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UNIVERSIDAD ARTURO PRAT
FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
CARRERA DE INGENIERIA CIVIL AMBIENTAL
TÍTULO DEL PROYECTO
ESTUDIO DE DOS TIPOS DE DESTILADORES SOLARES PASIVOS PARA EL
TRATAMIENTO DE AGUAS DEL RIO CAMIÑA EN LA REGIÓN DE TARAPACÁ.
PROYECTO DE TESIS PARA OPTAR AL
TÍTULO DE INGENIERO CIVIL AMBIENTAL
Alumno
:
Wladimir Chávez Yavara
Profesor Patrocinante
:
Dr. Carlos Zambra Sazo
Profesor Colaborador
:
Raúl Villablanca Pais
IQUIQUE - CHILE
Julio 2013
DEDICATORIA
A mi familia, en especial a mis padres Jorge y Sandra
Por siempre apoyarme y ser un ejemplo de vida para mí y mis hermanos
Y a mi hermano Sebastián
Que aunque no estés con nosotros siempre te llevaré en mi corazón
I
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a todas las personas que hicieron posible que yo pudiera lograr mis
sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que el camino se terminaba, a
mi familia y en especial a mis padres Jorge y Sandra por siempre mi corazón y mi
agradecimiento hacia uds.
A mi hermano Sebastián que me demostró en vida que las cosas se logran con
esfuerzo y perseverancia, te doy gracias por todos los momentos que pasé contigo.
A mis compañeros y amigos que estuvieron siempre apoyándome en el
proceso de formación de mi carrera, quienes sin esperar nada a cambio compartieron
su conocimiento, alegrías y tristezas.
A
mis profesores por entregarme
las herramientas necesarias para
desenvolverme como profesional en el campo laboral, en especial al Dr. Carlos
Zambra que me dio la oportunidad de poder realizar mi tesis en CIDERH.
Al Centro de Investigación de Recursos Hídricos y a todos lo que lo conforman
por su apoyo día a día y por las facilidades que ha dado para llevar a cabo esta
investigación.
A todas y todos quienes de una u otra forma han colocado un granito de arena
para el logro de este Trabajo de Grado, agradezco de forma sincera su valiosa
colaboración.
II
INDICE GENERAL
Dedicatoria
I
Agradecimiento
II
Indice General
III
Indice de Figuras
VI
Indice de Tablas
VIII
Nomenclatura
X
Capítulo 1 .- INTRODUCCION
1
1.1.
El agua en la región de Tarapacá
1
1.2.
Fundamentación y justificación del tema de estudio
4
1.2.1. Aspectos ambientales y sociales
4
1.2.2. Aspectos históricos y tecnológicos de la destilación solar
5
1.3.
Objetivos
7
1.3.1. Objetivo General
7
1.3.2. Objetivos Específicos
7
1.4.
7
Estructuración de la tesis
Capítulo 2 .- MARCO TEORICO
9
Referencia bibliográfica
9
2.1.
9
El agua
2.1.1. Propiedades del agua
9
2.1.2. Agua de alimentación de procesos industriales
10
2.1.3. Agua salobre
11
2.1.4. Agua de mar
12
2.1.5. Agua de descarte
13
2.1.6. Agua contaminada
14
III
2.1.7. Agua destilada
15
2.2.
17
Radiación Solar
2.2.1. Dirección de incidencia de la irradiación solar
18
2.3.
21
Técnicas de desalinización
2.3.1. Desarrollo de la Desalinización
22
2.3.2. Procesos Térmicos
24
2.3.3. Procesos de membrana
26
2.4.
Destilación Solar y el medio ambiente
27
2.5.
Destiladores solares y su funcionamiento.
27
2.6.
Clasificación de Destiladores Solares
29
2.7.
Los estudios sobre Desalinización Solar
32
2.8.
Rendimiento de los destiladores solares
36
2.8.1. Parámetros que afectan el rendimiento de un destilador solar
37
2.9.
Predicción teórica de los destiladores solares
39
2.10. Balance de Energía y tasa de transferencia de masa
40
2.10.1.
Balance de energía y tasa de transferencia de calor teórico en un
destilador solar convencional
2.10.2.
42
Balance de energía y tasa de transferencia de calor teórico en un
destilador solar de doble piso
45
Capítulo 3 .- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
48
3.1.
Área de estudio
48
3.2.
Descripción del Clima
49
3.3.
Metodología experimental
50
3.3.1. Construcción de los destiladores
50
3.3.2. Instrumentos de medición usados
51
3.3.3. Condiciones de operación de los destiladores
55
3.3.4. Montaje Experimental
57
IV
Capítulo 4 .- PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
60
4.1.
Datos meteorológicos
60
4.2.
Rendimiento de destilado producido
62
4.3.
Temperaturas al interior de los destiladores
66
4.4.
Análisis comparativo entre el destilado teórico y el producido para un
destilador convencional
68
Capítulo 5 .- ANALISIS ECONOMICO
71
5.1.
Flujo de Caja
72
5.1.1. Vida útil del proyecto
72
5.1.2. Ingresos
73
5.1.3. Costos
74
5.1.4. Depreciación
74
5.1.5. Periodo de recuperación de la inversión
75
5.2.
Flujo de Caja Destilador Convencional
77
5.3.
Flujo de Caja destilador solar de doble piso
78
5.4.
Costo Anual Uniforme Equivalente
79
Capítulo 6 .- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
83
ANEXOS
85
A.1. Normas oficiales para la calidad del agua – Chile
85
A.2. Respuesta de información solicitada mediante la Ley de Transparencia
solicitada al Seremi de Salud
86
A.3. Modelos simulados por software de los destiladores solares
94
A.4. Irradiación Solar en el Norte Grande
102
A.5. Solicitud de laboratorio para análisis de muestras
106
A.6. Calculo teórico de la tasa de transferencia de masa media del destilador
convencional
107
REFERENCIAS
112
V
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Niveles de As y Salinidad con respecto a la NCh 409
10
Figura 1.2 Muestreo en las aguas superficiales en el norte de Chile
12
Figura 2.1 Modificación de la radiación solar por procesos atmosféricos y de
superficie
20
Figura 2.2 Ciclo del agua
22
Figura 2.3 Diagrama general del proceso de desalinización
23
Figura 2.4 Diagrama del proceso evaporación flash multietapa
25
Figura 2.5 Diagrama del proceso de membrana
27
Figura 2.6 Estructura básica de un destilador
28
Figura 2.7 Estructura de un destilador solar piramidal
30
Figura 2.8 Estructura de un destilador solar doble piso
30
Figura 2.9 Diagrama de funcionamiento destilador solar activo
31
Figura 2.10 Tipos de cubiertas para destiladores solares
32
Figura 2.11 Diseño destilador solar utilizado en Las Salinas
33
Figura 2.12 Principales transferencias de energía en un tipo de cuenca fija
41
Figura 2.13 Red térmica básica para un destilador tipo cuenca
42
Figura 2.14 Balance de energía en un destilador de doble piso o doble efecto
46
Figura 3.1 Localización del experimento en terreno
49
Figura 3.2 Imagen destilador solar de cubierta simple inclinada
51
Figura 3.3 Imagen del destilador solar de doble piso o doble efecto
51
Figura 3.4 Imagen de estación meteorológica
52
Figura 3.5 Imagen de medidor multiparamétrico
53
Figura 3.6. Medidor tester para SDT y CE
53
Figura 3.7 Imagen de sistema de adquisición de datos de temperatura
54
VI
Figura 3.8. Imagen de netbook procesador de datos
54
Figura 3.9 Diseño de un destilador convencional simple de cubierta inclinada con
termocuplas instaladas en 4 posiciones distintas
57
Figura 3.10 Imagen de montaje sistema de destilación
59
Figura 4.1. Temperaturas medidas en Camiña
61
Figura 4.2 Radiación solar en Camiña
61
Figura 4.3 Velocidad del viento en Camiña
62
Figura 4.4 Temperaturas internas del destilador convencional
66
Figura 4.5 Temperaturas internas del destilador de doble piso
67
VII
INDICE DE TABLAS
Tabla 2-1. Estándares internacionales para agua potable, OMS y/o Estándares
europeos para agua potable
10
Tabla 2-2. Promedio de sólidos disueltos totales en diferentes cuerpos
acuosos
12
Tabla 2-3. Concentraciones promedio de minerales en el agua de mar
13
Tabla 2-4. Procesos de desalinización
24
Tabla 2-5. Producción promedio por área de cuenca y tipo de cubierta
34
Tabla 3-1. Métodos de medición utilizados en el laboratorio de análisis
químicos
55
Tabla 3-2. Número de experimentos realizados y sus condiciones
58
Tabla 4-1. Volumen generado de destilado con área de trabajo en 0.54 m 2
63
Tabla 4-2. Volumen generado de destilado con área de trabajo en 0.54 m 2 en
horas sin luz
64
Tabla 4-3. Volumen generado de destilado con área de trabajo en 1 m2
64
Tabla 4-4. Calidad de agua de origen y resultante de la destilación, con su
porcentaje de remoción para ambos parámetros
65
Tabla 4-5. Principales resultados de la conversión de datos para utilizarlos en la
ecuación de mD
68
Tabla 5-1. Flujo de Caja destilador convencional
77
Tabla 5-2. Flujo de Caja destilador doble piso
78
Tabla 5-3. Costos totales para el destilador convencional
79
Tabla 5-4. Anualidades para el destilador convencional
80
Tabla 5-5. Costos totales para el destilador doble piso
80
Tabla 5-6. Anualidades para el destilador doble piso
81
Tabla A-1. Requisitos químicos NCh 409, tabla 1
85
Tabla A-2. Requisitos químicos NCh 409, tabla 2
85
VIII
Tabla A-3. Ensayos bacteriológicos Camiña
88
Tabla A-4. Resumen muestreo As Camiña
89
Tabla A-5. Resumen ensayos bacteriológicos As Camiña
90
Tabla A-6. Resumen ensayos al APR. Camiña
90
Tabla A-7. Muestreo del Boro presente en Camiña.
91
Tabla A-8. Muestreo del Arsénico presente en Camiña
92
Tabla A-9. Irradiación global mensual y anual, en plano horizontal en el Norte
Grande
102
Tabla A-10. Temperaturas en horas luz al interior del destilador convencional
107
Tabla A-11. Resultado conversiones
108
IX
NOMENCLATURA
A
área, área efectiva de evaporación, m2
Cp
calor específico, J/kg ºK
G
irradiancia, W/m2
h
coeficiente de transferencia de calor, W/m2 ºK
h’c
coeficiente de convección, W/m2 ºK
hfg
calor latente de vaporización, J/kg
I
valor de la inversión, $
i
tasa de interés, %
m
masa, kg
ṁ
velocidad de flujo, kg/m2 s
Nu
número de Nusselt
Pr
número de Prandtl
P
costo inicial, $
q
energía por unidad de tiempo por unidad de longitud o área, W/m2 s
Q
energía por unidad de tiempo, W/s
Qabsorb
calor absorbido
Qsolar
calor solar
Qtrans
calor de capacitancia
Qrefl
calor reflejado
Qdistillate
calor de destilado
Qfeed
calor de alimentación
Qblowdown
calor de purga
Qrad
calor por radiación
Qconv
calor por convección
X
Qleakage
calor de fuga
Qevap
calor de evaporación
Qsides
calor de borde
Qstored
calor del depósito
Ra
número de Rayleigh
T
temperatura, ºK
U
coeficiente global de transferencia de calor
Vs
valor de salvamento
Griegas
α
absorbancia, difusividad térmica
η
eficiencia
ρ
densidad
τ
transmitancia
σ
constante Stefan-Boltzmann, desviación estándar
Subíndices
a
aire, ambiente, absorbido
b
base, basin, cama, cuenca,
c
colector, cubierta, convección
d
difundir, día
e
efectivo, equivalente, evaporación, condensación
g
vidrio, condensador
k
conducción
n
periodos de vida útil
p
placa, periodo de inversión
XI
r
radiación, reflejado
s
depósito, almacenamiento
w
agua
XII
Capítulo 1 .- INTRODUCCION
1.1.
