ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL ESCUELA DE INGENIERÍA PLANTA PILOTO POTABILIZADORA DE AGUA DE MAR CON ENERGÍA SOLAR PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO MONTOYA PÉREZ PAÚL FRANCISCO [email protected] DIRECTOR: DOCTOR CARLOS QUEVEDO [email protected] Quito, FEBRERO 2009 DECLARACIÓN Y o, Paúl Francisco M o ntoya Pérez, declaro bajo jura m ento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previa m ente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este docum e nto. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela establecido por la Ley de Politécnica Propiedad Intelectual, por su nor m atividad institucional vigente. Paúl Montoya Pérez Nacional, según lo Regla m e nto y por la CERTIFICACIÓN C ertifico que el presente trabajo fue desarrollado por Paúl Francisco Montoya Pérez, bajo mi supervisión. _____________________ Dr. Carlos Quevedo DIRECTOR DE PROYECTO 4 AGRADECIMIENTOS A Dios sie m pre presente en mi vida. A todos mis a migos y Profesores de la U niversidad que han sido durante la carrera un soporte indispensable para cul minar mis estudios. A todos y cada uno de los co m pañeros de TI M E E S CI por su profesionalis mo y ayuda per m anente. Un agradeci miento especial al Dr. Carlos Q u evedo por su funda m e ntal apoyo y confianza en el desarrollo de la investigación y al Ingeniero Jorge Escobar por su guía incondicional a lo largo de toda la carrera. 5 DEDICATORIA A Dios, sustento de mi fe, a mis Padres, incondicionales y a m orosos, y a mi Patria que me recibió en su seno y a quien debo dar testimonio de mi dese m p eño profesional. 6 CONTENIDO C O N T E NI D O ....................................................................................................................................................................................................................1 T A B L A D E FI G U R A S ....................................................................................................................................................................................... 11 T A B L A D E F O T O G R A FÍA S ...................................................................................................................................................................1 3 R E S U M E N .......................................................................................................................................................................................................................1 6 P R E S E N T A CI Ó N ................................................................................................................................................................................................... 18 1. P L A N T A PIL O T O PO T A BILIZA D O R A DE AGUA DE MAR CO N E N E R GÍ A S O L A R ................................................................................................................................................................................................. 19 1.1 INT R O D U C CI Ó N ..............................................................................................................................................................................1 9 1.1.1 1.2 L A I M P O R T A N CIA D E L A G U A P U R A .................................................................................................2 0 F U E N T E S D E A G U A ................................................................................................................................................................... 20 1.2.1 A B A S T E CI MIE N T O S S U B T E R R Á N E O S ........................................................................................2 0 1.2.2 A B A S T E CI MIE N T O S S U P E R FI CIAL E S ...........................................................................................2 1 1.2.3 A B A S T E CI MIE N T O S N U E V O S .....................................................................................................................2 2 1.3 M É T O D O S D E P U RIFICA CI Ó N ................................................................................................................................. 22 1.3.1 A U T O P U RIFIC A CI Ó N Y R E P O S O .........................................................................................................2 3 1.3.2 A E R A CI Ó N ....................................................................................................................................................................................2 4 1.3.3 FILT R A CI Ó N L E N T A P O R A R E N A .......................................................................................................... 25 1.3.4 Ó S M O SIS IN V E R S A ....................................................................................................................................................... 26 1.3.5 M E Z C L A D O, C O A G U L A CI Ó N, FLO C U L A CI Ó N Y S E DI M E N T A CI Ó N .............................................................................................................................................................. 32 1.3.6 1.4 L A D E S TIL A CI Ó N ...............................................................................................................................................................3 3 A B L A N D A MI E N T O ......................................................................................................................................................................... 34 1.4.1 P R E CIPIT A CI Ó N .................................................................................................................................................................. 34 1.4.2 P E R M U T A CI Ó N IÓ NIC A ..........................................................................................................................................3 4 1.5 C O N T R O L D E O L O R E S Y S A B O R E S ............................................................................................................3 5 1.5.1 P R E V E N CI Ó N ..........................................................................................................................................................................3 5 7 1.6 L A D E S TIL A CI Ó N S O L A R .................................................................................................................................................3 8 1.6.1 A N T E C E D E N T E S HIST Ó RI C O S ................................................................................................................. 39 1.6.2 M E DI D A S PA R A LA EV AL U A CI Ó N DE LA D E S TIL A CI Ó N S O L A R .................................................................................................................................................................................................4 1 1.6.3 D E S TIL A D O R E S S O L A R E S D E E S T A N Q U E .........................................................................4 3 1.6.4 O T R O S D E S TILA D O R E S S O L A R E S ...................................................................................................4 5 2. M O D E L O M A T E M Á TIC O ................................................................................................................................................................. 54 2.1 INT R O D U C CI Ó N ..............................................................................................................................................................................5 4 2.2 P R O C E S O D E A DICIÓ N D E C AL O R Y VA P O RIZ A CI Ó N D E L A G U A S A L A D A E N U N M Ó D U L O S O L A R P A T E N T A D O.. ...................................................................... 54 2.2.1 2.3 FL UJ O D E V A P O R A T R A V É S D E T U B E RÍA S .................................................................................. 56 2.3.1 2.4 C Á L C U L O S D E L P R O C E S O .............................................................................................................................5 4 C Á L C U L O D E L P R O C E S O ..................................................................................................................................5 6 C O N D E N S A CI Ó N DE L VA P O R LIB R E DE S AL EN EL INT E R C A M BIA D O R D E C A L O R D E FL UJ O P A R A L E L O.. ................................................6 0 2.4.1 C A L C U L O D E L P R O C E S O NIV EL D E L M A R .......................................................................... 61 2.4.2 C A L C U L O D E L P R O C E S O P A R A Q UIT O ....................................................................................6 3 2.4.3 O B S E R V A CI O N E S ...........................................................................................................................................................6 4 3. P R U E B A S R E A LIZ A D A S ................................................................................................................................................................. 