tesis ventura- calculo y diseño de un destilador industrial para licores, con energia solar
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTINFACULTAD DE ING. DE PRODUCCION Y SERVICIOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA
TESIS
“CALCULO Y DISEÑO DE UN DESTILADOR INDUSTRIAL PARA LICORES, CON ENERGIA SOLAR
Bachiller: Ventura Luis , Alex Milton Pierre Para optar el título profesional
de Ingeniero Mecánico
2011
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación, titulado “CALCULO Y DISEÑO DE UN
DESTILADOR INDUSTRIAL, CON ENERGIA SOLAR” se da a conocer la importancia
de la energía solar en nuestra región, por los altos índices de radiación y por la cantidad de
días soleados al año, somos pues una zona privilegiada en el mundo y se deben realizar
este tipo de trabajos para demostrar que un proceso tradicional peruano como es elaborar
Pisco en las legendarias Falcas, se lo puede hacer también con el uso de la energía solar.
Se da la teoría conocida en el mundo sobre las formas de aplicar la energía solar a nivel
industrial y se determina el modelo más adecuado y eficiente para el propósito de elaborar
100 litros de pisco al día de alta concentración.
Se calcula el área de concentradores solares y se diseña la planta, que estará ubicada en la
localidad de Majes.
Se realiza la evaluación económica encontrando el alto costo de inversión de una planta
solar pero también se demuestra que el periodo de recuperación de esta inversión es
relativamente corto.
Por último se analiza la importancia del desarrollo de este tipo de proyectos para atenuar el
efecto invernadero, dejando de quemar combustibles fósiles como el petróleo.
CONTENIDO
DEDICATORIAS
RESUMEN
CAP.1.- METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION
1,1.- Antecedentes
1,2.- Planteamiento de la necesidad
1,3.- Justificación de la investigación
1,4.- Objetivos
1,4,1.- Objetivo general
1,4,2.- Objetivos específicos
1,5.- Hipótesis principal
1,6.- Limitación de la investigación
1,7.- Cronograma
CAP.2.- JUSTIFICACION TEORICA-EXPERIMENTAL
2,1.- Energía Solar
2,2.- Aplicación de la energía solar térmica
2,3.- Principios termodinámicos de la destilación de sustancias
2,4.- Características físico químicas de los alcoholes
CAP.3.- ALTERNATIVAS DE DISEÑO
3,1.- Planteamiento de las alternativas
3,2.- Justificación de las alternativas
3,3.- Alternativa más conveniente
CAP.4.- ESTUDIO DEL MODELO
4,1.- Parámetros de diseño
4,2.- Determinación de la capacidad de producción
4,3.- Modelamiento del diseño
4,4.- Designación de las partes
CAP.5.- DISEÑO DEL MODELO
5,1.- Arquitectura del destilador
5,2.- Dimensionamiento de las partes
5,3.- Especificación de los materiales
5,4.- Calculo y Diseño del colector
5,5.- Calculo y diseño del alimentador y receptor
CAP.6.- EVALUACION ECONOMICA
6,1.- Costos del sistema tradicional
6,2.- Costos de operación con el sistema propuesto
6,3.- Determinación del ahorro
6,4.- Análisis de la factibilidad económica.
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
CAPITULO 1
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACION
1,1.- ANTECEDENTES.-
Cada vez la aplicación de la energía solar es más amplia en el mundo, en nuestra
región se tiene una de las radiaciones solares más altas a nivel mundial, así mismo la
necesidad de energía para la elaboración de variados productos agroindustriales a
veces es limitante por los altos costos de los combustibles, sobre todo los
hidrocarburos líquidos como el petróleo o kerosene, que hacen no competentes a
nuestros productos por sus altos costos de producción.
La energía eléctrica es costosa para aplicaciones industriales, dado que los costos
operativos en nuestras centrales térmicas de la región llegan a valores entre 90 a 120
$/MW-h, esto se traduce en las altas tarifas de la E.E. para el sector industrial.
Existen diversas experiencias aisladas en la aplicación de la energía solar para fines
de destilación, algunas exitosas y sostenibles, se han desarrollado diferentes modelos
físicos para lograr objetivos específicos.
DESTILADOR SOLAR DE 100 M2 EN ATACAMA (CHILE)
1,2.- PLANTEAMIENTO DE LA NECESIDAD.-
La producción de Pisco, licor tradicional peruano que se realiza a partir del mosto de
la uva por un proceso de destilación, está en aumento, habiendo más de 500
fabricantes en la zona sur del Perú. El grado de competitividad es cada vez mayor y
la necesidad de bajar los costos de producción de estas empresas es una necesidad
actual.
CUADRO 1,1.- PRODUCCION DE PISCO EN EL PERU
La innovación tecnológica es una herramienta que tienen estas empresas para poder
reducir sus costos de producción y aumentar la calidad de su producto. La mayoría de
estas plantas de elaboración del Pisco usan combustibles fósiles como el petróleo,
kerosenne y GLP, como recurso energético para la destilación.
El usar energía solar para el proceso de destilación, técnicamente está probado que es
factible lo que falta es la aplicación con un diseño económico, confiable y eficiente.
Así mismo la energía solar es un recurso no contaminante, que no contribuye con el
efecto invernadero y el cambio climático.
1,3.- JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION.-
- Se justifica la investigación por realizarse para fines industriales de producción, con
Año Volumen (Millones de Litros)
2000 1.64
2001 1.83
2002 1.5
2003 2.36
2004 2.9
2005 3.96
2006 5.00
2007 6.13
2008 6.59
2009 6.67
una capacidad de producción entre 90 a 100 litros/día de producto.
- La aplicación, se realizara en la localidad de Majes, lugar de producción de
la
materia prima, donde se registra un buen nivel de radiación durante el año.
- Debe lograrse un modelo físico adecuado, con materiales resistentes a
las
condiciones ambientales de la zona y con características sanitarias.
1,4.- OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION.-
1,4,1.- OBJETIVO PRINCIPAL.-
Lograr un diseño de destilador de capacidad industrial, que use la energía
solar como fuente de energía.
1,4,2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS.-
- Usar las energías renovables para reemplazar la combustión de los
hidrocarburos.
- Reducir los costos de fabricación de productos como el pisco para fines de
comercialización y exportación.
- Desarrollar la industria de maquinaria agroindustrial para transformar
nuestras materias primas con innovación tecnológica propia
1,5.- HIPOTESIS DE LA INVESTIGACION.-
La aplicación de un destilador solar con un diseño adecuado, reducirá los costos de
producción del pisco
1,6.- LIMITACIONES DE LA INVESTIGACION.-
La necesidad de un modelo físico para la experimentación es una de las limitaciones
del presente trabajo de investigación, dejando el acceso a la experimentación con un
modelo reducido a escala para la determinación real de parámetros asumidos.
1,7.- CRONOGRAMA DE LA INVESTIGACION.-
ACTIVIDAD MES 1 MES 2 MES 3 MES 4 MES 5
RECOLECCION DE DATOS E INFORMACIONDESARROLLO DE
EXPERIENCIAS
EVALUACION DE
RESULTADOS
CONCLUSIONES
CAPITULO 2
MARCO CONCEPTUAL TEORICO EXPERIMENTAL
2,1.- LA ENERGIA SOLAR TERMICA.-
La cantidad de energía que la luz del sol vierte diariamente sobre la Tierra es diez mil
mayor que la que se consume al día en todo el planeta.
La Energía Solar Térmica (EST) es una tecnología simple y muy eficaz para
aprovechar esta energía. La idea básica que rige su funcionamiento consiste en
concentrar la energía del sol y transformarla en calor, aprovechable para múltiples
aplicaciones, tanto residenciales como industriales.