El agua en la región de Tarapacá
La Región de Tarapacá se caracteriza por sus desiertos áridos y altos
índices de radiación solar, es una zona de grandes contrastes geográficos, que
van desde la aridez del desierto a la fertilidad de las quebradas, sin embargo la
disponibilidad de agua desde el Norte de Chile hasta la Región Metropolitana es
de menos de 800 m3 por habitante al año, lo que se considera bajo de acuerdo a
estándares internacionales de desarrollo sostenible del Consejo Mundial del Agua,
que promedia 2000 m3 por habitante al año [1], por lo que es necesario
implementar nuevas técnicas para la obtención de agua de calidad para consumo
humano.
Las principales actividades económicas de la región son el comercio
internacional, la pesca, la minería y la agricultura. Estas dos últimas demandan
altos caudales de agua en sus procesos, este grupo de consumidores utilizan
aguas superficiales y subterráneas pero la calidad de estas aguas es variable
1
dependiendo de la mineralogía de la zona, el tipo de suelo, etc., por lo que parte
de ellas son consideradas como aguas duras o aguas salobres, debido a su alto
contenido de sales disueltas.
Varias investigaciones a nivel país han sido desarrolladas para obtener la
hidroquímica de las aguas tanto superficiales como subterráneas. En la región de
Tarapacá existen estudios que referencian un alto nivel de concentración de
Arsénico (As) y salinidad en las aguas [Anexo 1], siendo los componentes más
destacados por los autores debido a su nivel de toxicidad para la salud y
entorpecedor de la actividad industrial a la que se dediquen.
Dentro de los
cuerpos acuosos identificables por referencia, el 32% de las aguas de vertientes
fluyentes está dentro de la norma chilena de potabilidad [Anexo 1]. Los ríos y
napas lo están en una menor proporción: 20 a 25% y casi no hay vertientes
difusas cuya agua sea potable. La Figura 1.1 resume las concentraciones de As y
salinidad para el norte de Chile. Las vertientes potables más diluidas, están
alimentadas en gran parte por las precipitaciones que se infiltran cuenca arriba.
Las aguas siguen un trayecto corto en rocas volcánicas [2].
Figura 1-1 Niveles de As y Salinidad con respecto a la NCh 409.
Fuente: referencia [2]
Dentro de los estudios de la región se identifican varios puntos críticos
dentro de los cuáles los niveles de contaminación tanto de As y Boro (B). En la
2
Figura 2.1 podemos ver cuáles sobrepasan la norma en más del doble de su límite
máximo permitido, particularmente la quebrada de Camiña tiene uno de los
mayores índices de contaminación de As y B presente en sus aguas [3].
La comuna de Camiña está ubicada en una quebrada en el extremo norte
de la región. La componen más de 15 asentamientos ubicados a lo largo de la
quebrad, cuya principal actividad económica es la agricultura para lo cual se
extrae agua directamente del río de Camiña que baja por la quebrada desde la
cordillera, sin embargo para suministro de agua para beber, se acopian aguas de
las vertientes aledañas a la quebrada aunque hay épocas en el año en que este
caudal se ve afectado por las condiciones meteorológicas de la región provocando
la escasez del preciado recurso y obligando a la población a obtener agua a través
de camiones aljibes.
Figura 1-2 Muestreo en las aguas superficiales en el norte de Chile.
Fuente: referencia [3]
3
Debido a la poca disponibilidad de agua en la región, la mayoría de las
comunidades utilizan para beber la fuente más cercana que tengan, sin tomar en
cuenta la calidad, ya que la mayoría de estas comunidades no poseen sistemas
interconectados ni de agua ni de electricidad. En la Figura 1.2 es mostrado un
cuadro resumen para la Región de Tarapacá de un estudio realizado por la DGA
sobre redes de vigilancias en aguas superficiales [3], donde se evidencia las altas
concentraciones de As y B presente en gran parte de los cuerpos acuosos
superficiales de la región, los cuales se denotan en la figura 1.2 como los que
sobrepasan la línea pronunciada en cada diagrama de la figura, siendo la
quebrada de Camiña, una de las más altas.
1.2.
Fundamentación y justificación del tema de estudio
1.2.1. Aspectos ambientales y sociales
La Pampa del Tamarugal y el altiplano andino es una zona con un clima
privilegiado. Área apta para la observación astronómica, la actividad turística y la
utilización de tecnologías solares debido a sus cielos limpios la mayor parte del
año, la radiación solar disponible en el área en promedio es arriba del promedio
mundial, con índices cercanos a los 6240 kW/m2 en el año [4], por lo que
aprovechar esta energía es un aspecto importante a destacar, ya que los
destiladores solares son más eficaces mientras haya mayor disponibilidad de
radiación solar.
En cuanto a las aguas superficiales de la quebrada de Camiña han sido
medidas en diferentes puntos, estas aguas contienen en promedio cerca de 1000
µS/cm de conductividad eléctrica a lo largo de su paso por los diferentes
asentamientos de la quebrada y posee concentraciones elevadas de metaloides
contaminantes para el ser humano como el Arsénico (As) y Boro (B) en 0.466
mg/L y 7.083 mg/L respectivamente según los últimos muestreos de la DGA entre
Julio y Agosto del 2011 [Anexo 21], concentraciones que se encuentran por sobre
la normativa vigente de calidad del agua para consumo humano (NCh 409). Las
aguas superficiales del río además sirven de sustento para la actividad agrícola de
la zona son comparables por la NCh 1333, de Agua para Uso de Riego, por lo que
hay una necesidad de probar tecnologías para bajar los índices de salinidad y de
metaloides de los cuerpos acuosos de la zona.
1
Información solicitada por el sistema de Ley de Transparencia del Gobierno de Chile.
4
La zona se caracteriza por tener una distribución demográfica expandida
con pocos habitantes por caserío, es decir, los habitantes de los distintos caseríos
abarcan grandes áreas de emplazamiento para dedicarse a la agricultura a lo
largo de la quebrada, dando así un escenario complejo en el cual cada caserío se
encuentra a grandes distancias unos de otros, por lo que sus servicios básicos son
independientes entre sí, teniendo sólo un punto en común que es el río. Cada uno
de los caseríos ve la manera de cómo abastecerse de agua para beber, escenario
ideal para utilizar los destiladores solares.
1.2.2. Aspectos históricos y tecnológicos de la destilación solar
La destilación solar ha sido por siglos uno de los procesos más utilizados
para obtener agua dulce, ya sea por desalación de agua de mar o de las aguas
salobres. El proceso consiste en evaporar el agua para luego ser condensada,
como las sales no se evaporan el producto de la condensación es agua dulce.
Este proceso es sencillo, fácil de implementar y mantener, pero la productividad de
es baja.
En pequeños poblados en zonas áridas se ha demostrado que es
económicamente viable instalar este tipo de tecnologías [5].
Las tecnologías
modernas para separar sales y metaloides contaminantes y en general para
potabilizar agua para consumo humano, son de un coste significativo hoy en día.
Una alternativa más económica en virtud a la necesidad de estos pequeños
asentamientos rurales puede ser la destilación solar, ya que se ha demostrado en
diferentes lugares del mundo su efectividad en remoción de tales sustancias. En
1872 fue construida en Chile la primera planta industrial de destilación solar en el
mundo en el desierto de Atacama por el ingeniero sueco Charles Wilson, la cual
obtuvo una productividad del 4,9 l/m2, lo cual se considera una cantidad por sobre
la media de la productividad en los destiladores solares de hoy en día [6].
Se han utilizado una serie de variedad de diseños de destiladores para
evaluar la productividad de destilado que se puede a llegar a producir, desde
destiladores convencionales de efecto simple a modelos más complejos de varios
efectos. El destilador convencional de efecto simple es uno de los modelos más
económicos que se pueden construir, éste se basa en un diseño de base
rectangular con una cubierta de vidrio simple inclinada y que puede llegar a
obtener resultados del orden de los 4.15 kg/m 2d, otro diseño que ha sido evaluado
y medido es el destilador de doble piso o de doble efecto, que básicamente simula
el diseño del destilador convencional de cubierta simple inclinada pero se le
adhiere otro piso más de las mismas características agregando un doble efecto,
5
para así aumentar la productividad de destilado que en algunos caso alcanza los
6.1 kg/m2d [7].
Además de estos modelos rectangulares existen diseños
circulares que se basan en el mismo principio depositando el agua a tratar en el
centro del destilador vaporizándola hacia una cubierta de plástico semiesférica
que decanta el destilado hacia los bordes donde es recolectado, este diseño se le
conoce como destilador de cubierta semiesférica, trabaja con los costos mínimos
de
construcción
por
lo
que
se
le
considera
de
carácter
económico
aproximadamente $ 80.000 pesos chilenos y que produce aproximadamente 5.7
lt/m2 de área de absorción [8].
Otro modelo existente que ha sido medido y
estudiado es el destilador de doble pendiente o tipo invernadero, que en estudios
recientes se ha evaluado su capacidad de producción de destilado tanto como
destilador pasivo como activo, es decir con ayuda adicional externa para
calefaccionar el agua de ingreso o enfriar el agua de salida para así aumentar el
rendimiento del equipo, porcentaje que aumenta en un 51% [9]. En este tipo de
destiladores calentando el agua de ingreso con un calefactor solar. Además de
esta técnica de operación externa tenemos técnicas de diseño para aumentar el
rendimiento del equipo como el uso de reflectores dentro del destilador, aumentar
el área de evaporación, mantener un nivel de agua promedio, tinturar el agua
negra en algunos casos y aumentar el área de condensación del destilador, que
es el caso del destilador de cámara ampliada que aumenta de un 30 a un 70% de
rendimiento [10] con respecto al diseño inicial que es el destilador convencional de
cubierta simple inclinada.
En estudios recientes se ha demostrado que la destilación solar además de
dar agua apta para consumo humano, específicamente elimina el 99.9% de
bacterias presentes en aguas de muy mala calidad y que además remueve
contaminantes no volátiles agresivos para el ser humano en un orden de un 99%
de eficiencia en algunos indicadores, como la salinidad, dureza total, nitratos y
fluoruros [11]. Con este nivel de eficacia de remoción se puede esperar resultados
similares para otros contaminantes inorgánicos como el arsénico, boro, molibdeno
y selenio que se encuentran algunos de ellos presentes en las aguas de la
comuna de Camiña. En el presente estudio se ocupara un modelo convencional
de destilador simple de cuenca y uno de doble piso, ambos construidos de
materiales que evitan la perdida por transferencia de calor al exterior.
6
1.3.