65 3.1 C O N SI D E R A CI O N E S ................................................................................................................................................................6 5 3.2 A L T E R N A TIV A S PA R A EL F U N CI O N A MI E N T O P R U E B A S P R E VI O A LA C O N S T R U C CI Ó N D EL BA N C O DE DEL P R O T O TIP O DE L A PL A N T A.. .............................................................................................................................................................................................6 6 3.3 S E N S O R D E NIV EL AU T O M Á TI C O .................................................................................................................... 67 3.4 J U S TIFIC A CI Ó N TE Ó RI C A D E LA SI M U L A CI Ó N D EL MO D ULO S O L A R C O N U N Q U E M A D O R D E G A S P R O P A N O- B U T A N O ................................. 67 3.4.1 J U S TIFIC A CI Ó N ...................................................................................................................................................................6 8 8 3.4.2 C O N SI D E R A CI O N E S .................................................................................................................................................... 68 3.4.3 C Á L C U L O S R E A LIZ A D O S .................................................................................................................................... 68 3.4.4 O B S E R V A CI O N E S ...........................................................................................................................................................7 3 3.5 C O N C E N T R A CI Ó N D E S A L E N EL A G U A ............................................................................................... 73 3.6 A L T E R N A TIV A S PA R A EL F U N CI O N A MI E N T O P R U E B A S P R E VI O A LA C O N S T R U C CI Ó N D EL BA N C O DE DEL P R O T O TIP O DE L A PL A N T A.. .............................................................................................................................................................................................7 4 3.6.1 A L T E R N A TIV A 1. ..................................................................................................................................................................7 4 3.6.2 A L T E R N A TIV A 2. ..................................................................................................................................................................8 4 3.6.3 A L T E R N A TIV A 3. ..................................................................................................................................................................8 6 3.6.4 A L T E R N A TIV A 4. ..................................................................................................................................................................9 1 3.6.5 A L T E R N A TIV A 5. ..................................................................................................................................................................9 4 3.6.6 A L T E R N A TIV A 6. ..................................................................................................................................................................9 8 3.6.7 C O N C L U SI O N E S ............................................................................................................................................................1 01 4. C O N S T R U C CI Ó N ................................................................................................................................................................................... 1 03 4.1 INT R O D U C CI Ó N ..........................................................................................................................................................................1 03 4.2 P A N E L E S S O L A R E S .............................................................................................................................................................1 03 4.3 C O N E XI O N E S D E L EQ UI P O ..................................................................................................................................... 1 06 4.4 C O N SI D E R A CI O N E S ............................................................................................................................................................1 14 5. S E G U N D O P R O T O C O L O D E P R U E B A S .........................................................................................................1 15 5.1 NIV E L D E LL E N A D O ..............................................................................................................................................................1 15 5.2 A N G U L O D E IN C LIN A CI Ó N D E L O S P A N E L E S ......................................................................... 1 16 5.3 P R U E B A 1. ..............................................................................................................................................................................................1 16 5.3.1 R E S U L T A D O S O B T E NI D O S ......................................................................................................................... 1 17 5.3.2 O B S E R V A CI O N E S .......................................................................................................................................................1 18 5.3.3 C A M BI O S A EF E C T U A R .....................................................................................................................................1 20 5.4 P R U E B A 2. ..............................................................................................................................................................................................1 20 9 5.4.1 R E S U L T A D O S O B T E NI D O S ......................................................................................................................... 1 25 5.4.2 O B S E R V A CI O N E S .......................................................................................................................................................1 25 5.4.3 C A M BI O S A EF E C T U A R S E ............................................................................................................................ 1 25 5.5 P R U E B A 3. ..............................................................................................................................................................................................1 25 5.5.1 R E S U L T A D O S O B T E NI D O S ......................................................................................................................... 1 27 5.5.2 O B S E R V A CI O N E S .......................................................................................................................................................1 27 5.5.3 C A M BI O S A EF E C T U A R S E ............................................................................................................................ 1 27 5.6 P R U E B A 4. ..............................................................................................................................................................................................1 28 5.6.1 R E S U L T A D O S O B T E NI D O S ......................................................................................................................... 1 31 5.6.2 O B S E R V A CI O N E S .......................................................................................................................................................1 31 5.6.3 C A M BI O S A EF E C T U A R S E ............................................................................................................................ 1 31 5.7 P R U E B A 5. ..............................................................................................................................................................................................1 32 5.7.1 R E S U L T A D O S O B T E NI D O S ......................................................................................................................... 1 33 5.7.2 O B S E R V A CI O N E S .......................................................................................................................................................1 34 5.7.3 C A M BI O S A EF E C T U A R S E ............................................................................................................................ 1 34 5.8 V A RIA CI Ó N D E L Á N G U L O D E IN C LIN A CI Ó N ............................................................................... 1 34 5.8.1 5.9 O B S E R V A CI O N E S .......................................................................................................................................................1 34 C O N C L U SI O N E S Y RE C O M E N D A CI O N E S ......................................................................................1 35 5.9.1 C O N C L U SI O N E S ............................................................................................................................................................1 35 5.9.2 R E C O M E N D A CI O N E S ............................................................................................................................................ 