo que resulta necesario tomar el agua en
abundancia y lo más pura posible para lograr células siempre sanas.
20
Tabla 5 Comparación entre distintos sistemas de depueración de agua Fuente: http://www.fabricatuagua.com
21
2.6. Energía
El concepto de energía esta relacionado con la capacidad de poner en
movimiento o transformar algo. Tiene diversas acepciones y definiciones,
relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en
movimiento. En física energía se define como la capacidad para realizar un
trabajo. En tecnología y economía la energía se refiere a un recurso natural
(incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla, y luego
darle un uso industrial o económico.
Entendida como un recurso natural, la energía nunca es un bien es sí misma,
sino que es un bien intermedio que permite satisfacer otras necesidades en la
producción de bienes y servicios.
La energía también puede clasificarse según sus fuentes. Se llaman energía
renovable a aquella que proviene de fuentes agotables, como la procedente del
petroleo y el carbón o el gas natural. En cambio la energía renovable es
relativamente infinita.
2.6.1. Energías agotables
Las fuentes de energía primarias agotables son aquellas de las cuales hay una
cantidad limitada, se conozca o no esa cantidad. Las fuentes primarias
agotables almacenadas en la tierra son difíciles de evaluar y, por ello, hay una
gran disparidad en las cifras de reservas sobre todo, que se dan sobre todo
cuando en la evaluación se tienen criterios económicos y peor aún, cuando
interviene interese comerciales. En cualquier caso, conviene hacer hincapié en
que la cantidad total es finita y el coste de extracción suele estar relacionado
con las tecnologías correspondientes y con las leyes del mercado, incluyendo al
gobierno.
22
De entre las agotables en orden de distribución de energía primaria a nivel
mundial y de mayor abundancia y uso, se encuentra, el petróleo 33%, carbón
23%, gas natural %, 18% energía renovables 18%, nuclear.
Al día de hoy, el petróleo sigue manteniendo una cierta hegemonía pero
disminuyendo también su participación relativa a nivel mundial y el combustible
gaseoso aumenta su participación de manera firme. Un estudio de Worldwatch
Institute predice que para el 2050 no se hará uso del carbón por razones medio
ambientales y para el 2100 ya no se consumirá petróleo y el hidrogeno habrá
sustituido al gas natural como vector energético gaseoso. (Valeriano, 2006)
Según parece apuntarse por todos los especialistas el hidrógeno será en efecto
el combustible predominate. Pero el hidrógeno no es una fuente energética
primaria, no hay minas pozos de hidrogeno. Hay que obtenerlo a partir de
sustancias que lo contengan. Sin duda el agua y gas metano para obtenerlo.
Pero la elaboración de hidrógeno implica tecnología cara que ahora se
encuentra en proceso.
2.6.2. Energía renovable
Las fuentes de energía primaria de carácter renovable son aquellas cuya
disponibilidad se repite en el tiempo según periodos fijos o variables y en
cantidades también variables. Ejemplo típico son la energía solar, eólica,
hidráulica, biomasa, etc.
Por lo que se refiere a la energía renovable es aún más difícil que en las
agotables hacer la valoración del recurso de manera absolutamente general y
precisa, lo cual no quiere decir que no se puedan dar algunos valores y datos
sobre su distribución espacial y temporal.
La duración de las reservas de las fuentes renovables de energía no se indican
por razones obvias, ya que dependen directa o indirectamente del sol y la vida
23
probable de éste es tan elevada en relación a la vida de un ser humano, que se
escapa de nuestra valoración. En cualquier caso se trata de miles y millones de
años.
De todas las fuentes renovables sin duda la radiación solar es la más
abundante y, por otra parte, el origen de todas las demás, incluidas –no lo
olvidemos las agotables de origen fósil. La única fuente energética que no
depende del sol es la nuclear (Valerio 2006).
2.7. Colector solar
Un captador solar, también llamado colector solar, es cualquier dispositivo
diseñado para recoger la energía irradiada por el sol y convertirla en energía
térmica. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de
baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de
calefacción y agua caliente sanitaria, y los colectores de alta temperatura,
conformados mediante espejos y utilizados generalmente para producir energía
eléctrica.