La zona sur del país y sobre todo nuestra está particularmente favorecida por su
situación y por su climatología para aprovechar este tipo de energía, en relación con
los países donde existe menos radiación y menos horas de sol. La radiación solar
media anual en la zona de Arequipa equivale a 6,08 kW-h/ m2 al día, como
promedio anual y considerando que casi todo el año hay sol y pocos días nublados
la energía es de 2 000 Kw-h/m2 al año.
La transformación de esta energía del sol en energía aprovechable se realiza por
medio de unos dispositivos denominados colectores solares, que concentran e
intensifican el efecto térmico producido por la radiación solar.
Un colector solar utiliza la radiación solar para calentar un determinado fluido
(generalmente agua o aceite) a una cierta temperatura. La temperatura que podemos
alcanzar depende del diseño del colector, y puede oscilar entre 20 grados y varios
millares. Según la temperatura que pueda alcanzar la instalación hablaremos de
sistemas de EST de baja, media o alta temperatura.
CUADRO 2,1.- RADIACION POR DEPARTAMENTO FUENTE : MEM A más temperatura, más complejo es el diseño del colector y la instalación en
en conjunto. Pero lo interesante es que los sistemas de baja temperatura (inferior a los
100 grados) son suficientes para suplir aproximadamente dos tercios del consumo
energético para agua caliente, tanto sanitaria como industrial. Y estos sistemas son
tecnológicamente muy sencillos, fáciles de instalar y se amortizan en pocos años.
Las instalaciones solares térmicas de baja temperatura son sistemas silenciosos,
limpios, sin partes móviles y con una larga vida útil, que generan una energía
descentralizada, cerca de donde se necesita y sin precisar infraestructuras para su
transporte.
Con más de 20 años de experiencia y más de 40.000 instalaciones realizadas,
actualmente la energía solar térmica de baja temperatura ha alcanzado su plena
madurez tecnológica y comercial en Arequipa. Se trata ahora de generalizar su uso,
tanto en la industria como el sector servicios, sin olvidar sus aplicaciones domesticas.
FIG. 2,2.- MAPA SOLAR DEL PERU FUENTE: MEM
La radiación solar en nuestra región es la más alta a nivel nacional; de acuerdo al
primer mapa solar desarrollado por el MEM, en el año 2004.
Arequipa es la ciudad que ha desarrollado en mayor cantidad los calentadores de agua
o termas solares, contando actualmente con más de 40 mil unidades, existiendo una
demanda de otras 40 mil para los próximos dos años, esto se debe a que el usuario ha
entendido que el costo de la energía eléctrica se puede evitar usando una terma solar,
cuyo costo es un 40% más que una convencional eléctrica y cuyo tiempo de
recuperación de esta inversión adicional no supera los 24 meses según la tarificación
eléctrica.
2,2.- TECNOLOGIA SOLAR TERMICA.-
Tras algún tiempo de exposición al sol, una placa metálica puede calentarse hasta
llegar a quemar. La temperatura de la placa aumentará si su color es negro, dado que
apenas refleja los rayos del sol. La placa cede el aumento de temperatura conseguido
a su entorno: al aire y al soporte que la sujeta.
Podemos colocar la placa en el interior de una caja con cubierta de vidrio.
El vidrio deja pasar la radiación solar incidente, pero es opaco a la radiación infraroja
que emite la placa. El resultado es una “trampa de radiaciones solares” y la
temperatura en el interior de la caja aumentará progresivamente.
Es el llamado efecto invernadero, el mismo que provocan las emisiones de CO2 a la
atmósfera en el clima del planeta.
Ya sólo falta hacer circular agua por el interior de la caja para que el calor se
transmita al fluido. Habitualmente, el líquido circula en el interior de un serpentín o
un circuito de tubos, que asegura la máxima exposición del agua al calor que genera
la “trampa de radiación”. Ya tenemos un colector solar.
Variando la disposición de los elementos del colector, podemos obtener cualquier
temperatura que deseemos. Podemos concentrar los rayos del sol mediante un espejo,
por ejemplo, para obtener altas temperaturas.
El agua caliente obtenida es conducida hasta donde se va a utilizar. Puede ser
directamente, como en el caso del agua de una piscina, o bien podemos almacenarla
en un depósito acumulador para emplearla cuando sea necesario. Variando el tipo de
conducciones y de depósitos, podemos conseguir el tipo de instalación solar térmica
que deseemos.
En general, una instalación de baja temperatura está formada por tres partes:
Un subsistema de captación, formado por varios colectores solares conectados,
que
capta la energía solar.
• Un subsistema de acumulación, formado por uno o más depósitos de almacenamiento de agua caliente. El acumulador adapta, en el tiempo, la
disponibilidad de energía a la demanda.
• Un subsistema de distribución, formado por el equipo de regulación, tuberías, bombas, elementos de seguridad, etc., que traslada a los puntos de consumo el
agua caliente producida.
FIG. 2,3.- SISTEMA DE CALENTAMIENTO SOLAR TERMICO BASICO
Dentro de este esquema básico existen muchas variaciones. Algunos sistemas
llegan incluso a producir vapor capaz de mover una turbina que alimenta un
generador de energía eléctrica, mientras que otros llevan el agua caliente
obtenida directamente a donde se va a usar, sin ningún sistema de
almacenamiento intermedio.
La parte principal de estas instalaciones es el colector solar, por ser el encargado
de captar la radiación solar y convertirla en energía calorífica.
Los diferentes tipos de colectores solares determinan los diferentes sistemas de
EST, que suelen clasificarse en sistemas de baja, media y alta temperatura.
2,2,1.- COLECTORES DE BAJA TEMPERATURA
En este caso no se utiliza ningún dispositivo para concentrar los rayos
solares.
La temperatura del fluido a calentar está en la mayor parte de estos
colectores por debajo del punto de ebullición del agua. Según los
materiales y técnicas de captación empleadas podemos distinguir tres
tipos de colectores de baja temperatura, de menor a mayor complejidad
técnica:
FIG. 2,4.- COLECTOR PLANO Y TANQUE
2,2,2.- COLECTORES NO VIDRIADOS.-
Son simplemente una gran cantidad de diminutos tubos de metal o de
plástico dispuestos en serpentín, por los que circula el agua que va a
aumentar su temperatura. No necesitan caja ni cubierta de cristal. Por esta
razón, el aumento de temperatura es bajo, en torno a los 30º C. Están
especialmente recomendados para calentar el agua de piscinas. Las
pérdidas de calor son grandes, lo que limita su aplicación a otro tipo de
instalaciones, aunque su rendimiento es excelente durante los meses de
verano.
Los tubos flexibles toleran bien el paso de aguas agresivas, como el agua
de piscina clorada, pero aguantan mal las tensiones mecánicas que se
producen al congelarse el agua, y los rasguños superficiales. Su precio
oscila entre 60 y 100 $ /m2.
2,2,3.- COLECTORES DE PLACA PLANA
Son con mucho los más extendidos comercialmente, pues consiguen
aumentos de temperatura (temperatura de trabajo) de unos 60º C con un
coste reducido. Están indicados para producir agua caliente para muy
diversas aplicaciones: agua caliente sanitaria, agua caliente industrial,
calefacción por suelo radiante, etc. Su precio oscila entre 150 y 200 $/m2.
Los colectores de placa plana merecen por lo tanto una atención especial.