1 36 6. A N Á LISIS E C O N Ó MIC O ..............................................................................................................................................................1 38 6.1 INT R O D U C CI Ó N ..........................................................................................................................................................................1 38 6.2 M A T E RIAL E S D E IN V E S TI G A CI Ó N ............................................................................................................... 1 38 6.3 M A T E RIAL E S D E L EQ UI P O .......................................................................................................................................1 39 6.4 M A N O D E O B R A D E IN V E S TI G A CI Ó N ..................................................................................................... 1 41 6.4.1 DIS E Ñ O E IN V E S TI G A CI Ó N .........................................................................................................................1 41 10 6.4.2 6.5 C O N S T R U C CI Ó N Y M A N T E NI MIE N T O ......................................................................................1 41 M A N O D E O B R A D E IN S T A L A CI Ó N D E L EQ UI P O ...............................................................1 42 6.5.1 S U P E R VISI Ó N E IN S P E C CI Ó N ...............................................................................................................1 42 6.5.2 C O N S T R U C CI Ó N E IN S T A L A CI Ó N ................................................................................................... 1 42 6.6 C O S T O S T O T A L E S .................................................................................................................................................................1 43 6.6.1 C O S T O D E LA IN V E S TI G A CI Ó N ...........................................................................................................1 43 6.6.2 C O S T O S D E U N E Q U IP O N U E V O ...................................................................................................... 1 43 6.6.3 C O S T O S C O M P L E M E N T A RI O S ............................................................................................................. 1 44 6.6.4 P R E CI O D E V E N T A ....................................................................................................................................................1 46 6.7 E V A L U A CI Ó N D E L BE N E FI CI O ............................................................................................................................ 1 46 6.8 O T R O S P R O V E E D O R E S ................................................................................................................................................ 1 47 7. BIBLI O G R A FÍA ...........................................................................................................................................................................................1 48 7.1 VÍ N C U L O S D E INT E R N E T ............................................................................................................................................ 1 48 11 TABLA DE FIGURAS Figura 1-1 Proceso de filtración por arena. ...........................................................................................................................2 5 Figura 1-2 Esque m a de funciona miento de un purificador solar o eólico de ós m osis inversa. ............................................................................................................................................................................................................ 26 Figura 1-3 Proceso de destilación nor m al del agua ................................................................................................ 34 Figura 1-4 AL G A S Q U E O B T U R A N E N FILTR O S ................................................................................................... 36 Figura 1-5 AL G A S Q U E O C A SI O N A N O L O R E S Y S A B O R E S ............................................................ 37 Figura 1-6 D E S TILA D O R S O L A R D E E S T A N Q U E P O R T Á TIL. ..........................................................4 3 Figura 1-7 Corte esque m ático de un destilador solar de estanque .................................................4 4 Figura 1-8 Diagra m a esque m ático de una planta de destilación solar, con sus co m ponentes principales. ................................................................................................................................................................................ 44 Figura 1-9 Unidad de co m presión destilación que utiliza energía eléctrica de una central solar.. ........................................................................................................................................................................................................4 5 Figura 1-10 Unidad evaporador de etapas m últiples calentado con vapor obtenido de un colector solar concentrador. ........................................................................................................................ 46 Figura 1-11 Evaporador de etapas m últiples calentado con vapor obtenido de un colector de planchas planas. ............................................................................................................................................................4 7 Figura 1-12 Destilador de etapas m últiples con cubierta de vidrio y condensador evaporador de chapas de cobre. ............................................................................................................... 48 Figura 1-13 Batea evaporadora con cubierta de vidrio y superficies reflectoras. ......... 49 Figura 1-14 Destilador de plástico extruido con m echa negra para la evaporación y el enfriamiento. .................................................................................................................................................................. 50 Figura 1-15 Destilador solar con bateas inclinadas. ................................................................................................5 1 Figura 1-16 Destilador solar del tipo de m echa inclinada. ..............................................................................5 2 Figura 1-17 Destilador solar experimental de evaporación rápida de varias etapas, puerto Peñasco, sonora, México.. .............................................................................................................................5 3 Figura 3-1 Distribución de calor alrededor del tubo del módulo. ...........................................................7 1 Figura 3-2 Esque m a de funciona miento de alternativa 1 para el banco de pruebas con un que m a dor de GL P .................................................................................................................................................. 82 Figura 3-3 Esque m a de funciona miento de alternativa 2 para el banco de pruebas con un que m a dor de GL P .................................................................................................................................................. 85 12 Figura 3-4 Esque m a de funciona miento de alternativa 3 para el banco de pruebas con un que m a dor de GL P .................................................................................................................................................. 88 Figura 3-5 Esque m a de funciona miento de alternativa 4 para el banco de pruebas con un que m a dor de GL P .................................................................................................................................................. 93 Figura 3-6 Esque m a de funciona miento de la alternativa 5 para el banco de pruebas con un que m a dor de GL P .................................................................................................................................................. 96 Figura 3-7 Esque m a de funciona miento de alternativa 6 para el banco de pruebas con un que m a dor de GL P .............................................................................................................................................. 1 00 Figura 4-1 Esque m a 3D del sensor de nivel y sus co m ponentes. .................................................. 1 07 Figura 4-2 Esque m a 3D de la conexión en la parte inferior de los paneles. ...................1 08 Figura 4-3 Conexión en la parte inferior del panel izquierdo, detalle de los ele m entos conectados. ...........................................................................................................................................................................................1 Figura 4-4 Conexión inferior del panel derecho, detalle de los accesorios conectados. ......................................................................................................................................................................................................................1 10 Figura 4-5 Conexión superior de los paneles, detalle de los ele m entos conectados. ......................................................................................................................................................................................................................1 11 Figura 4-6 Conexión entre tanques de agua destilada y agua salada, detalle de los co m ponentes. ........................................................................................................................................................................................... 