2.8. Captadores solar de baja temperatura
Captador solar plano, también llamado colector solar plano o panel solar
térmico, consiste en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se
calienta a su paso por el panel. Puede ser a su vez:
Captador plano protegido: con un vidrio que limita las pérdidas de calor.
Captador plano no protegido: sistema más económico y de bajo
rendimiento, utilizado esencialmente para climatización de piscinas.
Panel de tubos de vacío, donde la superficie captadora está aislada del
exterior por un doble tubo de vidrio que crea una cámara al vacío. En la
figura 2 se muestra un calentador solar como ejemplo de un captador de
baja temperatura
24
Fuente: Calentadores solares de agua http://www.hotfrog.com.mx
2.9. Captadores solar de alta temperatura
Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos
parabólicos. Pueden ser:
Sistemas lineales (disposición cilíndrica): el fluido se calienta al recorrer
la línea situada en el foco de la parábola. Sistemas puntuales
(disposición esférica): con forma de plato, utilizado para concentrar más
los rayos y obtener así temperaturas más altas cuando la infraestructura
es de dimensiones limitadas.
Lentes Fresnel o espejos planos, con idéntica función que los
concentradores solares lineales.
Espejos, espejos Fresnel en una central térmica solares, que concentran
la radiación solar en un único punto situado en una torre, en donde se
genera vapor de agua para producir electricidad. En la figura 3 se puede
ver un ejemplo de calentador solar parabólico de alta temperatura.
Figura 2 Calentador solar como captador de baja temepratura
25
Figura 3 Colector solar de alta temperatura Fuente: http://www.dav.sceu.frba.utn.edu.ar
2.10. Lente Fresnel
El conde George Louis Leclerc, escritor y naturalista francés, en 1748 sugirió
en que las lentes podrían tener su peso sensiblemente disminuyendo su
superficie esférica sin disminuir su potencia. La idea fue llevada a la práctica por
el físico francés Agustín Fresnel (1788-1827) que consiguió reducir el espesor,
peso de la lente logrando un poder luminoso mayor como puede observarse en
la figura 4.
Figura 4 Lente Fresnel Fuente: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA
26
La idea del el físico francés Agustín Fresnel, exactamente consistió en recortar
una lente esférica plano convexa o biconvexa y reducir a una serie de anillos
que son prismas parabólicos concéntricos que recogen la luz dispersa y la
concentran. La acción óptica es similar a la de una lente convergente pero con
espesor reducido y mucho más plana.
Se instaló por primera vez en un faro en Francia en 1827. Posteriormente, a
partir de 1945 estas se moldean en plástico llegando a tener menos de 1 mm de
espesor y pocas veces de vidrio.
Hoy por hoy las Lentes Fresnel, tienen mas de una aplicación, han sido las
lentes de los focos en estudios de televisión, proyectores de cine y escolares,
calentadores solares, como catadores solares de alta temperatura
comúmmente en las centrales electricas y en cocinas solares entre otros.
En las cocinas solares con lentes Fresnel no es necesario el uso de una caja de
aislamiento, pues la temperatura, dependiendo del foco podría sobrepasar los
600 ºC. Esta temperatura es demasiado alta para ser manejada con facilidad,
por lo que si la vasija de cocción se sitúa fuera del foco, aumentará la superficie
de caldeo (teleformacion, 2010).
2.9.1. Principio de funcionamiento
Las lentes Fresnel de vidrio o platico, la misión es la misma, es hacer que los
rayos de luz se comporten al atravesarlas como cuando atraviesan lentes plano
convexas, es decir los cortes múltiples circulares sobre la superficie de la lente,
hacen que funcione entre una combinación de prismas y lente en un único
dispositivo, a continuación una descripción mas detatallada sobre el
funcionamiento:
27
Utilizan las leyes de la refracción para concentrar la luz mediante prismas
o lentes.