Objetivos
1.3.1. Objetivo General

Estudiar experimentalmente el funcionamiento de dos tipos de destiladores
solares pasivos ubicados en la comuna de Camiña, Región de Tarapacá, y realizar
una evaluación técnica, económica y ambiental para el tratamiento de aguas del
Rio Camiña.
1.3.2. Objetivos Específicos
1.
Evaluar variables ambientales en el área de estudio: radiación total,
velocidad del viento y temperaturas, externa del medio ambiente como internas de
cada destilador en diferentes puntos.
2.
Calcular mediante el balance de energía de un destilador convencional las
variaciones de temperatura del mismo.
3.
Calcular la cantidad de volumen de agua evaporada teórica producida del
destilador convencional mediante el uso de una expresión utilizando las
temperaturas experimentales.
4.
Comparar los indicadores de calidad del agua destilada producida y los
indicadores de calidad del agua de río o del agua de alimentación mediante
análisis de Salinidad y concentración de As y B.
5.
Realizar un análisis económico de los destiladores solares mediante un flujo
de caja, evaluando así su rentabilidad como proyecto de inversión social.
1.4.
Estructuración de la tesis
La tesis está dividida en cinco capítulos. El primer capítulo introductorio,
tiene por fin principal presentar el problema, fundamentar la elección del tema y
plantear los objetivos.
El Capítulo 2 resume el marco teórico de referencia utilizado para el diseño
de la investigación y para la discusión de sus resultados. Se analizan los aspectos
ambientales relacionados a los destiladores solares y particularmente a la comuna
de Camiña. Se plantea la temática de la destilación solar, sus características y su
interacción con las condiciones meteorológicas.
7
El Capítulo 3 muestra la metodología experimental utilizada en este estudio,
se detallan los trabajos realizados en terreno, materiales utilizados y los
destiladores a evaluar. Se describen las condiciones climáticas y geográficas del
terreno. En su parte final se presenta la rutina empleada para el procesamiento de
datos.
En el Capítulo 4 se presentan y discuten los resultados de la investigación.
Se muestra el resultado de las mediciones, de las condiciones atmosféricas, las
temperaturas internas en los destiladores y la cantidad de destilado resultante y se
compara los análisis de calidad de agua de ingreso con la de salida, según lo
planteado en los objetivos.
El Capítulo 5 presenta un análisis económico de ambos destiladores
solares, basados en un supuesto caso de uso por una familia y ser operado por
ellos mismos.
El Capítulo 6 se ocupa en primer lugar de las conclusiones obtenidas en
relación a los objetivos del trabajo y se señala posibles recomendaciones a la
investigación.
Finalmente se cita la bibliografía consultada y analizada en la tesis.
8
Capítulo 2 .- MARCO TEORICO
Referencia bibliográfica
2.1.
El agua
El agua (del latín aqua) sustancia transparente, inodora e insípida, que se
encuentra en estado líquido a temperatura y presión estándar. Su composición
molecular es de dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O2). Es el
compuesto más abundante en los organismos vivos, ya que constituye el 70 a 90
por ciento del peso de la mayor parte de las formas de vida, asimismo la fase
continua de los organismos. A causa de su abundancia y ubicuidad ningún tipo de
vida es posible, sin agua [12].
2.1.1. Propiedades del agua
Generalmente se les atribuye a los diferentes organismos de normalización,
que elaboraron sus estándares o niveles máximos permisibles luego de estudiar
9
cada una de las diversas sustancias químicas que es deseable que estén
presentes en las aguas. Desafortunadamente los estándares químicos para el
agua se basan en parámetros no médicos tales como la corrosión, el sabor, y la
formación de incrustaciones, aparte de unos pocos elementos bien conocidos
tóxicos [13].
A pesar de esta exclusividad, el agua resultante de los procesos debe
cumplir con las normas de pureza similares a los de la Tabla 2-1.
Tabla 2-1. Estándares internacionales para agua potable, OMS y/o Estándares
europeos para agua potable. Fuente: referencia [13]
Concentración2, mg/l
Substancia
Máximo
Concentración
Máximo
Problemas
aceptable permitido
aproximada en
agua de mar, mg/l
Sólidos Totales
500
1500
Cloruro
200
600
Sabor y corrosión
19800
Sulfatos
200
400
Irritación Gastro-Intestinal
2760
Calcio
75
100
Incrustaciones
420
Magnesio
30
150
Sabor e incrustaciones
1330
Fluoruros
0,7
1,7
Fluorosis
Nitratos
< 50
100
Metahemoglobinemia
Cobre
0,05
1,5
Sabor
0,01
Hierro
0,1
1
Sabor y decoloración
0,02
Cloruro
250
...
7.0 - 8.5
6.5 - 9.2
Hidrógeno
36000
1,5
pequeña
30000
(unidades en pH)
Sin embargo en Chile, las normas se dividen dependiendo del uso que se le
va dar al agua, si es para consumo humano como agua potable (NCh
409/1.Of2005) [Anexo 1] o si es para el uso de riego (NCh 1333.Of78).
2.1.2. Agua de alimentación de procesos industriales
La composición del agua de alimentación es importante por muchas
razones. Los principales son los siguientes:
2
Normas Internacionales para el Agua Potable de la Organización Mundial de la Salud, y / o las
normas europeas para el Agua Potable
10
 Se requiere en la producción de los datos de propiedades físicas que se
utilizan para fines de diseño. Estos datos se relacionan generalmente con la
cantidad total de sólidos disueltos en el agua, y sólo en relación con un
grado mucho menor que las proporciones de los diferentes iones.
 En el diseño para la operación sin formación de incrustaciones, la
composición de iones tales como calcio, magnesio, sulfato y bicarbonato es
importante.
La cantidad total de sales disueltas en el agua sólo es
relevante en el que altera la solubilidad o la actividad de los compuestos
que forman incrustaciones. Así, el agua salobre puede tener sólo un tercio
de la salinidad del agua de mar, pero puede contener una alta
concentración de iones de calcio y producir grandes cantidades de
incrustaciones.
 Se requiere cuando el proceso de desalinización se está seleccionando. En
general, las eficiencias de los procesos de destilación, tales como la
electrodiálisis y ósmosis inversa son fuertemente dependientes de la
salinidad. Por lo tanto los procesos de membrana se utilizan más
ampliamente con agua salobre y en menor amplitud con agua de mar.
2.1.3. Agua salobre
El agua salobre o agua salada es el agua que tiene más salinidad que el
agua dulce, pero no tanto como el agua de mar. Puede ser el resultado de la
mezcla de agua de mar con agua dulce, como en los estuarios, o puede ocurrir en
los acuíferos fósiles salobres. Algunas actividades humanas pueden producir agua
salobre, en particular, determinados proyectos de ingeniería civil, tales como
diques y la inundación de las marismas costeras salobres para producir agua de
piscinas para el cultivo de camarón de agua dulce. El agua salobre es también el
producto de desecho principal del proceso de desalinización del agua por
procesos térmicos y por membrana.
Técnicamente, el agua salobre contiene entre 0,5 y 30 gramos de sal por
litro, más a menudo expresada como 0,5 a 30 partes por mil (ppt o ‰). Por lo
tanto, salobre cubre una amplia gama de regímenes de salinidad y no se
considera una condición definida con precisión.
Es característico de muchas
aguas superficiales salobres que su salinidad puede variar considerablemente en
el espacio y/o tiempo.
Desde el punto de vista de la desalación el agua de alimentación significa
agua de mar, agua salobre, o agua fresca contaminada.
Con aguas de
11
alimentaciones salobres o contaminadas, es necesario determinar la composición
de los iones individuales. Las salinidades de muestras típicas se indican en la
Tabla 2-2.
Tabla 2-2. Promedio de sólidos disueltos totales en diferentes cuerpos acuosos.
Fuente: referencia [13]
Muestra de Agua
Sólidos disueltos
totales (ppm)
Agua de pozo
300 - 500
Agua de río
200 - 750
Agua salobre
1500 - 30000
Agua de mar
36000
Agua para el riego
1000
Salmuera
> 50000
2.1.4. Agua de mar
El agua de mar es el agua de un mar u océano. En promedio, el agua de
mar en los océanos del mundo tiene una salinidad de aproximadamente el 3,5%
(35 g/L, o 599 mM). Esto significa que cada kilogramo (aproximadamente un litro
por volumen) de agua de mar tiene aproximadamente 35 gramos (1,2 onzas) de
sales disueltas (principalmente sodio (Na+) y cloruro (Cl-) iones). La densidad
media en la superficie es 1,025 g / ml. El agua de mar es más densa que el agua
dulce y el agua pura (densidad 1,0 g / ml a 4 ° C (39 ° F)) debido a que las sales
disueltas añaden masa sin contribuir significativamente al volumen.
El agua es probablemente el solvente más eficiente conocido por el hombre
y por consiguiente contienen los océanos, por lo menos, de cada elemento de
origen natural. La Tabla 2-3 muestra los componentes principales de agua de mar.
Las diversas formas de circulación están presentes, y durante muchos
siglos esta mezcla ha llevado a los océanos a una etapa donde para todos los
fines prácticos, la composición relativa de agua de mar es constante. Esto no
implica que todas las muestras tengan la misma composición, sino simplemente
que todos los iones estén presentes en las mismas proporciones y que la única
variación sea en la cantidad de agua pura presente.
12
Tabla 2-3. Concentraciones promedio de minerales en el agua de mar.
Fuente: referencia [13]
Concentración
Ion
g/kg de agua de mar
Salinidad
Clorinidad 19
g/kg
g/kg
Sodio
10.759
10.561
Magnesio
1.294
1.272
Calcio
0.413
0.4
Potasio
0.387
0.38
Estroncio
0.0135
0.013
Boro
0.004
0.004
Cloruro
19.354
18.98
Sulfatos
2.712
2.648
Bromuros
0.067
0.065
Fluoruros
0.0013
0.0013
Bicarbonato
0.142
0.139
2.1.5. Agua de descarte
Es importante tener en consideración que posterior a cualquier proceso
productivo en el cual se utilice agua, posiblemente habrá un agua de eliminación
relacionada al proceso, conocida como agua de descarte o purga. En cuanto a los
procesos de desalinización generalmente el agua de descarte es un agua
altamente concentrada en sales minerales, que dependiendo de la concentración
puede estar clasificada como salmuera.
El vertido de esta agua resultante ha sido un tema de discusión con todos
los procesos de desalación a lo largo de la historia. En cuanto a los cuerpos
receptores de estas aguas, en Chile podemos clasificar por norma las
concentraciones máximas o límites máximos permisibles de contaminantes que
deben estar presentes al momento de disponer el agua o residuo líquido. Estas
normas se encuentran decretadas en nuestra república y son los siguientes:
-
Decreto Supremo 46 (2002).- Establece norma de emisión para la
regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos
industriales líquidos a aguas subterráneas.
13
-
Decreto Supremo 609 (2004).- Establece norma de emisión para la
regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos
industriales líquidos a sistemas de alcantarillado.
-
Decreto Supremo 90 (2000).- Establece norma de emisión para la
regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos
líquidos a aguas marinas y continentales superficiales.
2.1.6. Agua contaminada
Se considera agua contaminada, cuando su composición o su estado están
alterados de tal modo que ya no reúne las condiciones de utilización a las que se
hubiera destinado en su estado natural. Para la contaminación del agua debe
considerarse también, tanto las modificaciones de las propiedades físicas,
químicas y biológicas del agua, como los cambios de temperatura provocados por
emisiones de agua caliente.
