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).