Consiste de un conjunto de lentes, casi todas prismas, que convierten la
luz proveniente de una fuente puntual en una colección de rayos
paralelos.
Los rayos de luz que llegan paralelos al eje óptico tienden a concentrarse
en un punto o foco.
Concentran la radiación solar sobre receptores térmicos estacionarios.
Los primeros diseños se realizaron con óptica no formadora de
imágenes, lo que significa que el sistema acepta rayos fuera del campo
paraxial (no paralelos eje óptico)
La luz recibida por una Lente de Fresnel, puede dirigir el 80% de la luz
de la fuente hacia el observador, diferencia significativa si, se compara
con otros tipos de lentes.
Como otro concentrador cualquiera, concentran la radiación solar sobre
el receptor para incrementar la temperatura de trabajo
Teóricamente pueden alcanzarse 4, 9. 40, 45, 50 hasta 500 soles, con
una eficiencia óptica ≈ 60%
Se diseñan para una temperatura de trabajo entre 80ºC y 300ºC, con una
eficiencia total promedio anual entre el 40 y 50%
La eficiencia depende mucho del ángulo de incidencia.
La eficiencia óptica no es un parámetro constante, por lo que la eficiencia
ha de evaluarse no solo para una cierta localización geográfica, sino
28
también para cada orientación del colector. En la figura 5 se puede
observar una lente Fresnel de gran tamaño 1 x 1 m.
Figura 5 Lente Fresnel de 1 x 1 m, 500 soles Fuente: http://www.erco.com
29
2.1 MARCO LEGAL
El abastecimiento de agua para uso y consumo humano con calidad adecuada
es fundamental para prevenir y evitar la transmisión de enfermedades
gastrointestinales y otras, para lo cual se requiere establecer límites permisibles
en cuanto a sus características bacteriológicas, físicas, organolépticas,
químicas y radiactivas.
Con el fin de asegurar y preservar la calidad del agua en los sistemas, hasta la
entrega al consumidor, se debe someter a tratamientos de potabilización.
La, Norma Oficial Mexicana NOM-127 SSA1-1994 establece los límites
permisibles de calidad y los tratamientos de potabilización del agua para uso y
consumo humano, que deben cumplir los sistemas de abastecimiento públicos y
privados o cualquier persona física o moral que la distribuya, en todo el territorio
nacional.
Esta Norma Oficial Mexicana la deben cumplir los sistemas de abastecimiento
públicos y privados o cualquier persona física o moral que la distribuya, en todo
el territorio nacional.
La NOM-127 SSA1-1994 define al agua para uso y consumo humano: aquella
que no contiene contaminantes objetables, ya sean químicos o agentes
infecciosos y que no causa efectos nocivos al ser humana. (SSA, 2000)
En conclusión, el principal objetivo de la potabilización del agua, es la
protección de la salud pública, eliminando o reduciendo a una concentración
mínima los componentes peligrosos, sin embargo aun cuando no existen
normas vigentes que rijan la calidad del agua destilada, esta bien podría
considerarse legalmente potable, ya que la destilación elimina totalmente los
contaminates y de estos son una mayoría.
30
CAPITULO III
METODOLOGÍA
31
3.1. METODOLOGÍA
3.2. Materiales
Se uso lámina de acero inoxidable calibre 16, para el cuerpo del evaporador
lámina de acero inoxidable. calibre 18, en el cuerpo del condensador. Tubo de
acero inoxidable de ½” , para la salida del liquido condensado. Tubo de cobre
de ½” , utilizado como tubo de llegada de agua cruda. Una válvula de cierre
rápido de ½” ubicada en la salida del desagüe del evaporador (mantenimiento).
Un flotador de cobre ubicado en la terminar del serpentín. Acero inoxidable
calibre 18 para el sistema de soporte de lentes Fresnel (abrazadera, bastidor,
marcos, tornillos).