La contaminación puede ser de origen natural pero también antropogénico
(de procedencia humana). Un ejemplo de contaminación natural, es el mercurio
que se encuentra naturalmente en la corteza de la Tierra y en los océanos
contamina la biosfera mucho más que el procedente de la actividad humana. Algo
similar pasa con los hidrocarburos y con muchos otros productos.
Normalmente las fuentes de contaminación natural son muy dispersas y no
provocan concentraciones altas de polución, excepto en algunos lugares muy
concretos. La contaminación de origen humano, en cambio, se concentra en
zonas concretas y, para la mayor parte de los contaminantes, es mucho más
peligrosa que la natural.
En cuanto a la contaminación antropogénica existen varios focos
importantes unos más perjudiciales que otros que son los siguientes:
-
Industria.- Según el tipo de industria se producen distintos tipos de
residuos. Normalmente en los países desarrollados muchas industrias
poseen eficaces sistemas de depuración de las aguas, sobre todo las que
producen contaminantes más peligrosos, como metales tóxicos. En algunos
países en vías de desarrollo la contaminación del agua por residuos
industriales es muy importante.
-
Vertidos urbanos.- La actividad doméstica produce principalmente residuos
orgánicos, pero el alcantarillado arrastra además todo tipo de sustancias:
14
emisiones de los automóviles (hidrocarburos, plomo, otros metales, etc.),
sales, ácidos, etc.
-
Navegación.- Produce diferentes tipos de contaminación, especialmente
con hidrocarburos. Los vertidos de petróleo, accidentales o no, provocan
importantes daños ecológicos.
-
Agricultura y ganadería.- Los trabajos agrícolas producen vertidos de
pesticidas, fertilizantes y restos orgánicos de animales y plantas que
contaminan de una forma difusa pero muy notable las aguas.
Al ser recurso imprescindible para la vida humana y para el desarrollo
socioeconómico, industrial y agrícola, una contaminación a partir de cierto nivel
cuantitativo o cualitativo, puede plantear un problema de Salud Pública.
2.1.7. Agua destilada
El agua destilada es aquella que procede de la evaporación natural por
elevación de la temperatura y una vez en la atmósfera cae de nuevo a causa del
frío en forma de lluvia, rocío o nieve. Agua cuya composición se basa en la unidad
de moléculas de H2O. Es aquella a la que se le han eliminado las impurezas e
iones mediante destilación. La destilación es un método para la producción de
agua pura el cual consiste en separar los componentes líquidos de una mezcla.
Debido a su relativamente elevada pureza, algunas propiedades físicas de
este tipo de agua son significativamente diferentes a las del agua de consumo
diario. Por ejemplo, la conductividad del agua destilada es casi nula (dependiendo
del grado de destilación) pues a diferencia del agua de la llave, carece de muchos
iones que producen la conductividad, habitualmente cloruros, calcio, magnesio y
fluoruros.
2.1.7.1.
Consumo de agua destilada
La importancia del agua en la salud está fuera de toda duda, sin embargo,
hay algo que ha sido muy discutido, si es bueno beber agua destilada. Es verdad
que no es lo mismo beber agua de la red de la ciudad que agua de manantial o de
río, entre éstas hay diferencias, especialmente en lo que al grado de
mineralización se refiere, cuantos menos minerales tenga en su composición es
mejor para el consumo. A fin de cuentas los minerales del agua no se asimilan por
el organismo y deben ser eliminados; si se bebe agua con altas concentraciones
15
de minerales puede estar susceptible a la formación de piedras en los riñones y
los conductos urinarios así como en las paredes intestinales, las arterias, las
articulaciones, el hígado y hasta el corazón, a veces destruyendo incluso los
tejidos, debido a que mucho de los minerales del agua son inorgánicos y nosotros
al igual que los animales sólo podemos asimilar los minerales orgánicos.
La potabilización del agua se aplica a aguas no aptas para el consumo
humano, las cuales a veces sufren procesos para eliminar microorganismos y
extraer partículas y metales que puedan ser dañinos al organismo y transformarlas
en agua potable. El agua destilada, al estar libre de estos compuestos, no requiere
de potabilización.
En la potabilización se utiliza a menudo una muy pequeña cantidad de
cloro que no es perjudicial para la salud de una persona. Su ingesta es
considerada
médicamente
inadecuada
excepto
como
recurso
para
la
potabilización y evitar males peores. Durante principios del siglo XX la medicina y
la biología defendieron la pureza del agua en el consumo, y los médicos
higienistas recomendaban la ingesta de agua destilada. Con la aparición del
negocio del agua embotellada y la mejora del suministro en las redes urbanas,
empezaron a realizarse estudios sobre los efectos fisiológicos positivos de la
ingesta de compuestos adicionales al puro de H2O, los cuales aparecen en las
aguas potabilizadas y también en las embotelladas. Entre estas explicaciones, es
que el agua destilada des ionizada carece de iones fluoruro, que son añadidos a
las aguas embotelladas para reducir la formación de caries. Del mismo modo,
existe la explicación de que el agua destilada carece de sales minerales que
nuestro organismo necesita. La ciencia defiende el consumo de agua destilada
apoyándose en que el aporte de sales a nuestro organismo viene por la ingesta de
comida y no por el agua, siendo la cantidad de sales que nos aporta el agua una
contribución totalmente despreciable. De hecho, existen varias marcas de aguas
comerciales llamadas de "mineralización débil" que son prácticamente aguas
destiladas, y que se comercializan normalmente a más alto precio por su buena
reputación para la salud.
Científicamente no se ha demostrado que el agua destilada no es apta para
consumo humano ni animal, se ha argumentado de otras maneras que el agua
debería tener una carga mínima de minerales para ser apta para el consumo
humano ya que el ingerir agua destilada o sin carga iónica podría desmineralizar el
ducto por donde pase el agua dentro del organismo, sin embargo hay otros
quienes afirman que no son necesarios los minerales inorgánicos en el agua ya
16
que solo le son sólo útiles a los vegetales y no a los seres humanos ni a los
animales.
Otro argumento de quienes no recomiendan el consumo es la diferencia de
presión osmótica del agua destilada y el agua mineralizada, para ver la diferencia
basta con introducir en una probeta con agua pura en células animales para
constatar que éstas se hinchan y explotan, lo que se explica porque dos
soluciones con distinta concentración tienden a igualarse y al entrar cada vez más
agua en la célula llega un momento en que la membrana no soporta la creciente
presión interior y explosiona. Por lo que concuerdan que lo mismo puede ocurrir
en el cuerpo.
Sin embargo basta ingerir un vaso de agua destilada no sucede lo descrito
anteriormente, y deja en evidencia a quienes usan ejemplos que no son
comparables. Millones de personas beben en el mundo agua destilada cada día y
ninguno ha tenido un problema como ése, debido a que sencillamente, en cuanto
el agua destilada entra en contacto con el cuerpo cambia su concentración y
presión [14].
2.2.
Radiación Solar
Por definición es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por
el Sol. El Sol es “más o menos en promedio” una estrella con una masa
equivalente a casi un tercio de millón de Tierras. Las medidas espectrales han
confirmado la presencia de casi todos los elementos conocidos en el sol. Como es
típico de muchas estrellas, aproximadamente 94% de los átomos y los núcleos en
las partes exteriores son hidrógeno, aproximadamente 5,9% son helio, y una
mezcla de todos los otros elementos constituye el restante, décimo del uno por
ciento. El sol se considera un globo gaseoso con un radio de 7 x 105 km y que
tiene una masa de aproximadamente 2 x 1030 kg. Posee una tasa total de
producción de energía a partir de los 3.8 x 1033 ergs dom/s (3.8 x 1023 kW). A
una
distancia
media
de
1.496x108
km
del
Sol,
la
Tierra
intercepta
aproximadamente 1 parte en 2 billones de esta energía.
La mayor parte de la energía producida en el horno de fusión del sol
transmitida radialmente en forma de radiación electromagnética popularmente es
llamada energía solar o luz del sol. El sol irradia una superficie a una temperatura
efectiva cercana a los 5800 K.
17
La radiación solar impulsa la circulación atmosférica. Dado que la radiación
solar representa casi toda la energía disponible para la tierra, lo que representa la
radiación solar y la forma en que interactúa con la atmósfera y la superficie de la
tierra es fundamental para entender el presupuesto energético de la Tierra, esta
radiación puede ser capturada y convertida a formas útiles de energía tales como
calor y electricidad, usando una variedad de tecnologías.
2.2.1. Dirección de incidencia de la irradiación solar
El estudio de la dirección con la cual incide la radiación o irradiación solar
sobre los cuerpos situados en la superficie terrestre, es de especial importancia
cuando se desea conocer su comportamiento al ser reflejada. La dirección en que
el rayo salga reflejado dependerá de la radiación incidente.
Con tal fin se establece un modelo que distingue entre dos componentes
de la irradiación incidente sobre un punto: la radiación solar directa y la radiación
solar difusa.

Radiación Solar Directa
Es aquella que llega al cuerpo desde la dirección del Sol.

Radiación Solar Difusa
Es aquella cuya dirección ha sido modificada por diversas circunstancias
(densidad atmosférica, partículas u objetos con los que choca, reemisiones de
cuerpos, etc.). Por sus características esta luz se considera venida de todas
direcciones.
La radiación solar alcanza la superficie de la tierra, porque se transmite
directamente a través de la atmósfera de la radiación solar directa (rayo directo o
radiación extraterrestre), o por ser dispersada o reflejada a la superficie por la
radiación solar difusa. Alrededor del 50 por ciento de la energía solar (o de onda
corta) la radiación se refleja hacia el espacio, mientras que el por ciento restante
de radiación de onda corta es absorbida por la superficie de la tierra y re-radiada
como infrarrojo térmico (u onda larga) de radiación en la parte superior de la
atmósfera.
Cuando la luz solar atraviesa la atmósfera, parte de ella es absorbida,
dispersada y reflejada por las moléculas de aire, vapor de agua, las nubes, el
polvo y los contaminantes de las centrales eléctricas, incendios forestales y
18
volcanes. Esto se conoce como radiación solar difusa. La radiación solar que
alcanza la superficie de la tierra sin ser difundida se denomina radiación de haz de
luz solar directa. La suma de la radiación solar directa y difusa se llama radiación
solar global o total. Las condiciones atmosféricas pueden reducir la radiación
directa en un 10 por ciento en los días despejados y secos, y en un 100 por ciento
durante los períodos de densas nubes.
El tercer tipo de radiación que a veces está presente en el acristalamiento
de un colector solar o una ventana es la radiación reflejada. Esto puede ser
radiación
difusa
o
directa.
La
cantidad
de
radiación
reflejada
varía
significativamente con la naturaleza del primer plano, siendo relativamente más
alta para un entorno de luz de color cerca del colector y relativamente más baja
para un entorno de color oscuro. El movimiento del sol es importante para
determinar el ángulo en el que la radiación golpea una superficie. Por lo tanto el
primer tema tratado cuantitativamente tiene que ver con la ubicación estacional del
sol con respecto a un espectador en la tierra [15].
La reflectividad de la superficie se describe a menudo por el efecto albedo
de la superficie. El efecto albedo promedio, tanto de la reflectancia de la atmósfera
como de la superficie de la Tierra, es de aproximadamente 30%.