Están compuestos por los siguientes elementos:
2,2,3,1.- CUBIERTA EXTERIOR
Habitualmente es un cristal de vidrio simple, aunque también
pueden encontrarse cubiertas con cristal doble o incluso de
materiales plásticos.
Su función es producir el efecto invernadero, reducir las pérdidas
de calor y hacer estanco el colector.
2,2,3,2.- ABSORBEDOR
Suele estar constituido por una placa metálica sobre la que se
encuentra soldada una tubería de cobre formando un serpentín.
La función de la placa es absorber la máxima radiación solar
posible y ceder el calor acumulado a la tubería que conduce el
líquido. La gran superficie de contacto con el exterior del
serpentín favorece el intercambio de calor entre la placa y el
fluido circulante. Para favorecer la absorción de calor, la
superficie de la placa expuesta al sol se suele recubrir de pintura
negra.
La placa cede calor al serpentín de tubos que está soldado a
ella. Progresivamente, el fluido que circula por el interior del
serpentín aumenta su temperatura hasta alcanzar la temperatura
de trabajo del colector.
2,2,3,3.- AISLANTE TÉRMICO.-
Recubre todos los laterales y la parte posterior del colector,
reduciendo al mínimo la pérdida de calor a través de la carcasa.
Puede emplearse un aislante corriente, como lana de vidrio,
poliuretano, etc.
2,2,3,4.- CARCASA
Es la caja que contiene todos los componentes del colector.
Proporciona rigidez al conjunto y mantiene su interior sellado y a
salvo de las inclemencias atmosféricas. Generalmente es de
aluminio, debido a su poco peso y a su gran resistencia a la
corrosión.
FIG. 2,5.- PARTES DEL COLECTOR PLANO
2,2,4.- COLECTORES DE TUBOS DE VACÍO.-
Los colectores de tubos de vacío alcanzan mayores temperaturas que los
colectores de placa plana. Es habitual que lleguen a temperaturas de trabajo
de más de 100º C. Por esta razón, su aplicación más habitual es la generación
de agua caliente para su aprovechamiento en procesos industriales.
Así mismo, son apropiados para alimentar las máquinas de absorción
existentes en el mercado actual, con el fin de producir frío. También se
pueden usar para alimentar una instalación de calefacción con radiadores
convencionales, de alta temperatura, o para precalentar el fluido de entrada
de una caldera. Son bastante más caros que los colectores de placa plana. Su
coste oscila entre 400 y 500 $/m2.
Su principio de funcionamiento es idéntico al de los de placa plana. La única
diferencia consiste en que el vidrio exterior se sustituye por los propios tubos,
en el interior de los cuales se ha hecho el vacío. Las tuberías que transportan
el fluido se encuentran en el interior de los tubos de vidrio. El vacío impide
cualquier transmisión de calor al exterior, lo que explica las altas temperaturas
que pueden alcanzar este tipo de instalaciones. Son especialmente adecuados
para climas con poca radiación solar disponible, o para alcanzar temperaturas
superiores a los 100 º C.
FIG. 2,6.- COLECTOR DE TUBOS AL VACIO
2,2,5.- COLECTORES DE MEDIA TEMPERATURA.-
Esta modalidad de colectores son capaces de concentrar la radiación solar en
una superficie reducida. En este punto, por lo tanto, pueden alcanzar
temperaturas muy altas, como se comprueba cuando usamos una lupa un día
soleado para quemar un papel. La temperatura de trabajo suele variar entre los
100 y los 400º C. Los más habituales son los colectores cilíndrico-parabólicos.
2,2,5,1.- COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS.-
Aprovechan la capacidad de los espejos parabólicos de concentrar la
radiación que reciben en un punto. Se construyen en forma de sectores
cilíndricos, en cuyo foco lineal se coloca la tubería que contiene el
fluido a calentar. El fluido suele ser aceite, cuyo calor se transmite
luego al medio que se desee. Puesto que alcanzan temperaturas muy
altas, del orden de los 400º C, suelen utilizarse para generar vapor a
presión, que hará girar una turbina para obtener electricidad.
Con este tipo de colectores se pueden obtener altas temperaturas de
operación, pero su uso no está muy generalizado, pues deben
orientarse continuamente al sol de manera precisa, mediante un
mecanismo de seguimiento adecuado. Además, el pulido de la
superficie reflectante debe conservarse en buenas condiciones, sin
permitir su deterioro por los agentes atmosféricos. Las altas
temperaturas que alcanza el colector también exigen el uso de
materiales especiales.
Así mismo se recomienda que los tubos centrales de vidrio sean al
vacio.
FIG. 2,7.- COLECTOR CILINDRICO PARABOLICO
2,2,6.- COLECTORES DE ALTA TEMPERATURA.-
Este tipo de colectores llevan al límite la concentración de la radiación recibida
por grandes extensiones de panel en un solo punto. Son capaces de alcanzar
temperaturas de trabajo de más de un millar de grados, en cualquier caso siempre
por encima de 400º C. Hoy por hoy no se utilizan de modo comercial, sino en
instalaciones de investigación y desarrollo de alternativas energéticas para la
generación eléctrica, ensayo de materiales industriales, desalinización de agua
marina por evaporación, etc.
De este tipo son las plantas termoeléctricas, que generan electricidad a partir del
vapor producido por el calor solar, que acciona una turbina conectada a un
generador. Estas instalaciones pueden acogerse al régimen especial de
producción de electricidad, que subvenciona determinadas modalidades de
producción de fluido.
Un tipo de colector solar de alta temperatura utiliza un campo de helióstatos,
espejos que siguen la trayectoria del sol de manera automática y concentran
la radiación que reciben todos en un solo punto, normalmente el pináculo de una
torre. En este punto de recepción se alcanzan temperaturas superiores a 1.000º C.
Otra variante, los espejos parabólicos, no concentra los rayos solares en el eje de
un cilindro, sino en un punto preciso situado en el foco del paraboloide.
Por esta razón, alcanzan temperaturas más altas que en los colectores cilindro
parabólicos, hasta 900º C.
Un tipo particular de colectores de alta temperatura son las llamadas cocinas
solares, que concentran los rayos del sol en el foco de un reflector, en el que se
pueden colocar recipientes para cocinar. Se obtienen buenos resultados tan sólo
con materiales ligeros recubiertos de una sustancia reflectante.
FIG. 2,8.- COLECTORES PARABOLICOS
2,3.- ELEMENTOS DE UN SISTEMA SOLAR TERMICO.-
2,3,1.- FLUIDO CALOPORTADOR.-
La energía térmica generada en el colector debe ser transmitida a otra parte
del sistema para que se transforme en energía útil. Con este fin se utiliza un
fluido caloportador, capaz de transportar la energía al exterior del colector,
con destino a un intercambiador o a un depósito acumulador.
Se pueden utilizar diversos tipos de fluidos caloportadores, cada uno con
sus ventajas e inconvenientes.
AGUA NATURAL
Es el único tipo de fluido que se puede utilizar en circuito abierto, para
calentar el agua de una piscina o para agua caliente sanitaria, por ejemplo.
Un inconveniente es el riesgo de congelación o de ebullición del fluido.
AGUA CON ANTICONGELANTE
El agua con una parte de anticongelante evita el inconveniente de posibles
congelaciones. Su capacidad de absorber calor, no obstante, es inferior a
la del agua natural.
FLUIDOS ORGÁNICOS
Se trata de líquidos orgánicos sintéticos, o bien de ciertos derivados del
petróleo. Protegen el circuito primario tanto de la congelación como de la
ebullición, pues son estables a altas temperaturas.