3.3. Instrumentos, equipo y accesorios
Tres lentes Fresnel para calentamiento solar, un termómetro utilizado para la
medición del agua de entrada, medición de la temperatura de la evaporación,
así mismo se mide el destilado obtenido con un vaso de precipitado en ml/h y
un reloj.
3.4. Construcción del prototipo
A un cuando se analizaron varios tipos de destiladores, desde los más antiguos
hasta los más actuales, el prototipo se ha diseñado y construido sin tener como
base un modelo físico existente. Solamente se analizaron las variables de las
cuales dependía se obtuviera el destilado. Por consiguiente, el cuerpo del
prototipo-destilador se compone en principio de cuatro secciones:
1. Evaporador.
2. Condensador ( por 3 piezas)
3. Sistema de salida del destilado.
4. Sistema de calentamiento solar ( por 3 piezas)
3.4.1. Primera Sección
Evaporador (1). La forma, es un tipo de cono recortado, que provee espacio
para contener el agua y disgregación de vapor, fabricado con lámina de acero
32
inoxidable calibre 16. Se optó por este tipo de material ya que es de excelente
resistencia a la corrosión, limpiabilidad e higiene, facilidad de formado.
Habilidad para manejar temperaturas criogénicas y altas temperaturas (hasta
925 grados Celsius), así mismo evita contaminación metálica, minimiza
adherencia de incrustaciones, lo mismo con el tubo de ½” con una válvula
para desagüe.En la figura 6 se puede observar el cuerpo del evaporador.
Figura 6 Cuerpo del evaporador
33
3.4.2. Segunda Sección
Condensador (2). La forma es de tipo cilindro, de acero inoxidable calibre 18; de
menor calibre que el vaporizador ya que no es expuesto alguna fuente de calor
directamente. El condensador a su ves contiene tres elementos: a) un serpentín
de cobre en forma contra corriente en el interior de este, b) 4 aros de acero
inoxidable calibre 18 a 45°C de inclinación, este para posar el líquido
condensado y escurrimiento del líquido c) un flotador de cobre. En la figura 7
muestra el cuerpo del condensador.
Figura 7 Cuerpo del evaporador
34
a) El serpentín con tubería de cobre de ½” de. Se colocó con soldadura
en el interior de la circunferencia del condensador-cilíndrico. Sus
funciones son dos: la primera, como tubería de llegada para el agua que
se va a tratar, segundo, el agua (de llegada) fluye por el interior del
serpentín a temperatura ambiente, así, por medio del serpentín se logra
condensar el vapor saliente del evaporador. En la figura 8 se muestra la
estructura del serpentín.
Figura 8 Serpentín
35
b) Cuatro aros de tipo cono recortado de acero inoxidable calibre 18, a 45°
de inclinación. Los cuatro aros se han soldado a la circunferencia del
serpentín. La finalidad de los aros es alojar el vapor de agua y
escurrimiento. Los grados de inclinación favorecen la rapidez de
escurrimiento del líquido condensado. El destilado sale por los canales
de los mismos aros, vertiendo el líquido al prisma triangular (3° sección).
En la figura 9 se muestra la forma de los aros y ubicación en el interior
del condensador.
Figura 9 Aros para ecurrimiento del liquido condensado, colocado en el interior del condensador
36
Flotador metálico de cobre, colocado en el extremo inferior de serpentín.
Funciona como sistema de control de flujo del agua de llegada al evaporador.
En la figura 10 se puede observar la ubicación del flotador en el extremo inferior
del serpentín.
Figura 10 Flotador colocado en el extremo inferior del serpentín
3.4.3. Tercera Sección
Sistema de salida del destilado. (3), es de tipo prisma triangular de acero
inoxidable, calibre 18. Se encuentra soldado a la pared exterior del
condensador cilíndrico. Su función, es la de recibir el liquido condensado
proveniente del los canales de los 4 aros, así mismo deja salir el agua destilada
a través de un tubo de acero inoxidable de ½”, colocado en extremo inferior
del prisma triangular. En la figura 11 se puede observar la forma y ubicación del
sistema de salida (prisma triangular).