La Figura 2.1 describe la modificación de la radiación solar por los procesos
atmosféricos y de superficie para toda la tierra durante un periodo de un año. De
toda la luz solar que atraviesa la atmósfera anualmente, sólo el 51% está
disponible en la superficie de la Tierra para hacer el trabajo. Esta energía se utiliza
para calentar la superficie de la Tierra y la atmósfera inferior, fundir y evaporar el
agua, y ejecutar la fotosíntesis en las plantas. Del 49% restante, el 4% es reflejada
de vuelta al espacio por la superficie de la Tierra, el 26% se dispersa o reflejada al
espacio por las nubes y las partículas atmosféricas y el 19% es absorbida por los
gases atmosféricos, partículas, y las nubes [16].
19
Figura 2-1 Modificación de la radiación solar por procesos atmosféricos y de
superficie. Fuente: referencia [16]
La radiación solar es un término usado para describir la radiación visible y
casi visible-(ultravioleta y el casi-infrarroja) emitida por el sol. Las diferentes
regiones se describen por su rango de longitud de onda dentro del intervalo de
banda ancha de 0,20 a 4,0 µm. La radiación terrestre es un término usado para
describir la radiación infrarroja emitida desde la atmósfera. La siguiente es una
lista de los componentes de la radiación solar y terrestre, y sus rangos de longitud
de onda aproximados:
 Ultravioleta: 0,20 a 0,39 µm
 Visible: 0,39 a 0,78 µm
 Casi-Infrarrojo: 0,78 a 4,00 µm
 Infrarrojos: 4,00 a 100,00 µm
Aproximadamente el 99% de la radiación solar de onda corta en la
superficie de la Tierra está contenida en la región de 0,3 a 3,0 µm mientras que la
mayoría de los sistemas terrestres de radiación, o de onda larga, está contenida
en la región de 3,5 a 50 µm.
Fuera de la atmósfera terrestre, la radiación solar tiene una intensidad de
aproximadamente 1370 W/m2. Este es el valor en media distancia Tierra-Sol en la
parte superior de la atmósfera y se denomina la constante solar. En la superficie
20
de la tierra en un día claro, a mediodía, la radiación directa será de
aproximadamente 1000 watts/m2 por muchos lugares.
La disponibilidad de energía está afectada por la localización (incluyendo
latitud y elevación), la estación, y la hora del día. Todo lo cual se puede determinar
fácilmente. Sin embargo, los factores más importantes que afectan a la energía
disponible son las nubes y otras condiciones meteorológicas que pueden variar
con la ubicación y el tiempo.
La intensidad de la radiación solar recibida sobre una superficie horizontal
se puede medir por un piranómetro. El equipo se compone de un sensor incluido
en un hemisferio transparente que registra la cantidad total de radiación de onda
corta solar entrante. Es decir, los piranómetros miden la radiación "global" o "total",
que es la suma de la radiación solar directa y difusa cielo. La radiación de onda
larga entrante se mide con un pirogeometro. La radiación saliente (surgencia) de
onda larga se mide de varias maneras, tales como con pirogeometro o con
sensores que miden la temperatura de la superficie [17].
2.3.
Técnicas de desalinización
La desalación se refiere a un proceso de tratamiento de agua que elimina
sales del agua. También se conoce como la desalación o desalinización, pero
significa lo mismo. El desalado puede hacerse de muchas maneras, pero el
producto es siempre el mismo: el agua dulce se produce a partir de agua salobre o
agua de mar.
A lo largo de la historia, la gente ha intentado continuamente tratar el agua
salada para que pueda ser utilizada para beber y para la agricultura. De toda el
agua del planeta, el 97 por ciento es agua salada de los océanos y el 3 por ciento
es dulce. De estos últimos, alrededor del 27 por ciento está en los glaciares y el 72
por ciento está bajo tierra. Debido a este pequeño porcentaje, diferentes técnicas
de desalación han sido utilizadas para aumentar la gama de los recursos de agua
disponibles para el uso de la comunidad.
Hasta hace poco, sólo agua con un contenido de sólidos disueltos (sal)
generalmente por debajo de aproximadamente 1000 miligramos por litro (mg/l) se
considera aceptable para un suministro de agua comunitaria. Esta limitación
restringe a veces el tamaño y la ubicación de las comunidades de todo el mundo y
llevado a menudo a dificultades para muchos que no podían darse el lujo de vivir
cerca de un suministro de agua fresca. La aplicación de las tecnologías de
21
desalación en los últimos 50 años ha cambiado esto en muchos lugares. Pueblos,
ciudades e industrias se han desarrollado o han crecido en muchas de las zonas
áridas y zonas donde el agua de mar o aguas salobres están disponibles, que han
sido tratadas con técnicas de desalación.
Este cambio ha sido muy notable en algunas partes del árido Medio
Oriente, África del Norte, y algunas de las islas del Caribe, donde la falta de agua
dulce limita el desarrollo. Ahora, las ciudades modernas y grandes industrias se
han desarrollado en algunas de esas zonas gracias a la disponibilidad de agua
dulce producida por desalinización de agua salobre y agua de mar [18]
2.3.1. Desarrollo de la Desalinización
La desalación es un proceso natural, continuo y una parte esencial del ciclo
del agua. La lluvia cae al suelo, una vez en tierra, fluye hasta el mar, y la gente
utiliza esta agua para diversos fines a lo largo de su viaje. A medida que se mueve
sobre y a través de la superficie de la tierra, el agua disuelve minerales y otros
materiales, volviéndose cada vez más mineralizada o salada.
La Figura 2.2
resume el ciclo del agua y todas sus etapas.
Un paso importante en el desarrollo de las tecnologías de desalación se
produjo en la década de 1940, durante la Segunda Guerra Mundial, cuando varios
establecimientos militares en zonas áridas necesitaban agua para abastecer a sus
tropas. El potencial que ofrece la desalación se ha reconocido más ampliamente
después de la guerra y el trabajo continuó en varios países.
Figura 2-2 Ciclo del agua. Fuente: referencia [19]
22
Un dispositivo de desalinización de agua salina esencialmente
separa en dos corrientes: una con una baja concentración de sales disueltas (la
corriente de agua fresca) y el otro que contiene las sales restantes disueltas (la
corriente de concentrado o salmuera). El dispositivo requiere energía para
funcionar y puede utilizar diferentes tecnologías para la separación. Este proceso
se muestra en la Figura 2.3 [18].
Figura 2-3 Diagrama general del proceso de desalinización.
Fuente: referencia [18]
La desalinización se puede lograr mediante el uso de varias técnicas. Estos
se pueden clasificar en las siguientes categorías:
- De cambio de fase o procesos térmicos
- De membrana o procesos de una sola fase
En la Tabla 2-4, se encuentran las tecnologías más importantes en uso
sobre la desalinización. En cambio de fase o procesos térmicos, la destilación del
agua de mar se consigue mediante la utilización de una fuente de energía térmica.
La energía térmica se puede obtener de forma convencional con combustibles
fósiles, también con energía nuclear o de una fuente de energía no convencional
solar. En los procesos de membrana, la electricidad se usa ya sea para la
conducción de bombas de alta presión o para la ionización de las sales contenidas
en el agua de mar [20].
23
Tabla 2-4. Procesos de desalinización. Fuente: referencia [20]
Procesos térmicos
Procesos de Membrana
1. Evaporación Flash Multietapas
1. Osmosis Inversa
2. Ebullición Multietapas
OI sin recuperación de energía
3. Compresión de vapor
OI con recuperación de energía
4. Congelamiento
2. Electrodiálisis
5. Destilación solar
3. Intercambio de iones
destiladores solares convencionales
destiladores solares especiales
2.3.2. Procesos Térmicos
Alrededor de la mitad del agua desalada del mundo se produce con calor
para destilar agua dulce del agua de mar. El proceso de destilación imita el ciclo
natural del agua en que el agua salada se calienta, produciendo vapor de agua
que a su vez se condensa para formar agua fresca. En una planta de laboratorio o
industrial, el agua se calienta hasta el punto de ebullición para producir la máxima
cantidad de vapor de agua.
Para hacer esto económicamente viable, en una
planta de desalinización la presión del agua que se hierve se ajusta para controlar
el punto de ebullición y reducir a la presión atmosférica en el agua.
La temperatura necesaria para hervir el agua disminuye a medida que uno
se mueve desde el nivel del mar a una mayor elevación. Por lo tanto, el agua
puede ser hervida en la cima del monte McKinley, en Alaska [elevación de 6.200
metros (20.300 pies)], y a una temperatura de 16 ° C (60,8 ° F) menos de lo que
hierve a nivel del mar. Esta reducción del punto de ebullición es importante en el
proceso de desalinización por dos razones principales: la ebullición múltiple y el
control de escala.
Para hervir el agua se necesitan dos condiciones importantes: la
temperatura adecuada en relación a la presión ambiente y la energía suficiente
para la vaporización. Cuando el agua se calienta hasta su punto de ebullición y, se
corta la energía el agua continuará hirviendo sólo por un corto tiempo debido a
que el agua necesita energía adicional (el calor de vaporización) para seguir la
ebullición. El hervir puede ser renovado ya sea agregando más calor o reduciendo
la presión ambiente sobre el agua. Si la presión del ambiente se reduce, el agua
estaría a una temperatura superior a su punto de ebullición (a causa de la presión
reducida) y se podría evaporar en flash para producir vapor de agua, así la
temperatura del agua caerá a un punto de ebullición nuevo.
Para reducir
24
significativamente la cantidad de energía necesaria para la vaporización, el
proceso de destilación por lo general utiliza ebullición múltiple en recipientes
sucesivos, como se puede ver en la Figura 2.4, cada uno funcionando a una
temperatura y presión más baja.
Este proceso de reducción de la presión
ambiente para promover la ebullición adicional puede continuar hacia abajo y, si
se lleva al extremo con la suficiente presión reducida, el punto en el que el agua
podría ebullir y congelar al mismo tiempo sería alcanzado.
Figura 2-4 Diagrama del proceso evaporación flash multietapa.
Fuente: referencia [21]
Aparte de la ebullición múltiple, el otro factor importante es el control de
escala. Aunque la mayoría de las sustancias se disuelven más fácilmente en
aguas más cálidas, algunas se disuelven más fácilmente en aguas frías.
Desafortunadamente, algunas de estas sustancias, como carbonatos y sulfatos, se
encuentran en el agua de mar. Uno de los más importante es el sulfato de calcio
(CaSO4), que comienza a salir de la solución de agua de mar cuando se acerca a
aproximadamente 115 ° C (203 ° F). Este material forma una capa dura que
recubre los tubos o superficies presentes. Las incrustaciones crean problemas
térmicos y mecánicos y, una vez formada, es difícil de eliminar. Una manera de
evitar la formación de estas incrustaciones es controlar el nivel de concentración
de agua de mar y también controlar la temperatura máxima del proceso. Otra
forma es añadir productos químicos especiales al agua de mar que reducen la
precipitación de las incrustaciones y permite que la temperatura máxima llegue a
110 º C.
Estos dos conceptos han creado diversas formas de destilación con éxito
en distintos lugares del mundo. El proceso que da cuenta de la mayor capacidad
25
de desalación de agua de mar es el de destilación flash multietapa, comúnmente
conocida como el proceso de MSF [22].
2.3.3. Procesos de membrana
En la naturaleza, las membranas desempeñan un papel importante en la
separación de sales, que incluye tanto el proceso de diálisis como el de osmosis.