1 12 Figura 4-7 Vista lateral del equipo en 3 di mensiones. ......................................................................................1 13 Figura 5-1 Circuito cerrado de un equipo fototér mico.- el agua caliente y fría estan en contacto de m o d o que la caliente se m ueve al tanque en la parte superior del equipo y la fría per m anece en el panel, parte inferior del panel per mitiendo que el calor se al macene en el tanque aislado.. ................................................................1 18 Figura 5-2 Circuito de agua vapor en el equipo de destilación solar.- el nivel de llenado del panel per mite que exista una zona de recalenta miento y al mis m o tie m po impide que el agua caliente que no se ha evaporado pierda su energía con el a m biente por la parte superior del panel.. ...........................................................................1 19 Figura 5-3 Tapón de bronce adaptado para sensor de nivel de electrodos.. .................1 20 Figura 5-4 Vista inferior de tapón para sensor de nivel de electrodos. .................................... 1 21 Figura 5-5 Detalle del tapón y electrodos de sensor de nivel. ..............................................................1 21 Figura 6-1 Esque m a ilustrativo de los ele m e ntos que se incluyen en los costos co m ple m entarios. ..................................................................................................................................................................................................... 1 45 13 TABLA DE FOTOGRAFÍAS Fotografía 2-1 Vista superior del condensador de cobre, ingreso de 1 pulgada, salida de 1/2 pulgada ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________6 0 Fotografía 2-2 Proceso de soldadura de plata en el condensador de tubos paralelos_ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 61 Fotografía 3-1 Censor de nivel de electrodos FL R P 301 __________________________________________________________________________________ 67 Fotografía 3-2 Tra m o de tubería expuesto a la convección_ _______________________________________________________________________7 1 Fotografía 3-3 Primera alternativa para el simulador del módulo solar con un que m a dor de GL P _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________7 5 Fotografía 3-4 Tanque fuente de agua salada con ter m ó m etro a la entrada_ ___________________7 6 Fotografía 3-5 Serpentín de condensación de vapor hecho de cobre (vista superior del tanque fuente de agua salada)_ _______________________________________________________________________________________________________________________ 76 Fotografía 3-6 Tanque fuente de agua salada, vista frontal_ _______________________________________________________________________ 77 Fotografía 3-7 Tanque de al macena miento y control de nivel_ ________________________________________________________________ 78 Fotografía 3-8 Tanque de al macena miento de agua destilada de acero inoxidable con visor de nivel_ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 79 Fotografía 3-9 Si mulador de m ódulo solar con que m ador de GL P __________________________________________________ 80 Fotografía 3-10 Vista superior del que m a dor de GL P _________________________________________________________________________________________8 1 Fotografía 3-11 Electroválvula y conexión al tanque de al macena miento y control de nivel_ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 81 Fotografía 3-12 Vista lateral de alternativa 3 para el banco de pruebas con un que m a dor de GL P _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________8 9 Fotografía 3-13 arreglo de tubos paralelos de tubería de cobre de 1 ½ pulgadas._ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 89 Fotografía 3-14 Arreglo de tubos paralelos de cobre, aisla miento interno_ ___________________________ 89 Fotografía 3-15 Arreglo de tubos paralelos con aisla miento externo y conexión a condensador de vapor._ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 90 Fotografía 3-16 Tanque fuente de agua salada, co m pleta m ente aislado con recipiente plástico transparente_ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 97 Fotografía 3-17 Tubo de cobre de 2" adaptado para condensar el vapor salado_ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 98 14 Fotografía 3-18 Tubo de vidrio resistente al calor para controlar el nivel de llenado del módulo solar_ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1 01 Fotografía 3-19 Tubo de 2 pulgadas para expansión de vapor y separación de vapor salado y vapor libre de sal_ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________1 01 Fotografía 4-1 Extre m o del panel solar_ _________________________________________________________________________________________________________________________________ 1 05 Fotografía 4-2 Vista frontal del módulo solar_ ________________________________________________________________________________________________________________ 1 05 Fotografía 4-3 Vista en perspectiva del módulo solar_ _____________________________________________________________________________________1 06 Fotografía 4-4 Recipiente de electrodos para el sensor de nivel_ ____________________________________________________ 1 06 Fotografía 4-5 Conexión inferior a los paneles co m pleta m ente aislada, con electro válvlua._ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1 08 Fotografía 4-6 Conexión inferior de panel izquierdo con un tapon inferior para sacar la sal y una llave para vaciar los paneles_ _______________________________________________________________________________________________________1 09 Fotografía 4-7 Conexión inferior del panel derecho con un tapon para desalojar la sal y una llave para vaciar el panel._ _____________________________________________________________________________________________________ 1 10 Fotografía 4-8 Conexión superior de los paneles con accesorios de acero inoxidable, tubo de expansión, ter mó m etro y unión al serpentin de condensación._ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 1 11 Fotografía 5-1 Vista posterior del equipo con el envase plástico para el agua destilada_ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1 17 Fotografía 5-2 Vista frontal del equipo_ ___________________________________________________________________________________________________________________________________1 17 Fotografía 5-3 Tapón con electrodos para sensor de nivel instalado sobre el panel_ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1 22 Fotografía 5-4 Tanque de acero inoxidable para recolectar el agua destilada_ __________1 22 Fotografía 5-5 Tanque de acero inoxidable conectado al equipo_ __________________________________________________ 1 23 Fotografía 5-6 Sensor de nivel conectado a la parte superior del panel._ ___________________________1 24 Fotografía 5-7 Electroválvula conectada a paneles y sensor de nivel_ ____________________________________1 24 Fotografía 5-8 Sensor de nivel ubicado en el extre m o inferior del panel_ ____________________________ 1 26 Fotografía 5-9 Tubo vertical aislado para electrodos de sensor de nivel_ ___________________________1 26 Fotografía 5-10vista superior del tubo plástico conectado para el sensor de nivel_ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1 28 Fotografía 5-11 sensor de nivel modificado con tuvo plástico para evitar desborda miento_ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 1 29 15 Fotografía 5-12 Torre m etalica en for ma de colu m na y tanque reserva de agua salada m ontado para pruebas ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1 30 Fotografía 5-13 Vista superior del tanqeu de reserva con el condensador de cobre, despues de haber recibido m anteni miento_ ________________________________________________________________________________________________ 1 32 Fotografía 5-14 Vista exterior del tanque de acero inoxidable para agua salada, desues de su m a nteni miento_ _______________________________________________________________________________________________________________________________________ 1 32 Fotografía 5-15 Extensión del tubo de expansión del vapor, vista lateral_ _________________________1 33 Fotografía 5-16 vista frontal del tubo de expansion extendido y el tanque de agua salada despues del manteni miento_ ___________________________________________________________________________________________________________________________ 1 33 16 RESUMEN El Proyecto conte m pla el diseño y construcción de una planta piloto para la potabilización de agua de mediante destilación utilizando energía solar. En la actualidad la de m anda de fuentes de agua potable apta para consum o hu m a no es m u y grande sobre todo en las zonas costeras de nuestro país debido a la falta de redes que alcancen las zonas alejadas de las grandes ciudades, y la falta de recursos para imple m entarlas, entonces es necesario crear una alternativa co m o es la utilización de energías renovables para