ACEITE DE SILICONA
Se trata de un fluido muy estable en cualquier condición de temperatura. No
es tóxico ni inflamable. Tiene como único inconveniente su elevado costo.
2,3,2.- SISTEMAS DE CIRCULACIÓN.-
Se encargan de transferir el calor obtenido en el colector hasta el punto de
consumo. Según el tipo de sistema de circulación, tendremos instalaciones
con circulación natural o forzada, y circuitos abiertos o cerrados.
El diámetro de las tuberías de una instalación de EST debe ser el mínimo
posible para limitar las pérdidas de temperatura. Los materiales más usados
son el cobre, por sus buenas cualidades técnicas y bajo coste, y los
materiales plásticos, siempre que puedan soportar temperaturas de hasta
120º C.
2,3,3.- ACUMULADORES .-
La función del depósito acumulador es almacenar el agua caliente generada
en los colectores para posibilitar su uso posterior. Los materiales más
comúnmente utilizados en su construcción son el acero inoxidable, la fibra
de vidrio reforzada y el acero con protección interior contra la corrosión.
2,3,4.- SISTEMA DE CONTROL Y REGULACIÓN.-
Asegura que toda la instalación de EST funciona de manera eficiente y con
la temperatura deseada en el punto de consumo. En la práctica, consiste en
sensores de temperatura y termostatos conectados a las bombas que
impulsan el fluido caloportador y el agua a través de la instalación.
2,4.- VARIANTES HABITUALES EN UNA INSTALACIÓN DE EST, SEGÚN EL
TIPO DE CIRCULACIÓN.-
2,4,1.- CIRCUITO ABIERTO.-
En este caso, el fluido caloportador se utiliza directamente. No hay
intercambiador
de calor, ya que el propio fluido que circula por los colectores es el que
luego va al depósito para su posterior utilización.
Ventajas:
• Es la solución más sencilla para obtener agua caliente solar, por
ejemplo:
para calentar el agua de una piscina.
• Proporciona un buen rendimiento térmico, pues no se producen
pérdidas de temperatura en el intercambiador de calor.
Desventajas.
• Es necesario que no exista ningún material contaminante, ni en el
colector ni en las tuberías.
• Al emplear agua de la red general, hay mayor riesgo de corrosión de las
tuberías e incrustaciones calcáreas. Tampoco se puede prevenir la
congelación del fluido mediante anticongelantes.
FIG. 2,9.- CIRCUITO ABIERTO
2,4,2.- CIRCUITO CERRADO.-
Es el más utilizado para instalaciones de ACS. En este caso existen dos
circuitos separados: el que contiene el fluido caloportador (primario) y
aquel por el que circula el agua caliente de consumo (secundario). El calor
del fluido caloportador es cedido por medio de un intercambiador de calor
al circuito secundario. Los dos circuitos, por lo tanto, no tienen conexión
directa.
Ventajas:
• Podemos elegir el fluido más adecuado para el circuito primario, añadir
anticongelante, emplear algún fluido especial, etc.
Desventajas:
• Se trata de una instalación más cara y compleja que en el caso del circuito
abierto.
FIG. 2,10.- CIRCUITO CERRADO
2,5.- TIPO DE CIRCULACIÓN DEL FLUIDO.-
2,5,1.- CIRCULACIÓN NATURAL.-
En este caso no se necesita ninguna bomba para impulsar el fluido que
transporta el calor. El agua fría entra por la parte inferior del colector y se va
calentando. Al calentarse el agua en el colector, disminuye su densidad y
se ve impulsada hacia arriba. En el depósito acumulador, el agua caliente
desplaza al agua fría, que se dirige a la parte más baja y entra en el colector.
El resultado es una impulsión natural del agua. El depósito acumulador debe
situarse encima del colector solar.
Ventajas:
• Es un sistema simple, eficiente, y de bajo coste.
Desventajas:
• El agua del acumulador se puede congelar en invierno, pues está a la
intemperie. En general, se reducen las posibilidades
2,6.- APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR TERMICA.-
La Energía Solar Térmica, en sentido amplio, tiene unas posibilidades de aplicación
ilimitadas, que van desde obtener agua caliente en una vivienda a generar electricidad
en una gran instalación. Aquí nos ceñiremos a sus aplicaciones prácticas en la gama
de baja temperatura, que fundamentalmente
son:
• Agua caliente y precalentamiento de agua de proceso
• Destilación
• Calefacción
• Aire caliente
• Refrigeración
2,6,1.-PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE, SANITARIA O INDUSTRIAL.-
Es la aplicación más habitual, más extendida y, hoy por hoy, más rentable.
Empleando instalaciones simples y eficaces, obtiene temperaturas en torno a
los 50º C, a lo largo de los 12 meses del año. La aplicación más generalizada
de los sistemas solares es la generación de agua caliente sanitaria, tanto en
servicios de hoteles como en viviendas, residencias, hospitales, campings,
instalaciones deportivas y otros tipos de dependencias.
Los porcentajes de energía aportada por el sistema de energía solar suelen
ser del orden del 70 u 80% del total, como media anual.
Las aplicaciones de ACS tienen gran potencial de desarrollo, tanto en los
hogares como en la hostelería, restauración, instalaciones deportivas y, en
general, en las instalaciones sanitarias de cualquier empresa. Además, es
aplicable en la industria, especialmente cuando se trabaja a temperaturas
similares a las del agua caliente sanitaria, o bien para precalentar agua y
luego alcanzar la temperatura necesaria por otros medios. Los elementos y
diseño para esta utilización pueden ser los mismos que para agua caliente
sanitaria.
Algunos ejemplos de aplicaciones industriales de baja temperatura:
– Lavado de botellas
– Descortezados
– Separación de fibras
– Tratamiento de alimentos
– Túneles de lavado de coches
– Lavado de textiles
2,6,2.- CLIMATIZACIÓN DE PISCINAS.-
En esta aplicación las temperaturas necesarias se obtienen muy fácilmente
con instalaciones sencillas. Su uso es estacional, y coincide con los meses de
mayor radiación solar.
El caso más simple es la climatización de piscinas descubiertas, que según la
normativa vigente se debe realizar mediante energías alternativas. En este
caso, se pueden emplear colectores de plástico o caucho sin ningún tipo de
cubierta, carcasa ni material aislante, pues la temperatura de trabajo es menor
de 30º C. Son instalaciones baratas, que tienen como objetivo extender la
temporada de baño elevando la temperatura del agua de la piscina hasta unos
25º C.
Para la climatización de piscinas cubiertas es necesario emplear colectores
de placa plana, de circuito cerrado, con intercambiador de calor, que
proporcionan fácilmente la temperatura necesaria. Es una aplicación
especialmente rentable, ya que la instalación se amortiza en pocos años.
2,7.- CALEFACCIÓN.-
En esta aplicación se tropieza con la desventaja de que la demanda de energía para
calefacción es máxima cuando la disponibilidad de energía solar es mínima. No
obstante, resulta una aplicación interesante si se emplea una amplia superficie
colectora (mayor que en el caso del agua caliente) y se combina con sistemas de
calefacción que trabajen a baja temperatura, como los de suelo radiante.
Se pueden utilizar colectores planos o bien colectores de vacío, con temperaturas
superiores a 70ºC y fluido especial caloportador. El sistema también proporcionará
agua caliente sanitaria y, eventualmente, calor para el agua de una piscina. Por todo
ello, la instalación de sistemas solares para calefacción se debe tener en cuenta en el
momento de construir o reformar una oficina o una vivienda.