Las membranas se utilizan en dos procesos de desalación comercialmente
importantes: electrodiálisis (ED) y osmosis inversa (RO). Cada proceso utiliza la
capacidad de las membranas para diferenciar selectivamente y separar las sales y
el agua. Sin embargo, las membranas se utilizan de manera diferente en cada uno
de estos procesos.
ED es un proceso impulsado por tensión y utiliza un potencial eléctrico para
mover selectivamente las sales a través de una membrana, dejando detrás de
agua dulce como producto agua.
RO es un proceso activado por presión, con una presión determinada
permite la separación del agua fresca que se mueva a través de la membrana,
dejando las sales detrás. La Figura 2.5 muestra el diagrama de proceso de
membrana.
Los científicos han explorado ambos de estos conceptos desde el cambio
de siglo, pero su comercialización para desalar agua para fines municipales ha
ocurrido en sólo los últimos 30 a 40 años [ [18], [22]].
Los procesos de membranas constituyen una tecnología bien establecida
para la desalinización de agua salobre. Recientemente, el uso de sistemas de
membranas ha aumentado sustancialmente y se está expandiendo rápidamente
su participación en el mercado de la desalación de agua salobre, la reutilización de
aguas residuales y agua de mar [13].
26
Figura 2-5 Diagrama del proceso de membrana. Fuente: referencia [18]
2.4.
Destilación Solar y el medio ambiente
La destilación solar es un proceso que consiste en la separación de
sustancias de una mezcla líquida mediante la aplicación de radiación solar sobre
la misma, generalmente se utiliza para separar el agua de las sales disueltas en el
agua de mar o el agua salobre, pero además se puede utilizar para concentrar otro
tipo de sustancias dependiendo del punto de ebullición de los elementos y las
características del ambiente.
El proceso de destilación solar se manifiesta de manera natural. El ciclo del
agua demuestra como el H2O se separa del agua de mar. Los minerales que se
encuentran en el agua de mar son separados mediante la aplicación de radiación
desde el sol, permitiendo así cambiar el estado líquido del H2O y evaporar en
estado casi puro. Si existen las condiciones ambientales ésta agua en estado
gaseoso puede pasar a estado líquido y precipitar dando así lugar al ciclo del agua
y a la destilación solar.
2.5.
Destiladores solares y su funcionamiento.
Los destiladores solares son sistemas que replican la destilación solar del
ciclo natural del agua a pequeña escala dando como resultado agua dulce y
salmuera.
Generalmente los destiladores solares son unidades cuadradas, esféricas o
triangulares de algún material capaz de resistir y mantener el calor generado por la
27
radiación dentro de su estructura, para así poder calentar la mayor parte del día la
solución a destilar. Poseen una estructura superior transparente que sirve de
condensador del agua evaporada dentro del destilador. Esta estructura debe ser
capaz de dejar pasar la radiación solar dentro del destilador pero no dejar salir el
vapor de agua generado en la evaporación interna para ser recolectado
posteriormente como destilado, esta estructura por lo general es de plástico o
vidrio. Además poseen una entrada de alimentación de agua y dos salidas, una
por la cual se produce el destilado y otra el concentrado.
En la Figura 2.6 se muestra un destilador de base cuadrada y de cubierta
simple inclinada, es de un solo efecto y posee dos salidas de agua. Existen
muchos tipos, diseños y configuraciones de destiladores solares, pero todos
funcionan con el mismo principio.
Figura 2-6 Estructura básica de un destilador. Fuente: referencia [23]
La radiación emitida por el sol traspasa la cubierta superior transparente del
destilador para posterior transferir el calor por convección a la solución, el aire y la
superficie interna del destilador, que generalmente es pintada de color negro para
absorber y mantener el calor ingresado, luego una pequeña fracción de esa
radiación es reflectada de vuelta por la superficie del agua y del destilador, por lo
28
que una gran parte de la energía absorbida por la superficie interna del destilador
es transferida al agua, de esta manera en el interior del destilador se crea una
atmósfera muy cálida y saturada de humedad. El calor sensible absorbido por el
agua es usado para evaporarla y así como vapor de agua asciende por
convección hasta topar con la superficie transparente, que por estar en contacto
con el exterior está a una temperatura más fría que el resto del destilador. Aquí
cambia nuevamente a estado líquido formando pequeñas gotas de agua que caen
hacia el extremo inferior donde se encuentran los canales de recolección de
destilado.
2.6.
Clasificación de Destiladores Solares
En la actualidad existen muchos tipos de destiladores se pueden clasificar
en dos grandes tipos, los destiladores solares pasivos y los activos [10].
Los destiladores solares pasivos se les denominan como una unidad de
destilación que no recibe apoyo externo, es decir, cuando ningún equipo externo
ayuda al equipo a aumentar su eficiencia tanto de evaporación como de
condensación [ [24], [25], [26], [27], [28], [29]]. Ahora los destiladores solares
pasivos pueden ser de efecto simple o efecto múltiple, la Figura 2.7 representa
básicamente un destilador de efecto simple, tipo invernadero o piramidal, que sólo
tienen un recipiente en el cuál se realiza la operación de destilación, sin embargo
los de efecto múltiple representado en la Figura 2.8, tienden a agregar áreas de
evaporación por lo que su diseño puede variar desde destiladores cuadrados de
dos o efectos múltiples [ [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]], también existen
destiladores verticales [ [37], [38]], destiladores solares cónicos [39], destiladores
de mecha múltiple [ [40], [41], [42]].
Figura 2-7 Estructura de un destilador solar piramidal. Fuente: referencia [20]
29
Figura 2-8 Estructura de un destilador solar doble piso. Fuente: referencia [7]
En el caso de los destiladores solares activos, una energía térmica extra se
alimenta de modo externo en el equipo, haciendo aún más rápida la evaporación o
la condensación.
La Figura 2.9 presenta un diagrama de un destilador solar
activo, el equipo externo puede ser un colector/termosolar o un condensador el
cual puede precalentar el agua antes de ingresarla al sistema como lo podría
hacer un termosolar de tubos diseñados para la calefacción de agua sanitaria en
los hogares, como también se podría utilizar un condensador, el cuál una vez
realizada la operación de destilación posterior el vapor de agua generado se
pasara a un condensador para producir de manera mucho más rápida el efecto de
diferencia de temperatura que hay en un destilador solar convencional, el cual
provoca la condensación natural del vapor [ [43], [44], [45], [46], [47]].
Otra
manera de utilizar energía externa para aumentar la eficiencia de producción del
destilador es ocupando los residuos de energía térmica para el calentamiento
previo del destilador, a partir de cualquier producto químico o de alguna planta
industrial [48].
30
Figura 2-9 Diagrama de funcionamiento destilador solar activo.
Fuente: referencia [48]
Además de estas dos clases hay diferentes tipos de destiladores solares
construidos en diferentes países del mundo, que tienen en común una cuenca con
un fondo negro, una cubierta transparente y tubos de recolección de destilado. En
la Figura 2.10 podemos ver distintos diseños, la cubierta transparente está hecha
de vidrio o plástico, tales como cloruro de polivinilo o fluoruro de polivinilo. La
cuenca está cubierta con una película de plástico negro delgado, como butilo de
caucho, aislándolo para evitar las pérdidas de calor en el suelo, otra técnica
utilizada para esta misma función es simplemente cubrir con pintura negra para
piscina toda la cuenca o basin [20].
31
Figura 2-10 Tipos de cubiertas para destiladores solares.
Fuente: referencia [20]
2.7.
Los estudios sobre Desalinización Solar
El primer dispositivo de destilación solar fue diseñado y fabricado en el año
1872 cerca de Las Salinas en el norte de Chile, el proyecto final contempló la
primera planta de destilación solar industrial en el mundo, el área total de la planta
era 4.700 metros cuadrados. En un día típico de verano esta planta produjo 4,9 kg
de agua destilada por metro cuadrado de superficie construido del destilador o
también en volumen fueron más de 23.000 litros por día. Esta fue la primera planta
de alambiques construida y estuvo en funcionamiento durante 40 años.
El
destilador era de cuenca con superficie negra para contener el agua salada y
absorber la radiación solar: el agua se evapora de la salmuera, se condensa en la
parte inferior de una cubierta transparente inclinada, corría en las canaletas y se
recogía en los tanques al final del destilador (Figura 2.11).
Durante la Segunda Guerra Mundial, los esfuerzos se incrementaron en
producir un destilador solar que podría ser utilizado en las balsas salvavidas de los
buques y aeronaves. María Telkes [49] inventó una unidad pequeña de plástico
inflable para este propósito, y cientos de miles de unidades fueron producidos. La
mayoría de los destiladores construidos y estudiados desde entonces se han
basado en el mismo concepto, aunque con muchas variaciones en la geometría,
materiales, métodos de construcción y operación.
32
Figura 2-11 Diseño destilador solar utilizado en Las Salinas.
Fuente: referencia [49]
De 1958 a 1965 la Estación de Investigación de Destilación Solar en Florida
probó un número de diferentes tipos de destiladores solares, y se concluyó que los
altos cargos fijos asociados con el costo de la construcción del destilador no se
verían compensado por los ahorros resultantes de la energía solar libre [26].
Trabajos de investigación anteriores se han centrado en el obstáculo del
costo de construcción del destilador solar. Sin embargo, varias películas de
plástico se han utilizado en lugar de los revestimientos de vidrio que son más
duraderos y caros.
Varios investigadores han tratado de mejorar la tasa de condensación de
vapor de agua al forzar la circulación de aire en destiladores y para aumentar la
salida de los destiladores mediante el uso de calor latente de vaporización en
cualquiera de los sistemas multiefecto o para precalentamiento de la salmuera
[49].
La Tabla 2-5 muestra algunos destiladores solares construidos en varios
países del mundo durante el período 1960-1980 [50].
En 1995, se evaluó la posibilidad de aumentar la productividad del
destilador solar convencional tipo cuenca mediante el uso de un reflector
parabólico cilíndrico mientras que solucionaba el problema de mantenimiento más
importante que suele aparecer en este tipo del destilador solar de cubeta, es decir,
la acumulación de sal. En este estudio, la productividad del destilador ha
aumentado mediante el uso de un reflector de acero inoxidable cilíndrico
parabólico. El reflector concentra la radiación solar incidente sobre la superficie
negra fuera de una bandeja situada en la línea focal del reflector. Los resultados
33
del estudio mostraron que la productividad de la nueva propuesta era de un 2535% mayor que la productividad del destilador solar convencional [51].
Tabla 2-5. Producción promedio por área de cuenca y tipo de cubierta.