reducir costos y llegar a zonas alejadas, no solo por la salud de los beneficiarios, sino ta m bién por el avance tecnológico que representaría para nuestro país. La falta de soluciones técnicas y eficaces para el proble m a planteado hace muy necesario el aporte que a través de la Escuela Politécnica Nacional hará este proyecto de titulación dando co m o resultado ade m ás la mejora en las condiciones de vida de las personas beneficiadas. O B J E TIV O S D E L A INV E S TI G A CI Ó N Objetivo General: Diseñar y construir una planta piloto potabilizadora de agua de mar a flujo continuo que trabaje con energía solar. Objetivos específicos: • R e alizar un estudio teórico sobre los procesos de destilación de agua y las condiciones de salinidad que presentan nuestras aguas costeras aptas para este proceso • C o nstruir un prototipo de planta piloto que permita la efectiva potabilización del agua de mar. J U S TIFIC A CI Ó N Crear una alternativa efectiva y accesible para la obtención de agua de mar en zonas costeras mediante el uso de energía solar, co m o respuesta a las 17 necesidades del país y el mundo de encontrar nuevas for mas de utilizar las energías renovables. M A R C O D E R E F E R E N CIA a) Teórico • M e cánica de Fluidos • turbo m áquinas • Electrónica • Transferencia de calor • Ter m odiná mica b) Marco Conceptual P ara la elaboración de este proyecto se to mará co m o base a la Ingeniería M e cánica, en especial a lo que es referente a mecánica de fluidos; y se relacionará con la Ingeniería electrónica a través de la creación de un circuito que controle el siste m a de m o d o auto m ático. HIP Ó T E SIS D E T R A B AJ O El equipo será diseñado y construido de tal for ma que per mita obtener agua potable a partir de agua de mar a flujo constante, el equipo requerirá de un siste m a de control electrónico para su funciona miento continuo, así co m o un siste m a que per mita realizar manteni miento cada período de tie m po. 18 PRESENTACIÓN S e ha realizado una investigación extensa y suficiente para deter minar un siste m a funcional para potabilizar agua de mar a través del proceso de destilación, utilizando única m ente energía solar co m o fuente de energía, del mis m o modo aclárese que co m o todo proyecto de investigación no es definitivo, y por tanto susceptible de mejorarse e imple m enten nuevos ele m entos que incre m e nten su eficiencia y efectividad. Para enfrentar los proble m as provocados por la acción agresiva del agua salada sobre todo ele m e nto en general, se escogieron accesorios y materiales co m o acero inoxidable, cobre y plástico que presentan una importante resistencia a la acción del agua salada en las áreas que tienen contacto con la mis m a, se utilizo ade m ás m ateriales aislantes co m o madera, plástico y polietileno expandido para el aisla miento ta m bién alu minio y acero negro para las partes estructurales del equipo, el equipo cuenta con paneles solares de una eficiencia del 82 %, y una eficiencia del equipo del 71 %, lo que nos da co m o resultado una eficiencia global del 58 %, recorde m os ade m ás que los paneles solares prom e dio tienen eficiencia global del 28 %, una el siste m a eficiencia del 40 % lo que de realimentación de sería una energía condensador, conte m p la una ventaja importante del diseño propuesto. en el 19 CAPITULO I 1. PLANTA PILOTO POTABILIZADORA DE AGUA DE MAR CON ENERGÍA SOLAR 1.1 INTRODUCCIÓN El presente docu m e nto contiene los resultados y explicaciones de las alternativas ensayadas para la construcción del banco de pruebas previa la construcción de la planta piloto, así ta m bién los resultados obtenidos con la planta piloto y el respectivo análisis econó mico. El objetivo del presente proyecto es encontrar la alternativa más efectiva de destilación mediante la utilización de energía solar para optimizarla posteriorm e nte en el proceso de pruebas con la alternativa elegida. E n el presente trabajo nos detene m os, consciente m ente, en los te m as de potabilización general del agua, proveniente de diferentes fuentes de abasteci miento del líquido vital. N os detene m os ta m bién en la exposición y explicación de los m últiples proyectos que, histórica m ente, intentaron y se aplicaron, efectiva m ente, para potabilizar el agua por diferentes métodos y sobre todo por destilación con Energía Solar. D ecidi mos detenernos un poco en lo indicado anterior m ente, puesto que el presente trabajo pretende exponer un nuevo concepto y aplicación óptima de la Energía Solar Foto-tér mica, co m o se podrá ver en los capítulos correspondientes. 20 1.1.1 LA IMPORTANCIA DEL AGUA PURA S ola m ente el oxígeno sostener la vida es de más esencial que todos los organis m os el agua vivos. en Seres hu m a nos pueden vivir por varias se m anas sin alimento, pero apenas algunos días sin el agua. Esto no nos sorprende cuando considera m os que casi 3/4 de nuestro cuerpo está co m puesto de agua. P orque el agua es tan esencial al sano m a nteni miento de nuestros huesos, tejidos finos y músculos. Es importante que beba m os agua pura y libre de conta minantes a co m o sea posible. 1.2 FUENTES DE AGUA El agua circula indefinida m e nte a través de su inter minable ciclo hidrológico retención de o precipitación de lluvia, escurrimiento, infiltración, almacena miento, evaporación, precipitación, y así sucesiva m e nte. Se entiende por fuente de abasteci miento de agua aquel punto o fase del ciclo natural del cual se desvía o aparta el agua, te m poral mente, para ser usada, regresando final m ente a la naturaleza. Para nuestra utilización recurrimos tanto a los abastecimientos subterráneos como a los superficiales . La manera en que ad ministra m os el agua deter mina que las fuentes naturales se renueven o no, los estragos causados en ciertas zonas del m u n do por la no renovación de las fuentes naturales de agua, de m u estra co m o la desperdicia m os y descuida m os. La consecuencia grave que ha conllevado nuestra conducta es el de convertir el agua en un recurso no renovable, cuando en la naturaleza se purifica y renueva sin proble m as. 1.2.1 ABASTECIMIENTOS SUBTERRÁNEOS S on abasteci mientos para pequeñas poblaciones que por lo general presentan una mayor dureza, sin embargo estas aguas requieren de un menor trata miento por que se purifican en las capas de los suelos; esto no quiere decir que sie m pre 21 el agua será dura o que estará purificada, todo dependerá de la configuración del suelo. Existen tres tipos de abasteci mientos subterráneos: 1.2.1.1 Pozos poco profundos H asta 30 m de profundidad y entre 1.2 y 1.80 m de diá m etro. 1.2.1.2 Pozos profundos M a yores a 30 m de profundidad, 15 a 30 c m., de diá m etro, requieren de un siste m a de bom b e o para extraer el agua. 1.2.1.3 Manantiales S on abasteci mientos que aparecen en la superficie a través de rocas, muchos de los cuales no se puede deter minar su procedencia se deben proteger de los conta minantes externos y sie m pre deben estar tapados para que el agua superficial no ingrese al manantial. 1.2.2 ABASTECIMIENTOS SUPERFICIALES E n general, los manantiales ofrecen agua bastante purificada, sin e m bargo se afectan fácilmente por la naturaleza o por acción del ho m bre, las fuentes superficiales de agua son por lo general las más utilizadas en las grandes ciudades, los ríos con riveras habitadas suelen estar conta minados por la acción del ho m bre, los lagos, represas y e mbalses suelen tener una m ejor calidad de agua por sedi mentación. 1.2.2.1 Ríos La turbiedad y la conta minación varían mucho de un día al otro, así co m o ta m bién la te m peratura en épocas de verano, hace poco deseable el agua de los ríos, sin 22 e m b argo requiere menos infraestructura y per misos para disponer del agua. 1.2.2.2 Lagos naturales Los lagos ofrecen una de las mejores fuentes de agua, por su disponibilidad casi ilimitada y por su calidad, la cual debe estudiarse ñeque parte de los lagos se debe to m ar, así ta mbién su te m peratura no varía m a yor m ente en todo el año. 1.2.2.3 Embalses Al contener el caudal de un río enana represa consegui mos los beneficios de la sedi mentación, sin e m b argo esto puede producir olores y sabores extraños por la presencia de algas. 1.2.3 ABASTECIMIENTOS NUEVOS A parte de los abastecimientos de agua naturales y las plantas de trata miento convencionales para reutilizar el agua. En zonas carentes de estos abasteci mientos el alto costo de transportar agua potable ha buscado alternativas co m o son la destilación de agua sobre todo para liberarla de sal, su bajo volu m en de producción los hace aún costosos y tal vez injustificados, problem a al cual la tesis presente da una alternativa. Creando así una nueva fuente de su ministro de agua con un míni mo de conta minación a m biental y lo que es m á s importante proveyendo de una mejor calidad de vida a estas regiones. 1.3 MÉTODOS DE PURIFICACIÓN Los métodos de purificación varían grandem e nte de acuerdo a su uso, es así que el agua para consu m o hum a n o no debe contener ningún tipo de impureza suspendida o disuelta que afecte su 23 apariencia, aún más importante se deben eliminar todo tipo de impurezas no visibles que resulten peligrosas para la salud del consu midor, co m o bacterias. El agua para usos industriales requiere un trata miento especial de acuerdo a co m o se la emplee, esto puede ser para generar vapor para enfria miento, para limpieza etc. El presente trabajo dedica su objetivo a producir agua para consu m o do m é stico. 