37
3.4.4. Cuarta sección
Sistema de calentamiento solar (4), esta integrado por a) un sistema de
calentamiento solar a base de 3 lentes Fresnel, b) sistema de soporte para las
lentes Fresnel, este por una abrazadera de acero inoxidable y c) tres marcos
con sus tres bastidores correspondientes, tornillos rondanas para sujeción.
a) Lentes Fresnel
Lentes Fresnel de material plástico de 0. 30 x 0.28 m, con distancia focal 0.90
m, siendo esto una característica de poder de calentamiento La lente Fresnel
con estas características alcanza los 90 a 100 °C, sobre la superficie de acero
inoxidable (sobre el evaporador).
Figura 11 Sistema de salida del liquido condensado.
38
Su funcionamiento es la de un captador solar de alta temperatura, que
concentra la radicación solar en un punto (punto focal) situado sobre la lámina
del evaporador. Así el fluido se calienta al recorrer la lámina situada en el foco
de la lente. Con ello se busca iniciar el calentamiento del agua hasta la
evaporación a una temperatura de 90 a 100°C, suficiente para conseguir el
punto de ebullición. En la figura 12 se puede observar la posición de las lentes
Fresnel; en la circunferencia del evaporador y por encima de este.
b) Sistema de soporte
El sistema de soporte (para lentes Fresnel) se conforma de tres partes
diferentes: tres abrazadera, tres bastidores, tres marcos (tornillos, rondanas
mariposa).
Figura 12 Lentes Fresnel, colocadas en la circunferencia del evaporador y por encima de este.
39
1. Una abrazadera, de forma cilindro recortado, de A. inoxidable calibre 18,
altura 5 cm, 21 cm de, orificios en la circunferencia de esta. Su objetivo
es soportar las lentes Fresnel a través de un bastidor. La abrazadera se
sitúa al contorno del condensador, sosteniéndose por medio de la
presión que ejercen los tornillos cuando estos se ajustan por medio de
tuercas mariposa. La abrazadera en una longitud de 10 cm de arriba
abajo puede ser ubicada en el cuello del condensador con la finalidad de
acomodar el marco de la lente, así mismo, orientar el foco concentrador
de energía de la lente Fresnel sobre el evaporador. En la Figura 13, 14
se puede observar la abrazadera de acero colocada en la circunferencia
del condensador.
Figura 13 Abrazadera, ubicada en la circunferencia del condensador.
40
Figura 14 Abrazadera, colocada a la circunferencia del condensador,
el aro a su vez soporta un marco y este ultimo a una lente.
En contraste a lo anterior, la siguientes figura 14. se puede
observar la abrazadera colocada a la circunferencia del
condensador, la abrazadera soporta por medio de tornillos a un
bastidor recortado, el bastidor soporta por medio de tornillos a un
marco y este ultimo enmarca y soporta a una lente Fresnel.
2. Tres bastidores, metálicos de forma rectángulo recortado. Su
función es el soporte. Por medio de tornillos, tuercas mariposa,
cada bastidor soporta un marco que encuadra una lente de 30 x
28 cm. Así mismo el bastidor, es soportado a la abrazadera
antes descrita, por medio de tornillos y tuercas mariposa. En la
figura 14 se puede observar la forma del bastidor y como es que
porta el marco de la lente.
41
3. Tres marcos metálicos, cada uno porta una lente de 30x28 cm,
el marco se encuentra soportado con tornillos al bastidor. Los
tornillos atraviesan desde el marco al bastidor, siendo
ajustados por medio de tuercas mariposa. Este mecanismo,
permite un giro circular del marco y con ello el movimiento
circular de la lente, el movimiento circular permite orientar el
foco de la lente sobre La lamina del evaporador. En la figura 16
se puede observar el marco para las lentes Fresnel.
3.5. Acabado del prototipo de destilador solar
Se integran todas las partes del destilador solar. El evaporador y
condensador se integran. Ala circunferencia del condensador se coloca
un aro, al aro en su circunferencia se colocan tres bastidores con
tornillos, cada bastidor porta una lente fresnel. Concluido el armado
se prosiguió a probar el prototipo. En la figura16 se muestra el
prototipo terminado.