Las necesidades de suministro de calor auxiliar con energía convencional en días
nublados y muy fríos se pueden reducir al mínimo si el edificio tiene un buen
aislamiento térmico. Una posibilidad interesante es combinar el uso de la instalación
también para refrigeración, consiguiendo una climatización completa a lo largo de
todo el año.
2,8.- DESTILACION.-
La destilación es un proceso por el cual, mediante la aplicación de calor se puede
separar las distintas sustancias de una mezcla líquida. Este proceso se basa en las
diferentes temperaturas que necesitan cada una de las sustancias de una mezcla para
evaporarse y en la posterior condensación por separado de cada una de ellas.
La humanidad ha empleado la destilación para diversos fines, como para la
producción de determinados tipos de alcohol, la obtención de agua pura o de otros
compuestos químicos en estado puro.
Como fuente de calor, la energía solar puede emplearse para destilar. ya sea
concentrándola y alcanzando altas temperaturas o bien a temperaturas bajas.
La destilación solar a baja temperatura resulta un sistema muy sencillo, eficiente y de
fácil accesibilidad para todo tipo de sociedades. Aplicado de forma masiva podría
evitar un buen número de enfermedades en los países pobres producto del consumo
de agua en mal estado de conservación.
2,8,1.- LA DESTILACIÓN SOLAR EN LA NATURALEZA.-
En la naturaleza se produce la destilación a gran escala en el ciclo del agua.
Mediante la energía que aporta el sol, se evapora el agua de los mares y de
otras superficies húmedas, ascendiendo en la atmósfera y desplazándose en
estado gaseoso impulsada por las corrientes de aire. Cuando se dan las
condiciones adecuadas este agua se condensa en forma de pequeñísimas gotas
que se quedan suspendidas en la atmósfera formando las nubes. Si las
condiciones siguen siendo adecuadas continua el proceso de condensación
pasando al estado líquido cada vez más cantidad de agua y haciéndose las
gotas suspendidas cada vez más grandes y pesadas hasta el punto de que por
gravedad empiecen a caer hasta el suelo produciéndose las precipitaciones
(lluvia, nieve, granizo etc.…).
FIG. 2,12.- CICLO DEL AGUA
Por este proceso el agua del mar, que está mezclada con una gran cantidad de
sales y otras sustancias, se separa quedando en un estado prácticamente puro
que es como cae en la lluvia. Toda el agua dulce que se encuentra en las zonas
continentales de la tierra es producto de la destilación atmosférica que se
produce en el ciclo del agua.
2,9.- LOS DESTILADORES SOLARES.-
Los destiladores solares son ingenios que permiten obtener agua dulce donde esta
escasea pero se encuentra en abundancia mezclada con otras sustancias que la hacen
inutilizable. En esencia se trata de reproducir a pequeña escala y de manera acelerada
el ciclo natural del agua.
Mediante los destiladores solares es posible obtener agua dulce del agua del mar, del
agua embarrada e incluso de la contenida en los vegetales. Es de especial utilidad en
zonas desérticas próximas al mar ya que cuenta con los dos elementos fundamentales:
abundancia de agua salada y de radiación solar.
Los equipos de destilación solar, si están fabricados con materiales adecuados,
pueden funcionar con pleno rendimiento durante muchos años y ofrecer una gran
cantidad de agua potable gratuita.
Los principios de la destilación solar pueden ser aplicados en distintas escalas;
desde destiladores pequeños domésticos para obtener unos cuantos litros de agua
al día hasta grandes instalaciones con los que obtener varios metros cúbicos
diarios.
Existen ejemplos de grandes equipos de destilación solar que se han aplicado con
éxito para obtener agua en lugares donde escaseaba. La primera gran planta de
destilación solar que se llevó a cabo es en 1874 cuando el inglés Charles Wilson
diseño y dirigió la instalación en el desierto de Atacama (Chile) para la Salitrera
Lastenia Salinas. Esta central era capaz de proporcionar un promedio de 22 500
litros de agua diarios y estuvo en funcionamiento hasta el año 1907. Esta
instalación contaba con una superficie de captación superior a los 4000 metros
cuadrados.
Desde entonces otras grandes instalaciones de este tipo se han desarrollado en
diversas zonas del mundo con escasez de agua pero con acceso al mar como Israel,
Islas Canarias (España) y en diversas islas áridas del mediterráneo entre otras. La
destiladora solar de mayor tamaño del mundo es la instalada en la isla de Patmos
(Grecia) que cuenta con una superficie superior a los 8000 m2.
2,13.- DESTILADOR SOLAR EN EL DESIERTO DE ATACAMA
2,10.- FUNCIONAMIENTO DE UN DESTILADOR SOLAR.-
El empleo de los destiladores solares supone en esencia reproducir en pequeñas
escala el ciclo natural del agua. Existen muchas configuraciones de destiladores
solares aunque en todos ellos operan por el mismo principio.
En una caja o espacio contenedor se dispone un recipiente o estanque con fondo de
color negro en donde se vierte el agua salada o contaminada para destilar. Cerrando
este espacio se coloca una superficie transparente que permite pasar la radiación solar
y que provoca el efecto invernadero al tiempo que también retiene la humedad. La
radiación solar en contacto con el recipiente negro eleva la temperatura del recipiente,
del agua en su interior y del aire favoreciendo la evaporación. De esta manera en el
interior del destilador se crea una atmósfera muy cálida y saturada de humedad. El
vapor de agua asciende entonces por convección hasta topar con la superficie
transparente, que por estar en contacto con el exterior está a una temperatura más fría
que el resto del destilador. En esta superficie se condensa el agua formando pequeñas
gotas. La superficie transparente está dispuesta de manera adecuada para favorecer
que las gotas, conforme continúa el proceso y van aumentando de tamaño, fluyan
hacia un recipiente donde se recoge toda el agua destilada. Mientras dure la radiación
solar y exista agua que destilar el proceso se mantiene.
Existen múltiples modelos y tamaños de destiladores solares. Aunque en todos el
mecanismo de funcionamiento es semejante, la configuración de los distintos
elementos determina que estos tengan una mayor o menor eficacia.
Así podemos encontrar los siguientes modelos de destiladores:
2,11.- MODELOS DE DESTILADORES.-
2,11,1.- DESTILADOR SOLAR DE UNA VERTIENTE-
Es quizá el modelo de destilador más sencillo de estructura. Se trata de una
caja cubierta por un cristal inclinado. La caja está dividida en dos
compartimentos: uno con el fondo de color negro donde se coloca el agua a
evaporar y que ocupa la mayor parte de la caja y el otro el receptáculo donde
se recoge el agua destilada y que se encuentra en el lado de menor altura.
Algunos fabricantes los denominan “células solares destiladoras” ya que
algunos tienen la posibilidad de interconectarse entre si para ampliar la
instalación de manera modular
FIG. 2,14.- DESTILADOR DE UNA VERTIENTE
2,11,2.- DESTILADOR SOLAR DE DOS VERTIENTES-
El siguiente en complejidad estructural. Este modelo consta de un “tejado” de
material transparente de dos vertientes. Las gotas de agua que se han condensado
en el panel transparente se deslizan por los lados y precipitan a un depósito situado
bajo la bandeja donde se dispone el agua para destilar. Desde el depósito de
almacenamiento se extrae el agua por medio de un grifo.
FIG. 2,15.- DESTILADOR DE DOS VERTIENTES
1-La radiación solar incide en el interior del destilador y provoca que el agua
salada eleve su temperatura 2- Las altas temperaturas provocan la evaporación
y la atmósfera en el interior del destilador se vuelve muy húmeda 3- El
ambiente se satura de humedad lo que provoca que el agua evaporada se
condense en contacto con el vidrio4- las gotas de condensación se acumulan y
empiezan a deslizarse por gravedad hacia la parte inferior del vidrio 5- el
depósito en la parte inferior recoge el agua dulce destilada que se ha deslizado
por los vidrios desde donde será tomada para su uso.