1.3.1 AUTO PURIFICACIÓN Y REPOSO La naturaleza provee cierto grado de auto purificación m e diante los procesos de sedi mentación, filtración y aeración, para cada caso suele afirmarse que tras doce kiló m etros de recorrido el agua se habrá purificado, cosa que no es cierta debido a que el tie mp o en todos los casos es el factor más importante, pasando por la concentración de bacterias, luz solar, te m peratura y la cantidad de oxígeno. C o ntrario a lo que se piensa si la velocidad de flujo es muy alta requerirá mucho m á s tie m po y distancia para purificarse, así mis m o la mayor cantidad de oxígeno no acelera el proceso de purificación. S e puede identificar algunas zonas en la etapa de purificación del agua co m o son la “zona de conta minación reciente”, se verifican ca m bios biológicos co m o la desaparición gradual de plantas verdes. Siguiendo corriente abajo esta la “zona de desco m p osición activa”, donde se verifica presencia de gusanillos rojos que hunden su extre m o inferior en el lodo negro del fondo, sin existe oxígeno suficiente no se producirán olores, las caídas de agua y las corrientes de aire ayudan a proveer de oxígeno para la purificación pero el incre m entar este no acelera el proceso. La no existencia de suficiente oxígeno produce un estado del agua lechosa, gris o negra, aco m pañada de olores desagradables y gases. 24 C o n el tie m po se puede producir hu m us útil para cultivos, así mis m o hay oxígeno mayor presencia de nitratos que recupera el del agua y nueva m e nte plantas verdes vuelven aparecer esta se conoce co m o la “zona de recuperación”. E n los lagos y e m balses se verifican de igual manera estas zonas, esto aunque no estén bien delimitadas las zonas, pueden presentarse en estos casos vegetación y olores desagradables, dependiendo de la concentración de bacterias y micro organis m os. A pesar de todo este proceso, se requiere en muchos casos de un proceso adicional de purificación, pues esto no asegura que sea apta para el consu m o. 1.3.2 AERACIÓN Provee tres beneficios: Introduce oxígeno al agua P er mite el escape de los gases disueltos co m o el bióxido de carbono y el y el ácido sulfhídrico Elimina sustancias volátiles que causan m al olor y sabor. La introducción el oxígeno es la primera etapa del proceso de eliminación de hierro y manganeso por filtración. Al eliminar el bióxido de carbono se logra reducir al míni mo el efecto corrosivo del agua. D e bido a la presencia de gas en la at m ósfera es difícil reducir su concentración a 5 pp m, de igual m a n era los olores y sabores se eliminan leve m ente, y se requiere sie m pre un proceso co m ple m entario de purificación. 25 S e puede realizar de distintas maneras co m o la pulverización, o la descargarla por una tubería elevada que la lleva por una serie de placas de las que caiga agua a través de pequeños agujeros, a veces con pedazos de piedra triturada del fondo o derra m ando por los bordes. Si la concentración de oxígeno disuelto es de 7 a 10 pp m, la del bióxido de carbono es de 3 a 5 pp m , y no hay ácido sulfhídrico, el proceso de aeración se considera exitoso. 1.3.3 FILTRACIÓN LENTA POR ARENA La filtración lenta por arena tiene una limitación de 10 a 30 pp m para poder ser eliminada, así mis m o la coloración se puede reducir en un 40 %. La producción es baja, puede llegar hasta unos 47 000 m3 por hectárea de lecho de arena. El gráfico a continuación nos m uestra un esquem a del proceso. Agua Tubo indicador de agua INFLUENTE Nivel optimo de filtración Arena EFLUENTE Grava Figura 1-1 Proceso de filtración por arena Es importante recordar que si el nivel de agua del tubo indicador es muy alto no está funcionando el filtro y si es muy bajo el filtro necesita limpieza, así mis m o la válvula debe per mitir el paso continuo de agua. 26 1.3.4 ÓSMOSIS INVERSA C o m o método de desalación de agua en las décadas del 70 y 80 se investigó, en Arabia Saudita entre ós m osis inversa co m o método de otros países la purificación del agua, obteniéndose resultados muy buenos en cuanto al proceso de purificación, paralelam e nte se adaptaron estos equipos de purificación par utilizar energía solar o eólica, de manera indirecta, es decir co m o fuente de energía eléctrica. Figura 1-2 Esquema de funcionamiento de un purificador solar o eólico de ósmosis inversa P ara entender de mejor manera este proceso de purificación de agua echare m os un vistazo general a su proceso. 1.3.4.1 Ósmosis La ós m osis u os m osis es un fenó m e no físico-quí mico relacionado con el co m p orta miento del agua (co m o 27 solvente de una solución) ante una m e m brana se miper m eable para el solvente (agua) pero no para los solutos. Tal co m p orta miento entraña una difusión si mple a través de la m e m brana del agua, sin "gasto de energía". La ós m osis es un fenó m eno biológico importante para la fisiología celular de los seres vivos. Se deno mina membrana semipermeable a la que contiene poros, al igual que cualquier filtro, de ta m a ño m olecular. El ta m año de los poros es tan minúsculo que deja pasar las m oléculas pequeñas pero no las grandes (nor m al m ente del ta m año de micras). Por eje m plo, deja pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes. Si una me m brana co m o la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del siglo XIX por Van 't Hoff y Gibbs e m pleando conceptos de potencial electroquí mico y difusión simple, entendiendo que este último fenó m e no implica no sólo el movi miento al azar de las partículas hasta lograr la ho m o génea distribución de las mis m as (y esto ocurre cuando las partículas que aleatoria m ente vienen se equiparan con las que aleatoria m ente van), sino el equilibrio de particiones. los Los potenciales quí micos potenciales co m ponentes de una de quí micos solución son a m b as de los menores que la su m a del potencial de dichos co m ponentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa co m o presión os m ótica m e nsurable en tér minos de presión at mosférica (p. ej. 28 "existe una presión osmótica de 50 atmósferas entre agua y desalinizada agua de mar"), que está en relación directa con la os m olaridad de la solución. El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la [ 1] [2] presión os m ótica. El resultado final es que, aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo: dado suficiente tie m p o, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración. Las moléculas se miper m eable de agua desde la atraviesan la m e m brana disolución de concentración (disolución hipotónica) a la de concentración (disolución hipertónica). menor mayor Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el no m bre de isotónicas. E n los seres vivos, este movi miento del agua a través de la me m brana celular puede producir que algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua, o bien que se hinchen (posible m ente hasta reventar) por un au m ento ta m bién excesivo en el contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias desastrosas para las células, estas poseen mecanis m os para expulsar el agua o los iones m e diante un transporte que requiere gasto de energía. 29 1.3.4.2 Ósmosis inversa Lo descrito hasta ahora es lo que ocurre en situaciones nor m ales, en las que los dos lados de la m e m brana están a la mis m a presión; si se au m enta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja concentración. S e puede decir que se está haciendo lo contrario de la ós m osis, por eso se lla ma ós m osis inversa. Téngase en cuenta que en la ós m osis inversa a través de la m e m brana se miper m e able sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración. Si la alta concentración es de sal, por ejem plo agua m arina, al aplicar presión, el agua del mar pasa al otro lado de la me m brana. S ólo el agua, no la sal. Es decir, el agua se ha desalinizado por ós m osis inversa, y puede llegar a ser potable. 1.3.4.3 Desalación M e diante este procedimiento es posible obtener agua desalinizada (menos de 15.000 micro-sie m ens/c m de conductividad eléctrica) partiendo de una fuente de agua salobre, agua de mar, que en condiciones nor m ales puede tener entre 20.000 y 55.000 micro sie m ens/c m de conductividad. La medida indicación de la conductividad de la contiene, dado cantidad de que el agua del agua sales pura no da una disueltas que es un buen conductor de la electricidad (su potencial de disociación es menor de 0.00001). 