Fuente: referencia [50]
Área
País
Australia
Localidad
Año
Cuenca
Productividad
(m2)
(m3/día) (litros/m2día)
Cubierta
Muresk I
1963
372
0.83
2.30
Vidrio
Muresk II
1966
372
0.83
2.30
Vidrio
Coober Pedy
1966
3160
6.35
2.01
Vidrio
Caiguna
1966
372
0.78
2.10
Vidrio
Hamelin Pool
1966
557
1.21
2.17
Vidrio
Griffith
1967
413
0.91
2.20
Vidrio
Las Salinas
1872
4460
14.76
3.31
Vidrio
Quillagua
1968
100
0.40
4.0
Vidrio
Quillagua
1969
103
0.40
3.88
Vidrio
Symi I
1964
2686
7.56
2.81
Plástico
Aegina I
1965
1490
4.24
2.84
Plástico
Salamis
1965
388
1.10
2.83
Plástico
Patmos
1967
8600
26.11
3.04
Vidrio
Kimolos
1968
2508
7.57
3.02
Vidrio
Nisyros
1969
2005
6.06
3.02
Vidrio
India
Bhavnagar
1965
377
0.83
2.20
Vidrio
Mexico
Natividad Island
1969
95
0.38
4.0
Vidrio
Puerta Chale
1974
300
1.00
3.33
Vidrio
Punta Chucca
1974
470
1.50
3.19
Vidrio
Pakistán
Gwadar II
1972
9072
27.0
2.98
Vidrio
España
Las Marinas
1966
868
2.57
2.96
Vidrio
Tunisia
Chakmou
1967
440
0.53
1.20
Vidrio
Mahdia
1968
1300
4.16
3.20
Vidrio
Daytona Beach
1959
224
0.53
2.37
Vidrio
Daytona Beach
1961
246
0.57
3.20
Vidrio
Daytona Beach
1961
216
0.38
1.76
Plástico
Daytona Beach
1963
148
0.61
4.12
Plástico
BalchardenTurkmena
1969
600
1.62
2.70
Vidrio
1967
1710
4.92
2.88
Plástico
1969
223
0.76
3.41
Vidrio
Chile
Grecia
U.S.A
Rusia
WestIndies Petit St.
Vincent Haiti
34
En un destilador solar convencional la producción de agua dulce con buen
tiempo, es decir, soleado o despejado y con la temperatura del aire caliente es de
aproximadamente 5 a 5,5 litros/m2día, dependiendo de la profundidad del agua en
el destilador solar.
Cappelletti [52] construyó un destilador solar que se
caracteriza por dos cuencas (B1 y B2) superpuestas entre sí. Los materiales de
construcción son una lámina de plexiglás negro para la parte inferior del destilador
solar, una lámina de plexiglás transparente para todos los cuadros, y una lámina
de poliestireno negro que se utiliza como material aislante. El destilador solar fue
sellado herméticamente para reducir la fuga de vapor al entorno. La mayor
cantidad de agua dulce obtenida por el destilador solar fue de 1.7-1.8 litros/m2-día.
Este resultado se logró en la tercera semana de julio, cuando la radiación solar es
27-28 MJ/m2 día.
En 1996, otro sistema de destilación solar fue establecido.
El sistema
estaba compuesto por dos colectores solares planos, que tienen superficies
selectivas, un tanque de almacenamiento y destilador solar tipo cuenca. Durante
el día, el agua se distribuyó naturalmente a través de los colectores y se almacena
en el depósito, y durante la noche, esta energía almacenada se utiliza para
calentamiento de agua en la cuenca. Este sistema dio un rendimiento máximo de
100% más en comparación con un destilador convencional [53].
Kumar et al.
[54], presentó el rendimiento anual de un destilador solar
activo mediante expresiones analíticas para las temperaturas del agua y la
cubierta de vidrio, y además el rendimiento en términos de diseño y parámetros
climáticos. Cálculos numéricos se llevaron a cabo para Delhi y sus condiciones
climáticas (latitud: 28 0 35 'N, Longitud: 77 0 12' E). Se ha observado que para los
parámetros dados, el rendimiento anual es óptimo cuando la inclinación del
colector solar es de 20º y la inclinación de la cubierta de vidrio del destilador es de
15º.
Boukar y Harmim [55] han estudiado el efecto de las condiciones climáticas
del desierto en el rendimiento de un destilador solar de cubeta simple y de un
sistema similar acoplado a un colector de placa plana solar. Las pruebas se
realizaron en la estación solar de Adrar, Argelia un sitio al sur del Sahara. El
rendimiento del destilador solar simple es comparado con el acoplado. Ellos
pusieron a prueba el destilador todos los días con el concepto de productividad
bajo condiciones de cielo despejado, con diferentes niveles de profundidad de
agua salobre para el invierno y la temporada de verano y para una prueba de tres
meses entre enero y marzo del 2000. Los datos se tomaron en todo tipo de
condiciones del cielo. Un estudio de tres meses mostró que la productividad del
35
destilador de cuenca simple y el acoplado a una placa de colector solar plano
depende fuertemente de la radiación solar y la temperatura ambiente. La
productividad diaria del destilador en período de verano varía desde 4,01 hasta
4,34 litros/m2-día para el primero mientras que para el de acoplamiento es de 8,02
a 8,07 litros/m2/día.
Se realizó un estudio experimental en un destilador solar de cubierta simple
inclinada. Este estudio se llevó a cabo en un destilador de pendiente simple
después de introducir una lámina de aluminio perforada y plegada flotante sobre la
superficie del agua, en la cual se concentra la energía térmica en la superficie de
la capa, que evita que la masa de agua se caliente por convección (mediante la
prevención/reducción de transmisión de radiación a través del cuerpo de agua
para el revestimiento inferior) y permite que el agua evaporada de los segmentos
de la cubierta escapen hacia fuera en el espacio de aire a través de los agujeros
en ella. El rendimiento de destilado se encontró que mejoró considerablemente,
especialmente cuando la profundidad del agua era alta. El estudio también indica
algunas características de diseño que mejorarían aún más la producción debido a
la modificación realizada [56].
En el sur de Nuevo México, pruebas de laboratorio y en terreno han sido
realizadas para destiladores solares de cuenca simple o convencionales, para la
eliminación
de
un
grupo
seleccionado
de
contaminantes
inorgánicos,
bacteriológicos y orgánicos. Los resultados de los ensayos tanto en laboratorio
como en terreno mostraron una alta eficiencia en eliminación de contaminantes no
volátiles del agua. Además las pruebas también tuvieron éxito en la eliminación de
bacterias llegando a un 99,9%, si se tuvo cuidado de evitar la contaminación
cruzada de la fuente de agua de alimentación. Los destiladores han tenido éxito
cuando se trata de la eliminación de algunos compuestos orgánicos volátiles,
como los pesticidas, pero la capacidad de eliminar los compuestos orgánicos es
directamente dependiente de la volatilidad del compuesto, medida por la constante
de la ley de Henry. La capacidad de los destiladores para eliminar los
contaminantes del agua no varió significativamente entre las unidades probadas
en el laboratorio y las pruebas de campo [11].
2.8.
Rendimiento de los destiladores solares
El rendimiento de los destiladores solares está en función a la radiación
solar, de la temperatura ambiente así como en la forma y las características del
destilador. En principio las regiones soleadas y cálidas ofrecerán mejores
condiciones para la destilación solar que las regiones frías y húmedas, en donde
36
en un principio recomienda recurrir a este sistema. Los lugares donde se hará más
necesario recurrir a la destilación solar por ser más secos serán también los que
dispondrán de más luz solar. Se da pues una feliz coincidencia de circunstancias
que no siempre ocurre en otras aplicaciones solares térmicas. En valores
traducidos en cifras es posible obtener entre 3 y 5 litros diarios por m 2 de
destilador, en días soleados. Estos niveles de producción hacen perfectamente
viable el uso de agua destilada solar para beber y para fines sanitarios en
pequeñas instalaciones y para fines industriales en instalaciones de suficiente
tamaño.
2.8.1. Parámetros que afectan el rendimiento de un destilador solar
La productividad de un destilador depende de las condiciones ambientales,
condiciones de funcionamiento y las condiciones de diseño. Los factores
ambientales principales son la temperatura ambiente, radiación solar y velocidad
del viento. Las condiciones de funcionamiento son la profundidad del agua, la
orientación del destilador y la temperatura de entrada de agua, etc.
Las
condiciones de diseño son la selección del material de la cubierta y del destilador,
la pendiente de la cubierta, la distancia entre el agua y la tapa (distancia de
separación) y el número de cubiertas usadas, etc. Está claro que las condiciones
ambientales no están bajo control, y un diseño óptimo debe cumplir los requisitos
de las condiciones de funcionamiento y las condiciones de diseño [57].
2.8.1.1.
Efecto de la velocidad del viento
La velocidad del viento no tiene poco efecto sobre la productividad, sino que
incluso bajas velocidades del viento aumenta las tasas de producción en
comparación con condiciones sin viento. La alta velocidad del viento aumenta por
convección la pérdida de calor por la cubierta de vidrio.
Esto provoca una
disminución en la temperatura de la superficie de condensación y en consecuencia
aumenta el rendimiento de un destilador. Los cálculos numéricos mostraron que
cuando los cambios de velocidad de viento 1 a 9 m/s, la productividad aumenta en
un 13% [ [10], [58]].
2.8.1.2.
Efecto de la profundidad del agua
La profundidad del agua en la cuenca de un destilador afecta
considerablemente el rendimiento. A baja profundidad de agua, la capacidad
37
térmica será menor y por lo tanto el aumento de la temperatura del agua será más
rápido que resulta en mayor destilado. La profundidad del agua llega a ser
importante, especialmente en la mañana, cuando existe baja cantidad de energía
solar requerida para calentar el agua rápidamente. Por lo tanto, la única solución
es operar el destilador a bajas profundidades. Un aumento en la profundidad del
agua desde 1,27 cm a 30 cm reduce la salida en un 30% [ [10], [57]; [59]].
2.8.1.3.
Efecto de la temperatura del aire ambiente
El efecto de las variaciones de la temperatura ambiente sobre la
productividad del destilador solar ha sido examinado por varios investigadores.
Los resultados numéricos mostraron que un ligero aumento del 3% en la
productividad del destilador se obtiene mediante el aumento de la temperatura
ambiente por 5ºC [58].
2.8.1.4.
Efecto de la distancia de separación
La reducción de la distancia de separación entre la superficie de
evaporación y condensación de la cubierta mejora el rendimiento del destilador. El
efecto de la distancia de separación es mucho más importante que el efecto de la
pendiente de la cubierta. Reduciendo la distancia de separación se reduce la
altura de las paredes del destilador y por lo tanto se reduce el efecto de
sombreado de estos lados. También menos tiempo es transcurrido por el aire
saturado en llegar a la superficie de condensación y por lo tanto es más continuo y
rápido el movimiento de aire en el destilador. La reducción de la distancia de
separación de 13 cm a 8 cm para la misma pendiente de la cubierta aumenta la
salida en un 11% [57].
2.8.1.5.
Efecto del número de cubiertas
El número de cubiertas transparentes utilizadas en un destilador solar no
aumenta la cantidad de destilado, ya que aumenta la temperatura de la cubierta
interna (superficie de condensación) manteniendo hermético el destilador. Los
resultados de la doble cubierta de vidrio dieron una reducción 25-35% de la
producción. También una cubierta de vidrio doble aumenta el costo inicial del
destilador haciéndolo menos rentable [57].
38
2.8.1.6.
Otros efectos
Algunos otros efectos pueden ser mencionados como el grado de
salinidad del agua. Si la concentración de sal en el agua es alta, el rendimiento del
destilador disminuirá, también con el tiempo si la sal se pega a la placa de
absorción o superficie de la cuenca, reducirá la eficiencia de la placa absorbente y
también de la transferencia de calor. También el agua salada daña algunos de los
materiales del destilador por efecto de corrosión. En algunos experimentos tras
aumentar la capacidad de absorción de agua en la cuenca dio como resultado el
aumento del destilado, por ejemplo el agua se colorea con algunos tintes
colorantes o también se pueden agregar trozos de carbón vegetal para tal efecto.