En este modelo la captación de energía solar es en principio más eficiente que
en el modelo anterior ya que no existen paredes que puedan proyectar sombras
al interior de la caja.
2,11,3.- DESTILADOR SOLAR DE INVERNADERO-
Este es un modelo de destilador solar de gran tamaño. Se trata de estructuras de
invernaderos que en su interior albergan un estanque de agua de poca
profundidad y con el fondo de color negro. El agua evaporada se condensa en
las paredes del invernadero y se desliza hacia los receptáculos situados en la
base de las paredes. En esencia es el mismo modelo que el destilador solar de
dos vertientes pero de grandes proporciones.
FIG. 2,16.- DESTILADOR TIPO INVERNADERO
FIG. 2,17 .- SECCIÓN DEL DESTILADOR SOLAR DE INVERNADERO.
CUBIERTA PUEDE TENER FORMA A DOS AGUAS O DE BÓVEDA
2,11,4.- DESTILADOR SOLAR DE CASCADA-
Modelo de destilador en forma de terrazas. En la parte superior de cada una de
las terrazas se disponen los estanques con fondo de color negro llenos de agua
para destilar. Cuando la radiación solar incide en el destilador comienza la
evaporación. El agua en estado gaseoso se condensa en una superficie
transparente dispuesta de forma inclinada sobre las terrazas y se desliza hacia el
receptáculo situado en la parte baja del destilador.
El nombre de cascada le viene dado por los momentos en los que se repone
agua para destilar o en los que se efectúan labores de limpieza. En estos
procesos se deja correr el agua desde una cañería en la parte superior
provocando el efecto cascada conforme esta se desliza por las terrazas. En la
base del destilador hay un desagüe para recoger la salmuera o otros residuos
dejados por el agua al evaporarse.
FIG. 2,18.- SECCIÓN DE UN DESTILADOR SOLAR DE CASCADA.
2,11,5.- DESTILADOR SOLAR ESFÉRICO DE BARREDERA-
La particularidad de este modelo se basa en la forma esférica del material
transparente así como en la introducción de una barredera que lame su cara interna
y que está accionada por un pequeño motor. En una bandeja con fondo de color
oscuro situada en la parte central de la esfera se coloca el agua a destilar.
Este modelo tiene forma esférica buscándose favorecer la captación solar al
evitarse las sombras que alguna parte del destilador pueda provocar en otra.
Además la forma esférica logra mantener una mayor inercia térmica facilitando un
mayor aprovechamiento del calor producido por la energía solar.
Por su parte la barredera arrastra las pequeñas gotas que se van formando en el
interior de la esfera juntándolas y provocando que se precipiten por gravedad a la
parte baja donde se acumulan. Con el sistema de barredera se evita que las gotas
reflejen la radiación solar y se permite que el agua en estado gaseoso se condense
con mayor facilidad en las paredes. Estos factores aumentan el rendimiento del
equipo si bien como contrapartida se tiene que es necesario suministrarle energía
eléctrica para hacer posible el movimiento de la barredera.
FIG. 2,19.-DESTILADOR SOLAR ESFÉRICO DE BARREDERA
2,11,6.-DESTILADOR SOLAR MULTIETAPA-
Este es un modelo más complejo y eficiente que emplea sistemas de colectores
solares complejos (concentradores parabólicos, tubos de vacío, e incluso
sistemas de placa plana de alta eficiencia) para alcanzar altas temperaturas y
llevar al punto de ebullición al agua. El vapor de agua se condensa con ayuda
de un refrigerante y el calor se recupera y se almacena en depósitos. Este
sistema requiere ya de inversiones importantes
2,12.- RENDIMIENTO DE LOS DESTILADORES SOLARES.-
El rendimiento de los destiladores solares está en función de la potencia de la
radiación solar, de la temperatura ambiente así como en la forma y las características
del destilador.
En principio las regiones soleadas y cálidas ofrecerán mejores condiciones para la
destilación solar que las regiones frías y húmedas, donde por otro lado en principio no
se hará preciso recurrir a este sistema. Es decir los lugares donde se hará más
necesario recurrir a la destilación solar por ser más secos serán también los que
dispondrán de más luz solar. Se da pues una feliz coincidencia de circunstancias que
no siempre ocurre en otras aplicaciones solares térmicas.
En líneas generales se estiman que los porcentajes de aprovechamiento útil de la
energía solar para destilar agua rondan entre el 25 y el 50% para los modelos
descritos. (A excepción de los destiladores multietapas donde se presupone que el
rendimiento podrá ser superior). Estos valores traducidos en cifras cotidianos
significan que es posible obtener entre 3 y 5 litros diarios por m2 de destilador, en
días soleados. Estos niveles producción hacen perfectamente viable el uso de agua
destilada solar para beber y para fines sanitarios en pequeñas instalaciones y para
fines industriales en instalaciones de suficiente tamaño.
CAPITULO 3
ALTERNATIVAS DE DISEÑO DEL DESTILADOR SOLAR
3,1.- ANTECEDENTES.-
A lo largo del tiempo se han desarrollado diferentes modelos de destiladores solares,
algunos muy simples y poco eficientes, otros complicados y con mejor eficiencia. En
el capitulo anterior se vio los cinco modelos clásicos desarrollados hasta la fecha, se
analizaran tres modelos de estos para determinar el modelo más adecuado para el
propósito de este trabajo de investigación.
3,2.- ALTERNATIVA 1: DESTILADOR SOLAR DE DOS VERTIENTES.-
VENTAJAS.-
Inversión inicial baja
Se la usa para grandes volúmenes si es que se logra invernaderos
Diseño sencillo funcional
DESVENTAJAS.-
Baja eficiencia
Requiere grandes espacios
3,3.- ALTERNATIVA 2: DESTILADOR SOLAR DE CASCADA.-
VENTAJAS.-
Diseño moderno de alta eficiencia
Requiere menor espacio para su desarrollo
Las recargas son mas continuas
DESVENTAJAS.-
Inversión inicial alta
Diseño requiere de mayor mano de obra y detalles
3,4.- ALTERNATIVA 3: DESTILADOR SOLAR ESFERICO.-
VENTAJAS.-
Alta eficiencia
Calidad del producto
DESVENTAJAS.-
Uso de laboratorio o fines de investigación
Alto costo de implementación
3,5.- DETERMINACION DE LA ALTERNATIVA MAS CONVENIENTE.-
3,5,1.- CRITERIOS DE SELECCIÓN.-
1.- Bajo costo de inversión
2.- Se cuenta con suficiente espacio para la instalación (1 000 m2)
3.- Se requiere una alta capacidad de producción (fines industriales)
3,5,2.- ALTERNATIVA MAS CONVENIENTE.-
La alternativa que cumple con los tres criterios de selección es la primera;
Por lo tanto se decide por la alternativa de
DESTILADOR DE DOS VERTIENTES TIPO INVERNADERO
CAPITULO 4
CALCULO DEL DESTILADOR
4,1.- PARAMETROS INICIALES DE DISEÑO.-
Capacidad de la planta: 100 litros/día (8 horas)
Área disponible: 1 000 m2
Radiación promedio en la zona: 6,00 Kw-h/m2 (promedio anual)
Temperatura de evaporación del licor de Pisco: 76 ° C
Eficiencia del destilador tipo invernadero: 30 %
Cp para el Pisco (Etanol): 2,2 kJ/kg K
Temperatura ambiente: 20 ° C
Área de colector en módulos típicos de destilación: 9,6 m2
4,2.- DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE MOSTO PARA EL PROCESO.-
Según datos de experiencias pasadas se obtiene 5 litros de 1 m3 de mosto
( 1 000 litros). En un día de sol.