Figura 15 Los marcos soportan las lentes F.
42
Figura 16 Prototipo de destilación solar terminado
43
3.6. Pruebas experimentales
3.6.1. Evaluación preliminar
Las pruebas experimentales fueron llevadas a cabo en un día muy soleado. La
evaluación preliminar consta de dos fases, la primera fase consiste: en una
prueba de funcionalidad del equipo térmico y calidad del destilado. La segunda
fase sólo se llevaría a cabo si las pruebas de funcionalidad del equipo térmico
resultaban positivas.
3.6.2. Primera fase
La prueba preliminar de funcionalidad, 6consistió en armar el prototipo,
evaporador y condensador, después con 20 litros de agua de la llave mas 1 kg
de sal comun en el evaporador. Después se llevo al equipo térmico sobre la
estufa de gas LP, se tomó la temperatura del agua al inicio del proceso, dejando
que se calentara hasta ebullición. En la figura 17 se expone el proceso llevado a
cabo para obtener pruebas de funcionalidad del prototipo.
Figura 17 Proceso llevado a cabo las pruebas de funcionalidad.
PROCESO SOBRE LA FUNCIONALIDAD DEL PROTOTIPO
Armado el prototipo evaporador y condensador
Se llenó el evaporador con 20 litros de agua de la llave mas 1
kg de sal común
El destilador se ubicó sobre la estufa de gas LP
Se tomó la temperatura del agua al inicio del proceso
Se dejó calentar y se tomó la temperatura cuando inicio la
evaporación
44
Resultados de la prueba preliminar. Despues de 30 minutos el agua del
evaporador comenzó a ebullir, en ese momento se tomo la temperatura de
evaporación, asimismo se tomo el tiempo en que comenzó a salir el destilado.
En tabla 6 se exponen los resultados obtenidos de proceso
RESULTADOS
Tiempo inicial cuando se puso al evaporador en la estufa 12:30 del día
Tiempo en comenzó a hervir el agua 1:00 p:m
Tiempo en que inició la destilación 1:09 p:m
Se alcanzó una Temp. de evaporación 99 °C
Cantidad destilado obtenido con un vaso de precipitado 750 ml / hrs
Se cató el agua destilada Sin sabor alguno a sal.
Tabla 6 resultados de las pruebas experimental sobre la funcionalidad de
3.6.3. Prueba preliminar calidad del destilado
La prueba de calidad del destilado consistió en catar el líquido destilado, el cual
se probo sin sabor alguno a sal.
3.7. Segunda fase
Esta fase se llevo a cabo la prueba de funcionalidad del equipo térmico solar, es
decir, que para calentar el agua del evaporador, se obtuvo su energia termica,
por medio de las lentes Fresnel o concentradores solares y una segunda
pruebade calidad del destilado
3.7.1. Proceso experimental del sistema de calentamiento solar
Llevar a cabo las pruebas del sistema de calentamiento solar, fue necesario de
antemano haber realizado pruebas de funcionalidad del destilador y que estas
fueran positivas, sólo entonces se comenzó la fabricación del sistema de
soporte para las lentes Fresnel y se prosiguió a probar el equipo concentrador
de energía solar.
45
Terminado del sistema de calentamiento solar con lentes fresnel, se prosiguió a
instalar al destilador(exactamente circunferencia del condensador) el sistema de
calentamiento solar. Lo siguiente fue que todo el equipo de destilación solar
(destilador y lentes) se sacó al sol radiante del medio dia y por medio del
sistema de soporte, se orientarón las lentes para hacer incidir el foco sobre la
lámina del evaporador con la finalidad de calentar en agua. El agua contenida
en el evaporador fue de 20 litros mas 1 kg de sal común. En la figura 18 se
expone los pasos llevados a cabo para la prueba de funcionalidad del sistema
de calentamiento, así, mismo la tabla 7 muestra los resultados de la prueba de
calentamiento del sistema de lentes, así como la calidad del destilado
.