30 La ós m osis inversa o reversa (R O) se ha convertido hoy en día en uno de los siste m as más eficientes para desalinizar y potabilizar el agua, siendo usada en barcos, aviones, industrias, hospitales y do micilios. M e diante ós m osis inversa se consigue que el agua bruta que llega a la desalinizadora se convierta por un lado en un 40 % de agua producto y un 55-60 % de agua salobre. La clave está en la constitución del fajo de m e m branas que intercalan redes-canales de circulación entre capa y capa y final mente convergen en el centro del siste m a. C o m o hay un flujo de entrada y dos flujos de salida, al uno se le conocen com o rechazo salino y al otro co m o flujo de per m eado y sus valores dependerán de la presión de entrada impuesta al siste m a. Por lo general es factible encontrar m e m branas confeccionadas con polia mida o acetato de celulosa (este último material está en desaparición) con un rechazo salino de entre 96.5-99.8 %. Existen m e m branas especializadas para cada tipo de agua, desde agua de mar hasta aguas salobres. Los equipos de ós m osis inversa industriales montan varios trenes o carros de me m branas interconectadas entre sí, una bo m b a de alta presión, medidores de T D S, pH y caudalímetros de colu m na. Existen equipos que se ubican en grandes salas debido a su enor m e ta m año. P ara el óptimo funciona miento de estos siste m as, se requiere mantener un anti-incrustante contra sílice (sílice gelificada neutra) que obtura el sistem a, ade m ás 31 de un biocida para m a ntener libre de bio m asas las capas del siste m a. La ós m osis inversa tiene algunas restricciones, hay ciertas especies quí micas que el siste m a no es capaz de retener, estos el arsenito (As+3), la sílice neutra (ya m e ncionada) y el boro. Para retener estas especies hay que realizar una modificación del estado químico de la especie, ya sea vía oxidación, co-precipitación o ca m bios de pH del m e dio. Por eje m plo el arsenito (As+3) experimenta un rechazo de menos de 25 %, el arseniato (As+5) es capaz de ser retenida en un 9598 %. Las incrustaciones en las me m branas son un factor no despreciable en la eficiencia del equipo, esto ocurre cuando se pretende forzar el caudal de per m e ado, ocurriendo frentes de saturación en la superficie de la m e m brana. Otras sustancias son incrustantes, tales co m o la mencionada sílice, bio m asas de microorganis m os. Una vez incrustada la m e m brana, solo es posible revertir la situación des m ontando la unidad y tratándola con mezclas de ácidos fuertes y so m etiéndolas a contracorriente. Un desarrollo relevante es tecnológico reciente especial mente el ós m osis inversa de desalinización basada la para en energía solar fotovoltaica, e m pleando sólo y exclusiva m ente una pequeña batería para que todo funcione correcta m ente. 1.3.4.4 Reducción de la dureza Las aguas duras contienen iones de calcio y magnesio que pueden precipitar co m binados con iones co m o 32 carbonatos, sulfatos o hidróxidos estos precipitados se van acu m ulando (obstruyendo) las tuberías de distribución, calentadores, etc. Con la ós m o sis inversa se consigue eliminar estos precipitados. 1.3.4.5 Observaciones A pesar de las bondades de las ós m osis inversa y el progreso baja conseguido estos siste m as por su eficiencia energética tienen un costo que aun es muy elevado. He m os de recordar que su relación con las energías alternativas e m pleo se enfoca es reducida, debido en usar energía a que su eléctrica de cualquier fuente, de este modo y to m ando en cuenta que la eficiencia de los paneles solares foto-voltaicos es en pro m edio un 15 %, la eficiencia del equipo ser reducirá aún más. Ante esto y recordando que el objetivo de la tesis, no profundizare m os mas en este te m a. 1.3.5 MEZCLADO, COAGULACIÓN, FLOCULACIÓN Y SEDIMENTACIÓN Las limitaciones de tiem p o y cantidad de agua producida con la filtración lenta han dado co m o resultado nuevos procesos de purificación mediante la utilización de filtros un proceso conjunto consta de estos 4 subprocesos com o son: 1.3.5.1 Mezclado C o nsiste en la distribución unifor me y rápida de de un coagulante u otro producto quí mico, en el agua que se esté tratando, antes que se quí micas en proporción notable. verifiquen reacciones 33 1.3.5.2 Coagulación S e refiere a la for mación de flóculos precipitados e incipientes mediante los ca m bios físico-químicos que tienen lugar entre el coagulante soluble y la alcalinidad del agua. 1.3.5.3 Floculación C o nsiste en agitar suave m e nte el agua tratada con coagulante, durante un período de tie m po apreciable, hará co m pletar las reacciones de coagulación, hasta alcanzar condiciones que per mitan que el material floculante se junte y adhiera for mando grandes masas de flóculos. 1.3.5.4 Sedimentación C o nsiste en el depósito de los flóculos en estanques especial mente diseñados para tal propósito. Por lo general, un tanque de sedi mentación es una estructura a través de la cual fluye agua a tan baja velocidad que el material suspendido caerá depositándose en el fondo del tanque, saliendo de éste un agua relativa m e nte clara. * Materiales co m o el hierro y el manganeso suelen sedi mentarse por su propio peso o son eliminados por procesos de encuentran filtración. Así mezclados con mis m o cuando se materia orgánica se los puede eliminar mediante aeración. 1.3.6 LA DESTILACIÓN C u ando el agua es hervida, sube co m o vapor y cuando se enfría, se convierte de nuevo en Agua... Agua Pura. El 34 proceso de destilación duplica el ciclo hidrológico de la naturaleza. Figura 1-3 Proceso de destilación normal del agua El proceso de destilación es un procedi miento de purificación del agua de alta efectividad que se ha co m probado durante m u cho tie m po y que consiste en tratar el agua hasta que su evaporación, y una vez que el vapor se ha condensado, se lo recoge. 1.4 ABLANDAMIENTO Los m étodos más conocidos son: 1.4.1 PRECIPITACIÓN U sando ya sea sola m ente cal, o cal y carbonato de de sodio (sosa calcinada), o cal y bióxido de carbono, para hacer que precipiten el calcio y el magnesio en for ma de co m p uestos insolubles. 1.4.2 PERMUTACIÓN IÓNICA C o nsiste en filtrar agua a través de arena especial lla m ada zeolita natural, “arena verde o glauco mita”, o a través de zeolitas sintéticas. 35 1.5 CONTROL DE OLORES Y SABORES El control de olores y sabores suele ser el m á s co m plejo problem a de solucionar en el trata miento de aguas, pues dependiendo del causante se utiliza un proceso especial, señalare m os los olores principal mente producidos por la presencia de microorganis m os y algunas sustancias químicas, 1.5.1 PREVENCIÓN A ñadir sulfato de cobre es el procedi miento preventivo más efectivo conocido, se puede usar hasta con concentraciones de hasta 12 m g/lit. Sin que haya peligro de envenena miento. Sin e m bargo sobre los 4 m g/lit. Puede producir proble m as de sabor, pero este valor suele ser suficiente para matar la gran m a yoría de flora y fauna microscópica y no afectar a peces si existen. Los gráficos a continuación causantes de m alos olores y sabores. muestran los posibles 36 Figura 1-4 ALGAS QUE OBTURA N EN FILTR OS FUENTE: “Algae ofimportance in Water Supplies”, Palmer, Tarzwell y Walter, Public Works Magazine,junio de 1955. 37 Figura 1-5 ALGAS QUE OCASIONAN OLO RES Y SAB O RES FUENTE: “Algae ofimportance in Water Supplies”, Palmer, Tarzwell y Walter, Public Works Magazine,junio de 1955. 38 Sin e m bargo la aplicación continua de sulfato de cobre puede ser perjudicial para los peces pues se quedaran sin alimento, por lo que se restringe su uso a los depósitos para consu m o. S e puede ta m bién utilizar cloro para controlar el creci miento de microorganis m os pero este reacciona con la materia orgánica y es disipado por la luz solar, adem á s el exceso de este produce sabor y olor inconvenientes. E n las zonas poco profundas de los depósitos proliferan con frecuencia las algas. Esto se debe corregir con sulfato de cobre. Es importante disponer de to m as de agua a distintos niveles, pues en la superficie se ubica la mayor parte de los microorganis m os mientras que en el fondo se encuentran microorganis m os en desco m p osición así co m o hierro y m a n ganeso. 1.6 LA DESTILACIÓN SOLAR La Destilación del agua es el proceso de agua hirviendo en un co m partimiento que resulta en la creación de vapor. A medida que se levanta el vapor, este pasa a través de serpentinas refrescante y se acu m ula co m o agua pura. Todos los conta minantes son abandonados detrás en el tanque de hervir y los gases se vaporizan en las te m peraturas m á s bajas. Al punto que hierve el agua son liberados a través de orificios para el volátil gas. Esencial mente, destilación duplica el ciclo de la madre naturaleza de evaporación y precipitación. Es alta m ente eficaz en re m over todos los Inorgánicos, Orgánicos y Contaminantes Radio-nucleótidos. Éstos incluyen m etales pesados, A m oníaco, Nitrato, Cloruro, Fluoruro, Radio 226, C o nta minantes orgánicos industriales y Agentes conta minadores. D estilación es ta m bién alta m ente eficaz en re m over Insecticidas C o m ú n m e nte Usados, Herbicidas, y Plo m o; así co m o ta m bién, todas las bacterias y virus. 39 El procedi miento propuesto procura acelerar el calenta miento con el uso de paneles foto-térmicos, así co m o el enfria miento acelerado en un interca m biador de calor que a su vez caliente el agua que entra al proceso de destilación acelerando así el mism o. U n o de los principales proble m as previstos es el manejo de la sal, pues no conoce m os de manera cierta en que tie m po ni co m o se co m portará una vez separada del agua dentro del equipo. Para esto ante la posibilidad de que la sal sea arrastrada por el vapor se coloca un tanque a la salida del modulo solar para reducir la presión en un área mayor permitiendo que por su peso las partículas de sal contenidas en el vapor se desprendan y caigan al fondo del tanque; ta m bién hay la posibilidad de que la sal se concentre en el interior del tubo inclinado del módulo solar y por ser de mayor peso se arrastre hasta la parte inferior del mis m o, para esto se cuenta con una válvula de media vuelta que nos permita deter minar si la concentración de sal au m e nto en ese lugar. 