CANTIDAD DE MOSTO PARA EL PROCESO = 1000 / 0,05 = 20 000 litros
4,3.- AREA DE COLECTOR POR CAPACIDAD DE PRODUCTO.-
Se recomienda que el espesor de película de mosto dentro del colector sea mínima, se
considera de 4 cm de altura.
AREA DE COLECTOR = A (m2) = 20 m3 /0,0 4 (m)
A = 500 m2
4,4.- NUMERO DE COLECTORES O MODULO TIPICO.-
NUMERO DE COLECTORES = N = 500 / 9,6 = 52
4,5.- CANTIDAD DE ENERGÍA REQUERIDA PARA EL PROCESO.-
E = m Cp (T2 –T1)
E = 20 000 x 2,2 x (76 – 20)
E = 2 464 000 kJ
4,6.- AREA DEL COLECTOR SOLAR POR ENERGIA.-
A = E / 3 600 x R x ηS
A = 2 464 000 / 3 600 x 6 x 0,3
A = 380 m2
CONCLUSIÓN.-
El área del colector se ha calculado de acuerdo a las necesidades de capacidad del producto
y por la cantidad de energía solar que se requiere, resultando mayor el área por la cantidad
de producto:
A = 500 m2 Por necesidad de formar una película de 4 cm en el colector
A = 380 m2 Por cantidad de energía solar necesaria para la evaporación
Para el primer caso se requieren 52 colectores típicos y para el segundo se requieren 37
colectores.
Por lo tanto se decide la cantidad de 42 colectores típicos con un área de A = 403 m2
Con este valor se asegurará la cantidad de energía térmica solar.
4,7.- DETERMINACION DEL NUEVO ESPESOR DE PELICULA DE MOSTO.-
h = 20 000 dm 3/40 300 dm2 = 0,49 dm
h = 5 cm.
FIG. 4,2.- SECCION DEL COLECTOR
4,8.- CALCULO DEL FLUJO DE DESTILADO.-
Q = ?
C = 100 litros
t = 8 horas: 28 800 s
Q = C / t
Q = 100 / 28 800 = 0,0035 l/s = 3,5 ml/s
NOTA.-
Una de las ventajas del proceso de destilación solar por invernadero es que el
producto, alcohol etílico (Pisco) es de gran pureza, aprox. 94 a 96 %, que tendrá que
ser rebajado a un 40% para su comercialización; el proceso convencional con falca
produce un pisco con un 60% de concentración de alcohol.
4,9.- CALCULO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA EQUIVALENTE.-
La energía para llevar los 20 000 litros a 76 °C es de :
E = m Cp (T2 – T1)
E = (20 000/ 28 800) x 2,2 x (56)
E = 86 kW
4,10.- DETERMINACIÓN DEL COSTO DEL RECURSO ENERGETICO.-
COSTO DE LA EE = 86 Kw x 8 h x 0,2 $/Kw-h (Por día)
CEE = 137,6 $/dia
CEE = 4 128 $/mes
4,11.- CALCULO DE LA CANTIDAD DE GLP EQUIVALENTE.-
E = m Cp (T2 –T1)
E = 20 000 x 2,2 x (76 – 20)
E = 2 464 000 kJ
El GLP tiene un poder calorífico de 46 000 kJ/kg
CANTIDAD DE GLP = CGLP = 2 464 000 / 46 000
CGLP = 54 kg de GLP
COSTO DE GLP = $GLP = 54 kg x 1,4 $/kg = 76 $/día
$GLP = 2 280 $/mes
4,12.- DISEÑO DEL MODULO TIPICO DEL COLECTOR.-
FIG. 4,4.- DISPOSICION DE LOS 42 COLECTORES
CAPITULO 5
EVALUACIÓN ECONOMICA
5,1.- CONSIDERACIONES.-
Es importante hacer notar la importancia que tiene el uso de la energía solar térmica,
como se desarrollo en la teoría (Cap.2), normalmente los proyectos con el recurso de
energía solar tiene un tiempo entre 5 a 7 años para recuperar la inversión inicial y los
demás años de acuerdo a la vida del proyecto, existe mayor rentabilidad a dado que
los costos operativos son mucho más bajos que una planta que consume energía
eléctrica o quema hidrocarburos fósiles como el petróleo D2 o GLP.
RECURSO ENERGETICO COSTO POR MES
($/mes)
GLP 2 280,00
PETROLEO 3 420,00
ENERGIA ELECTRICA 4 128,00
ENERGIA SOLAR NO TIENE COSTO
CUADRO 5,1.- COSTO DEL RECURSO ENERGETICO
Este último cuadro puede convencer a cualquier empresario, pero el cuadro que
muestra la inversión inicial entre una planta solar y una planta convencional, no es
muy atractiva.
5,2.- CALCULO DE LA INVERSION INICIAL, PLANTA DE DESTILACION
SOLAR.-
5,2,1.- COSTEO DEL CONCENTRADOR TIPICO.-
5.2.1,1.- COSTO DEL MATERIAL.-
No. MATERIAL CANT. COSTO UNT
$
COSTO TOTAL
$
1 Plancha acero inox 1/16” 4 140,00 560,00
2 Tubos de acero inox. 2” 5 60,00 300,00
3 Perfiles de alumnio 4 10,00 40,00
4 Vidrio de 3 mm. 12 m2 10,00 120,00
5 silicona 5 4,00 20,00
TOTAL 1 040,00
5,2,2.- COSTO DE LA MANO DE OBRA.-
No. PERSONAL CANT. COSTO
$/h-h
h- h COSTO
$
1 Soldador calificado 01 10,00 12 120,00
2 Ayudante de soldador 01 6,00 12 72,00
3 Vidriero 01 4,00 8 32,00
4 Gasfitero 01 6,00 8 48,00
TOTAL 272,00
5,2,3.- GASTOS GENERALES.-
Se considera el 20% del costo anterior
GG = 20% (1 040 + 272)
GG = $ 262,40
5,2,4.- COSTO TOTAL DEL CONCENTRADOR.-
Considerando una utilidad del proveedor del 15%
CTC = CM + CMO + GG + UTILIDAD
CTC = 1 040 + 272 + 262,40 + 0,15 ( 1 574,40)
CTC = $ 1 810,50
5,3.- INVERSION INICIAL PARA LA PLANTA SOLAR.-
INVERSION CANTIDAD COSTO UNIT.
$
COSTO TOTAL
$
CONCENTRADORES 42 1 810,50 76 041,00
ACCESORIOS, válvulas,
tuberías, etc.
2 500,00
INSTALACION M.O. 5 000,00
TOTAL 83 541,00
5,4.- COSTO DE UNA PLANTA DE DESTILACION CONVENCIONAL.-
FIG. 5,2.- DESTILADOR TRADICIONAL EQUIVALENTE
5,4.- COTIZACIÓN DE EMPRESA FABRICANTE DE DESTILADOR
CONVENCIONAL.-
- Falca de 300 litros en cobre para pisco
- Producción de 30 l/h
- Quemador a GLP
- Evaporador con serpentín de cobre
- Tanque receptor de producto de 300 litros en cobre
- Instalación y pruebas …………………………………………… $ 12 000,00
FIG. 5,3.- DESTILADOR DE LICORES INOX.