Figura 18 Proceso del sistema de calentamiento solar con lentes Fresnel.
PROCESO SOBRE LA FUNCIONALIDAD DELEQUIPO TERMICO SOLAR DE LENTES FRESNEL
Armado el equipo térmico solar se colocó a la circunferencia del
evaporador
Todo el equip de destilación solar se sacó al sol del medio día
para calentar el agua del elevaporador
El evaporador de antemano con. 20 litros de agua mas 1 kg de sal
Se orientaron las lentes para hacer incidir el foco sobre la lámina del
evaporador
Por medio de las lentes se comenzó a calentar el agua
del evaporador
46
3.7.2. Prueba y resultado al sitema de calentamiento solar
RESULTADOS
Tiempo inicial 12:00
Temperatura inicial del agua de la llave 26 C°
Tiempo inicial de evaporación 12:34
Temperatura de . evaporación 99 °C
Tiempo de salir del líuido condnesado 12:42
Liquido destilado obtenido 745 ml/ hr
Tiempo inicial 12:00
Se cato el agua destilada Sin sabor alguno a sal
Tabla 7 Resulatdos de la prueba de calidad del destilado
3.7.2. Prueba preliminar para la calidad del destilado
Se colocó el sistema de calentamiento solar al destilador a las 12:00 del día
tiempo inicial del proceso con una temperatura del agua de la llave de 26°C,
transcurrido el un tiempo se comenzó a observar evaporación del agua,
exactamente 12:34 del día con una temeperatura de a 99°C, y no fue hasta
pasados 8 minutos que se comenzó a observar salir líquido del destilador y
durante una hora se obtuvieron 745 ml/hr de agua destilada, finalmente se
prosiguió a catar el agua destilada esta sin sabor alguno a sal.
3.8. Lugar donde se realizaron las pruebas del prototipo.
Las pruebas del destilador solar se realizaron en las instalaciones de la
empresa TOC TECHNOLOGY OUTSOURCING CENTER, S.A. DE C.V.,
oficinas ubicadas en Privada de Campo Nuevo, número 22,
Araucarias, Col. Indeacó Animasde esta ciudad capital.
47
3.9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.9.1. Resultados de la primera fase
En la figura 17, tabla 6 muestran tanto el proceso y resultados de la prueba de
funcionalidad del prototipo. El destilador se colocó a la estufa con gas LP, lo cual
después de ½ hr se observó comenzar la evaporación del agua y 9 minutos
más tarde comenzó a salir líquido condensado, luego con un vaso de
precipitado puesto a la salida del destilador se obtuvierón 750 ml/hrs de agua
destilada, lo que confirmo la funcionalidad del destilador.
En la prueba preliminar los resultados de calidad del destilado se observan en la
tabla 6. Se determinó la calidad del destilado, mediante una mezcla de agua de
la llave más 1 kg de sal común. Los resultados obtenidos son los siguientes:
despues de 30 minutos se observó comenzar la evaporación y pasados 9
minutos comemzar a salir agua destilada, con un vaso de precipitado se pudo
obtener 750 ml/hrs, se prosiguió a catar el líquido obtenido y este, sin sabor
alguno a sal.
En esta fase, se puede definir la calidad del destilado parcialmente limpia, desde
el punto de vista que fue probada o catado sin sabor alguno de sal.Parcialmente
limpia, ya que no se realizaron pruebas bacteriológicas de laboratorio, porque en
en esta fase de investigación sólo se ha pretendido probar la funcionalidad del
sistema de destilación como el sistema de calentamiento solar.
3.9.2. Resultados de la segunda fase
En la figura 18 y tabla , se muestra los resultados de la prueba de funcionalidad
del sistema de calentamiento solar por tres lentes Fresnel, la cual se consiguió,
haciendo incidir sobre la lámina del evaporado el foco de las tres lentes, que con
anterioridad fueron colocadas al sol radiante del medio día.