1.6.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS E n 1872, en Salinas - Chile, se construyo el primer proyecto importante de destilación solar tipo estanque con una superficie de 50.000 pies cuadrados y una producción de 5000 galones al día para abrevar mulas se desconoce su tie m po de trabajo y duró cerca de 40 años. Posterior m ente en la segunda plegables guerra m u n dial se construyeron para balsas salvavidas con destiladores un funciona miento si milar al del tipo estanque, construidos en plástico con for m a cónica al inferior y de casquete en la superficie para condensar el vapor al inferior y colectarlo en el casquete. D espués de la segunda guerra mundial se continuaron construyendo y mejorando este tipo de destiladores utilizando cubiertas de vidrio. Al mis m o tie m po en las Islas Vírgenes se construyó una pequeña unidad. 40 “En el año de 1954, la Oficina de Aguas Salinas (Office of S aline Waters) realizó un resu m e n de los posibles métodos para la destilación solar. En 1955 en la conferencia sobre el e m pleo de la energía solar se infor mó sobre los experi mentos realizados en Argelia, Australia y los E E U U. Pequeños destiladores con cubierta de vidrio diseñados en Argelia se construyeron y vendieron en calidad reducida en Australia y C hipre, ade m ás d Argelia. Durante los años siguientes se aceleró el ritmo de la experimentación den los EE U U, bajo los auspicio de la oficina de Aguas Salinas. Los experi mentos cul minaron con la construcción de grandes unidades con cubierta de vidrio y cubierta de plástico en Daytona Beach, en florida. Estas unidades funcionaron durante varios años por cuenta de la oficina, que publicó los resultados. Entre tanto, se habían llevado a cabo nuevos trabajos experimentales en A ustralia, Italia, La Unión de Repúblicas Socialista Soviéticas y los E E U U. A de m ás la conferencia de las Naciones unidas sobre nuevas fuentes de energía, celebrada en ro m a del 21 al 31 de Agosto de 1961, produjo nuevas infor m aciones sobre la investigación y desarrollo la operación de destiladores solares en muchas partes del mundo. E n la actualidad hay grandes instalaciones en Australia, España, Grecia y Túnez, y en la Isla Pequeña San Vicente en el Caribe. En varios otros países y diversas islas del Pacífico m eridional funcionan otras unidades. Todas las instalaciones existentes son del tipo estanque. Se ha propuesto instalaciones, entre ellas una en la República otras Socialista S oviética de Turkei man, y en G w adar, Pakistán Occidental.” Fuente: Naciones Unidas, “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud”, Nueva York, 1972, pp. 8” 41 Co mo pode m os apreciar la destilación solar tuvo un importante desarrollo a lo largo de la historia, hasta finales de la década de los 80, el que más destaca es el destilador de estanque por su simplicidad y disponibilidad de infor m ación para diseñarlos y construirlos, pero ade m ás de este han existido y existen propuestas distintas que mencionare m os breve m e nte co m o referencias para nuestro estudio. 1.6.2 MEDIDAS PARA LA EVALUACIÓN DE LA DESTILACIÓN SOLAR Utilizare m os los siguientes destilación solar co m o pará m etros método para para evaluar la solucionar el abasteci miento de agua. 1.6.2.1 El Clima El pro m edio de e misión solar se estima en 1K w- h por 2 m alrededor depende de 4 horas de e misión solar, esto mucho de la región y las estaciones en la región. El Ecuador posee una posición privilegiada por dos razones básicas: la perpendicularidad de luz solar y la disponibilidad de la mis m a, dispone m os de 6 horas de luz solar por los 365 días del año. 1.6.2.2 Escala de las necesidades La necesidad de agua potable para un usuario o una población justifica el uso de un método alternativo priorizando el agua para consu m o hu m a no y salud, de este modo se deben evitar todo tipo de usos adicionales, en pro m e dio se utilizan 140 litros de agua dulce por persona al día. El prototipo proveerá 28 litros por día para una fa milia de 4 personas, entendiéndose que solo se utilizará en alimentación y aseo de manos para prevenir enfer m e dades 42 1.6.2.3 Emplazamiento La disponibilidad de superficie libre para instalar los equipos de destilación solar se establecen en las cercanías de la playa a salvo de las crecientes del oleaje. 1.6.2.4 Calculo del equipo El equipo de destilación se deter minará en función de los resultados obtenidos al final del presente proyecto. 1.6.2.5 Diseño El diseño concebido para el presente trabajo de tesis se describe con detalle más adelante. 1.6.2.6 Cálculo del rendimiento mensual El rendi miento mensual se evaluará de acuerdo con las condiciones climáticas en la zona. 1.6.2.7 Cálculo del costo U n a vez construido y probado el equipo se hará una evaluación final a partir de las evaluaciones continuas que se realicen durante la investigación. Es im p ortante aclarar que el equipo está planeado para resolver las necesidades de poblaciones alejadas y do bajos recursos por lo que es importante un costo com p etitivo. 1.6.2.8 Otras consideraciones La tecnología auto m atización existente y calidad para del los agua medios que desalinizar afectarán el diseño del equipo. se de va a 43 1.6.3 DESTILADORES SOLARES DE ESTANQUE Es el más conocido y por lo tanto el m á s desarrollado, ta m bién lla m ado destilador tipo invernadero, destilador de techo, destilador sencillo o destilador tipo convencional. En la naturaleza el agua dulce se produce por la destilación solar a gran escala, evaporando el agua superficial de los ríos y lagos, para luego en contacto con corrientes frías se congele y baje final mente en for ma de agua dulce, duplicar este proceso es precisa m e nte lo que se logra con el destilador tipo estanque. Figura 1-6 DESTILAD O R SOLAR DE ESTAN Q UE PORTÁTIL “Existen varios diseños para destiladores solares que difieren entre sí en los materiales y disposición, pero todos influyen ele m entos que dese m p eñan las mis m a s funciones. El depósito o estanque de agua salada debe ser imper m eable, y se ennegrece para que absorba eficientem e nte la radiación solar. La cubierta transparente debe ser impermeable al vapor y estar inclinada a un ángulo suficiente para per mitir que el agua que se condense en l superficie interior fluya por gravedad hacia las canaletas de condensado. Las canaletas de condensado deben disponerse de manera que recojan toda el agua que gotea del borde inferior de la cubierta y para que lleven el agua producida revestimiento del estanque al exterior puede del recinto. El colocarse directa m e nte 44 sobre el suelo o aislarse del mis m o para reducir las pérdidas de calor por el fondo. Los ele m entos de la estructura y las canaletas para condensado pueden construirse de metal, hor migón y otros materiales de larga vida.” Fuente: Naciones Unidas, “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud”, Nueva York, 1972, pp. 7” Figura 1-7 Corte esquemático de un destilador solar de estanque Fuente: Naciones Unidas., “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud” Nueva York 1972, pág. 50. Figura 1-8 Diagrama esquemático de una planta de destilación solar, con sus componentes principales Fuente: Naciones Unidas., “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud” Nueva York 1972, pág. 51. 45 1.6.4 OTROS DESTILADORES SOLARES D a da la magnitud de la infor mación referente a los diferentes equipos propuestos para realizar la destilación solar, nos limitare m os a mostrar su figura esque m ática para conoci miento general. Figura 1-9 Unidad de compresión destilación que utiliza energía eléctrica de una central solar. 46 Fuente: Naciones Unidas., “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud” Nueva York 1972, pág. 75. Figura 1-10 Unidad evaporador de etapas múltiples calentado con vapor obtenido de un colector solar concentrador Fuente: J.W. Bloemer et al.,“A practical basin-type solar still”, Solar Energy (Estados Unidos de América). No.9, 1965, pág. 197. 47 Figura 1-11 Evaporador de etapas múltiples calentado con vapor obtenido de un colector de planchas planas Fuente: Naciones Unidas., “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud” Nueva York 1972, pág. 77. 48 Figura 1-12 Destilador de etapas múltiples con cubierta de vidrio y condensador evaporador de chapas de cobre Fuente: Naciones Unidas., “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud” Nueva York 1972, pág. 78. 49 Figura 1-13 Batea evaporadora con cubierta de vidrio y superficies reflectoras Fuente: Naciones Unidas., “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud” Nueva York 1972, pág. 79. 50 Figura 1-14 Destilador de plástico extruido con mecha negra para la evaporación y el enfriamiento Fuente: Naciones Unidas., “LA DESTILACIÓN SOLAR como medio para satisfacer las necesidades de agua de poca magnitud” Nueva York 1972, pág. 80. 51 Figura 1-15 Destilador solar con bateas inclinadas Fuente: E.D. Howe, “Solar distillation on the Pacific atolls”, South Pacific Bulletin (Sidney, Australia), abril de1964. 52 Figura 1-16 Destilador solar deltipo de mecha inclinada Fuente: M. Telkes, “Flattilted solar stills”, Proceedings ofthe International Se minar on Solar and Aeolian Energy, Sunion, Grecia, 1961 (Nueva York, Plenum Press, 1964).