Destilador para licores de 10 l /h con energía eléctrica …… $ 9 800,00
5,7.- CALCULO DEL TIEMPO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSION.-
5,7,1.- DETERMINACION DEL AHORRO/MES.-
De acuerdo al cuadro 5,1 el ahorro en combustible entre usar GLP y energía
solar es de $ 2 280,00 por mes de funcionamiento del destilador.
AHORRO = 2 280,00 $/mes
5,7,2.- COSTO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.-
Por las características de la planta a GLP que puede ser operada por una sola
persona, la misma que se encarga del mantenimiento contra la planta solar,
que si requiere de por lo menos dos personas, básicamente por el tamaño de
planta y para el mantenimiento diario de limpieza de los vidrios se requiere de
una tercera; por lo tanto:
O.M.(SOLAR) = $ 500,00
5,8.- TIEMPO DE RECUPERACION DE LA INVERSION.-
T = I / AHORRO – OM
T = 83 541,00/ 2 280,00 – 500,00
T = 47 meses
TIEMPO DE RECUPERACION DE LA INVERSION = T = 4 años
CAPITULO 6
IMPACTO AMBIENTAL DEL PROYECTO
6,1.- LA ENERGIA SOLAR Y LA LUCHA CONTRA EL EFECTO
INVERNADERO.-
El Protocolo de Kyoto, firmado en 1997, es el instrumento legislativo más importante
disponible para la limitación de las emisiones de gases de efecto invernadero. Fue
ratificado por España en 2002. En él los países industrializados se comprometen a
reducir sus emisiones de estos gases, aproximadamente un 5% en 2010 con respecto a
1990.
La Unión Europea se comprometió a alcanzar una reducción de las emisiones
europeas de gases que producen el efecto invernadero del 8% en 2010 en relación a
los niveles de 1990, así como a cubrir el 12% de la demanda europea de energía
primaria con energías renovables para el año 2010. Y eso no es más que un primer
paso hacia la meta a largo plazo de una reducción del 70% de las emisiones de estos
gases, según plantea la correspondiente Estrategia Europea.
En la Cumbre Mundial sobre Desarrollo Sostenible de Johannesburgo (septiembre
de 2002) se planteó un refuerzo de las políticas de apoyo a las energías renovables.
Varios estados anunciaron allí públicamente su compromiso de aprobar el protocolo
de Kyoto.
En el Perú, se ha creado el ministerio del ambiente, que tiene que coordinar todos
los esfuerzos y a todas las entidades implicadas para reducir la emisión de gases de
efecto invernadero. El Plan de Fomento de Energías Renovables 2000 - 2010
pretende doblar el porcentaje de abastecimiento basado en estas fuentes (pasaría
del 6% actual al 12%). El Plan Energético Nacional aprobado en 2002 confirma
estas tendencias.
Para poner en práctica estas medidas políticas y responder a estos desafíos, existen
diversos programas de financiación destinados a promover proyectos de energías
renovables y proyectos energéticos eficientes en los ámbitos nacional, regional
y municipal. Todos ellos adjudican un papel importante a la EST.
6,2.- VENTAJAS DE LOS PROYECTOS CON ENERGIA SOLAR AL MEDIO
AMBIENTE
La Energía Solar Térmica tiene dos grandes ventajas ambientales en comparación
con otras energías no renovables.
• Emplea un recurso inagotable: la radiación solar.
• Su impacto sobre el medio ambiente es mínimo. Los posibles impactos
medioambientales en la fase de instalación no tienen un carácter permanente,
y desaparecen en la fase de explotación.
• No emite gases contaminantes a la atmósfera, ni gases de efecto invernadero.
Un elemento favorable de la energía solar térmica es que su aplicación suele
tener lugar en el entorno urbano, en donde la concentración de contaminantes
atmosféricos es más elevada.
• No afecta a la calidad de las aguas ni al suelo. No produce ruidos molestos.
• El principal impacto de los sistemas solares térmicos sobre el medio físico es el
efecto visual sobre el paisaje, por lo que se ha de poner especial atención en su
integración cuidadosa en el entorno, así como en su adaptación a los edificios.
• No existen efectos negativos sobre flora y fauna, aunque sí se ha de prestar especial
atención en aquellas instalaciones que ocupen una gran extensión de terreno.
6,3.- TON. DE CO2 EMITIDAS CON UN DESTILADOR TRADICIONAL.-
La cantidad de emisiones de los países se calcula tomando fundamentalmente la
cantidad de petróleo consumido. Las diferencias son abismales entre los países
industrializados y los del Tercer Mundo, así un sólo país como Estados Unidos
puede consumir varias veces lo que el continente africano entero.
En el Ecuador el consumo de energía proveniente de combustibles fósiles es 140.000
barriles diarios.
Electricidad residencial 26.4% (luz, refrigeración, agua caliente, cocina) De esta
energía solamente un 25 % proviene de combustibles fósiles pues en el Ecuador la
mayor parte de energía continua siendo hidroeléctrica.
El transporte utiliza el 38.3 por ciento de energía proveniente de los combustibles
fósiles.
La industria representa el 20.5 % del uso total de energía. Utiliza combustibles
fósiles ya sea por los generadores de energía o por un alto grado de uso de energía
eléctrica,
Dentro de la industria las que más utilizan combustibles fósiles son las industrias
petrolera, floricultora y camaronera, paradójicamente aquellas que provocan además
mayores daños por la destrucción de ecosistemas.
Los carros producen CO2 por la utilización de gasolina, diesel o gas. La cantidad de
CO2 producida depende del tipo de combustible y su eficiencia en el número de
kilómetros recorridos por galón de gasolina.
8.9 Kg de CO2 por galón en el caso de la gasolina y 10.3 Kg en el caso del diesel.
En 100 Km. de recorrido se emiten 11.2 Kg. de CO2 si es a gasolina y 10.32 Kg. si
es a Diesel. Hay ciudades como Munich, en donde hay 2 carros por cada habitante y
se recorre más de 200 Km diarios.
En los países del Tercer Mundo el problema es menor, las emisiones no se comparan
a los países industrializados, sin embargo los impactos a nivel local les hacen más
vulnerables a los cambios del Clima globales.
Para nuestro proyecto si se usara petróleo Diesel 2 se consumiría 28 galones por
día, en un año seria 10 080 galones, que al quemarlos producen 103 000 Kg de
CO2 o lo que es lo mismo 103 TON CO2 al año, que contribuyen al efecto
invernadero y al cambio climático.
CONCLUSIONES1.- Se ha logrado un diseño adecuado de destiladores solares para la elaboración de Pisco
en la localidad de Majes.
2.- Si bien el costo de inversión es alto, el tiempo de recuperación de la inversión es de
cuatro años, periodo relativamente corto según la vida de 20 años del proyecto.
3.- Con este proyecto de innovación tecnológica y uso de la energía solar térmica para
fines agroindustriales, se muestra al empresario que esta tecnología que ha dado
resultado en otros países como España y Chile también resulta en el sur peruano por la
alta radiación con la que contamos.
4.- Se debe tomar conciencia del cambio climático y los perjuicios que esto puede traer
para el mundo, sino desarrollamos estos proyectos que son una alternativa limpia y
económica para muchos sectores
RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFIA
ENERGIA SOLAR TERMICA…… Cámara de Comercio de Madrid – 2010
DESTILACION INDUSTRIAL ……Revista industrial volumen 4 México.
Química industrial orgánica por Silvia Álvarez Blanco 2005 Madrid España
Estadísticas del MINISTERIO DE AGRICULTURA – Perú 2009
ANEXOS