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Los resultados obtenidos son los siguientes: con 20 lt de agua de la llave mas 1
kg de sal contenidos en el evaporador, se observó después de 34 minutos,
comenzar a evaporar el agua, y no fue hasta pasados 9 minutos mas tarde
comenzó a salir del destilador liquido condensado. Con un vaso de precipitado
se obtivierón 745 ml/hrs de destilado. Por lo que se infiere, el prototipo es
funcional, el sistema de calentamiento solar también.
Se prosiguió a probar el líquido obtenido y este sin sabor alguno a sal. Por
consiguiente, el agua obtenida del prototipo de destilación solar, Parcialmente
limpia, ya que no se realizaron pruebas bacteriológicas de laboratorio, porque en
en esta fase de investigación sólo se ha pretendido probar la funcionalidad del
sistema de destilación como el sistema de calentamiento solar.
En conclusión, el prototipo de destilación solar con lentes Fresnel, es funcional
tanto en su sistema de destilación como en su sistema de calentamiento solar.
De este, se obtuvo agua parcialmente limpia: parcialmente limpia se refiere a
que en esta etapa de investigación la finalidad es probar sólo su funcionalidad
para obtener del agua cruda agua mas limpia. Por los resultados obtenidos, ha
llevado a pensar en las mejorar del prototipo.
49
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
50
Conclusiones
Resumiendo, el desarrollo de prototipo de destilador, que utiliza energía solar
en lugar de energía no renovable a través de un sistema de calentamiento solar
de lentes Fresnel (captador solar de alta temperatura) para obtener agua más
limpia a partir de agua cruda, es funcional en relación a los los siguientes
resultados:
Refiriéndose al diseño del destilador, se encontró que es totalmente
funcional para destilar agua.
Refiriéndose al sistema de calentamiento solar de alta temperatura, es
funcional.
El diseño del destilador solar construido fue capaz de evaporar agua de
una mezcla de agua- sal, generando 745 ml/hr de agua destilada.
El agua destilada se captó sin sabor alguno a sal, por lo que se infiere
cierta calidad de pureza.
Cierta cálida de pureza, hace referencia a que en esta etapa de
desarrollo del destilador solar, el interés se reduce, sólo en conseguir la
funcionalidad del destilador como la del sistema de calentamiento.
El desarrollo del destilador solar permite el uso de energía solar en lugar
de energía no renovable.
El desarrollo del destilador solar permite obtener del agua cruda, agua
más limpia.
El destilador en base a energía solar, es susceptible de mejorar su
diseño. Anexo 1,2,3
SISTEMA DE DESTILACIÓN SOLAR FRESNEL; nombre de patente con
el que se encuentra registrado Anexo núm.4
51
Recomendaciones
Del presente estudio, se ha concluido que el prototipo de destilación solar con
lentes frenel, es funcional, tanto en su sistema de destilación como en su
sistema de calentamient solar. Sin embargo, por los resultado y etapa de la
investigación, es que han surgido nuevas inquietudes y con ello las siguientes
recomendaciones:
Para mejorar el diseño del prototipo de destilación, es importante realizar la
destilación en diferentes épocas del año y observar la influencia de las
variables climatológicas, en el rendimiento del destilado.
Observar, la relación de temperatura durante un día soleado y volumen
obtenido del destilado, es decir rendimiento vs energía solar térmica en un
día.
Mejorar el diseño del condensador y con ello el rendimiento.
Comprobar por medio de pruebas bacteriológicas de laboratorio, la pureza
del agua destilada.
Mejorar el diseño, del sistema de soporte para las lentes Fresnel, este en
relación al peso y facilidad de orientación del foco de las lentes sobre la
lámina del evaporador.
Determinar y recomendar en que situaciones y lugares resultaría
beneficiosa su aplicación.
52
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ANEXOS
54
Anexo 1 Evaporador
55
Anexo 2 Serpentín colocado en el interior del condensador
56
Anexo 3 Vista de cuerpo entero del destilador
57
Anexo 4 Resgistro de patente