Además las piezas de carbón tienen las propiedades de humectabilidad, gran
coeficiente de absorción de radiación solar y que se dispersan en lugar de reflejar
la radiación solar. Se concluyó que su efecto se nota más en las mañanas y en
días nublados, cuando el valor de la radiación solar es más baja. Sin embargo, la
presencia de las piezas de carbón reduce el tiempo del inicio de evaporación del
agua [57].
Además las piezas de carbón tienen las propiedades de humectabilidad,
gran coeficiente de absorción de radiación solar y que se dispersan en lugar de
reflejar la radiación solar. Se concluyó que su efecto se nota más en las mañanas
y en días nublados, cuando el valor de la radiación solar es más baja. Sin
embargo, la presencia de las piezas de carbón reduce el tiempo del inicio de
evaporación del agua [57].
2.9.
Predicción teórica de los destiladores solares
El rendimiento de un destilador solar se expresa generalmente como la
cantidad de agua evaporada por unidad de área de la cuenca en metros cúbicos
día o litros de agua por metro cuadrado de la superficie de la cuenca por día. Este
rendimiento se puede predecir mediante el uso de softwares basados en modelos
matemáticos propuestos por distintos autores, en los cuales se describen
ecuaciones de balance de masa y energía en los diversos componentes del
destilador.
 Balance de Energía.- Las ecuaciones de balance de energía en los
diversos componentes del destilador solar se basan mediante la aplicación
de la primera ley de la termodinámica. Los componentes a los cuales se les
39
aplica el balance son la cubierta, el agua, la base o cuenca y el
revestimiento.
 Evaluación de las cantidades de calor y la transferencia de los
coeficientes.a. Transferencia de calor externo.- La transferencia de calor externo
representan las pérdidas térmicas en el destilador sobre el ambiente
externo por convección y radiación. El calor intercambiado entre el vidrio
y el ambiente por convección y la radiación entre el vidrio y el cielo.
b. Transferencia interna de calor.- Representa las pérdidas térmicas en
el agua hacia el interior de vidrio por: convección, radiación y
evaporación por un lado y las pérdidas por convección y conducción en
la cuenca hacia el agua y aislamiento en el otro lado.
Varios investigadores en la actualidad han utilizado ecuaciones definidas y
planteadas por otros autores, afirmando que no hay ninguna contribución para el
desarrollo del modelo matemático para realizar los balances. Dunkle et al [60] y
Sartori et al [61] son autores de los modelos matemáticos sin embargo
investigadores como Badran et al [62], Boubekri et al [63], Hilal Al-Hinai [7], Duffie
and Beckman [64] y Radwan et al [65], lograron aplicar los modelos para
adaptarlos a los casos correspondientes a un destilador activo, convencional y de
doble piso.
2.10. Balance de Energía y tasa de transferencia de masa
La Figura 2.12 muestra los principales flujos de energía en un destilador
mientras está en funcionamiento. El objetivo del diseño es maximizar Q evap, que
corresponde al transporte de la radiación solar absorbida a la cubiertacondensador por vapor de agua, ya que esto es directamente proporcional a la
productividad del destilador. Toda la transferencia de energía desde afuera hacia
el interior debe ser contenida en la medida que sea posible. La mayoría de los
flujos de energía se puede evaluar a partir de principios básicos, pero los términos
tales como fugas y pérdidas de borde son difíciles de cuantificar y pueden ser
agrupados en un término determinado experimentalmente para un determinado
destilador.
40
Figura 2-12 Principales transferencias de energía en un tipo de cuenca fija.
Fuente: referencia [16]
Los conceptos básicos de la energía en la operación de un destilador solar
han sido establecidos por Dunkle [60] y otros. Una red térmica se muestra en la
Figura 2.13, donde las resistencias corresponden a los flujos de energía en la
Figura 2.12, en la cual Ta es la temperatura ambiente, Tc es la temperatura de la
cubierta, Tb es la temperatura de la superficie del agua y Tg es la temperatura de
la base del destilador, donde se ve la influencia de la radiación con
Los flujos de calor los podemos ver en la Figura 2.13 donde
.
es el flujo
de calor por convección de la cubierta hacia la superficie del vidrio entre Ta y Tc,
en el cuál también se muestra el flujo de calor por radiación
. Luego entre Tc
y Tb tenemos los flujos de calor por convección, por radiación y por cambio de
fase, definidos respectivamente como
,
y
, para que finalmente entre
Tb y Tg se define como el flujo de calor absorbido por el agua definido como
.
41
Figura 2-13 Red térmica básica para un destilador tipo cuenca.
Fuente: referencia [16]
2.10.1.
Balance de energía y tasa de transferencia de calor teórico en un
destilador solar convencional
El balance de energía en el agua de la cuenca o basin (y de la cuenca
misma), por unidad de área de la cuenca, se puede escribir como
(1)
donde los subíndices, e, r, c y k representan evaporación-condensación, radiación,
convección y conducción, respectivamente. Los subíndices b y g se refieren a la
superficie del agua y a la base interna del destilador y τc es la transmitancia de la
cubierta y la película de agua o gotitas en su parte inferior.
La transmitancia del condensador (cubierta) normalmente será menor en
comparación a la del agua y basin. En la mayoría de diseños de los destiladores
modernos la inclinación de las cubiertas es pequeña y el área de la cubierta es
aproximadamente la misma que el área de la cuenca.
Dejando de lado su
capacitancia y la energía solar absorbida por ella, el balance de energía en la
cubierta se puede escribir como
42
(2)
donde
es el flujo de calor por convección,
es el flujo de calor por radiación,
con subíndices,
correspondiente al flujo entre la superficie del agua y la base
del destilador y
correspondiente al flujo entre la base del destilador y el
ambiente, y
es el flujo de calor por convección con subíndices correspondiente
a los mismos del flujo de calor por radiación.
Aquí
no es una función lineal de la diferencia de temperatura entre el
vidrio y la base del destilador, y las dos ecuaciones que se resuelven
simultáneamente para encontrar
,
y
como funciones del tiempo.
Dunkle [60] proporciona formas convenientes de la estimación de los
términos para la transferencia de calor interna en el destilador para su uso en
estas ecuaciones. La cubierta es generalmente de vidrio, y durante el
funcionamiento una capa delgada de condensado se forma en la parte de la
superficie inferior. Dunkle recomienda que la expresión se escriba así
(3)
Para la estimación de la transferencia de energía por convección de una
cuenca o basin a la cubierta
, él sugiere que el número normal Rayleigh debe
ser modificado para tener en cuenta los efectos de empuje debido al hecho de que
la transferencia de calor y masa se producen simultáneamente. El término en el
número de Grashof es modificado por el gradiente de la densidad causada por la
composición del gradiente (además al gradiente de temperatura). En un espacio
de aire cerrado horizontal, una relación entre los números de Nusselt y Rayleigh
es
(4)
donde la diferencia de temperatura en el número de Rayleigh,
, es un contador
de diferencia de temperatura equivalente a las diferencias de densidad debidas a
las diferencias de concentración de vapor de agua. Para aire y agua,
(
donde
y
)
(
)
(5)
son las presiones de vapor de agua en milímetros de mercurio de
la solución en la cuenca en
y de agua a la temperatura
de la cubierta. Las
temperaturas están en grados Kelvin.
De las ecuaciones (4) y (5) el coeficiente de convección en un destilador es
43
[(
)
(
)
]
⁄
(6)
y la transferencia de calor entre la cuenca y la tapa es
(
)
(7)
Por analogía entre el calor y transferencia de masa, la velocidad de
transferencia de masa se puede escribir como
(
)
(8)
la transferencia de calor por evaporación-condensación es
(
donde
)
(9)
es la tasa de transferencia de masa en kilogramos (kg) por metro
cuadrado (m2) por segundo (s) y
es el calor latente del agua en joule (J) por
kilogramo.
Los términos de transferencia de calor desde la tapa hasta la temperatura
ambiente se formulan de la misma manera que los colectores de placa plana. Si el
destilador tiene el aislante debajo del basin, la pérdida de calor a la tierra puede
escribirse como
(10)
donde
es un coeficiente de pérdida general para conectar a tierra asumiendo el
suelo para estar a una temperatura igual a la temperatura ambiente. Este término
debe ser pequeño en un destilador grande.
Si la cuenca es muy profunda y está bien aislada, el calor específico en la
ecuación (1) puede ser despreciable y encontrar soluciones en estado
estacionario. Sin embargo, por razones prácticas, la mayoría de los destiladores
tendrá suficiente profundidad en la cuenca por lo que la capacitancia debe ser
considerada. Si el destilador no está bien aislado, una capacitancia efectiva a
tierra también tendrá que ser considerada a través de otra ecuación diferencial de
energía que relaciona energía almacenada en una capa de suelo para calentar los
flujos de entrada y salida de dicha capa.
Este conjunto de ecuaciones, con datos sobre la radiación, la temperatura y
la velocidad del viento y con los parámetros de diseño del destilador, se puede
resolver para
como una función del tiempo, y la productividad se calcula
entonces a partir de la ecuación (8). Este análisis no incluye los rangos de
44
capacitancia del agua de alimentación o la salida de salmuera o de los productos o
los efectos en el borde y fugas, cosa que es difícil de formular, los cuales son a
menudo colocados juntos en un término experimentalmente determinado
dependiendo de lo requerido para hacer balances de energía. Hay evidencia de la
existencia de gradientes de temperatura en las cuencas de los destiladores que
hacen que la temperatura de la superficie sea diferente de la temperatura de la
masa de agua salada.
La eficiencia instantánea de un destilador en cualquier momento se define
como la relación de la transferencia de calor en el destilador por evaporacióncondensación a la radiación en el destilador:
(11)
Esto generalmente se integran a lo largo de un periodo prolongado (por
ejemplo, días o meses) para indicar rendimiento a largo plazo. Si no hay ninguna
pérdida de producto de agua devuelta en el destilador (por goteo de la cubierta o
por evaporación o fuga en la recogida del condensador), menos producto estaría
disponible que se indica mediante esta ecuación. Eficiencia de mediciones
experimentales es
̇
̇
donde
(12)
es la velocidad a la que se produce el destilado del destilador (kg/s)
(que puede ser inferior a ̇ ) y
es el calor latente de vaporización (J/kg), A es
el área efectiva de evaporización (m2) y G es la irradiación solar media (W/m2) [
[16]y [65]].
2.10.2.
Balance de energía y tasa de transferencia de calor teórico en un
destilador solar de doble piso
El destilador solar de doble efecto se compone de una parte superior e
inferior separados por un cristal inclinado como se muestra en la Figura 2.14.
Usando la Figura 2.14. la ecuación de balance de energía por unidad de
área el balance en el segundo piso puede ser escrito como:
(13)
45
donde
y
, es la radiación solar absorbida por el
segundo vidrio, la transferencia de calor entre el segundo vidrio y el agua de la
cuenca superior por evaporación, la transferencia de calor entre el segundo vaso y
el fondo cuenca por la radiación, y la transferencia de calor entre el segundo del
vidrio y el agua de la cuenca inferior por convección, respectivamente.
Figura 2-14 Balance de energía en un destilador de doble piso o doble efecto.
Fuente: referencia [7]
Estas cantidades de transferencia de calor se han calculado utilizando las
ecuaciones en el destilador solar convencional, pero entre el segundo vidrio y las
temperaturas del agua inferior. La transferencia de calor entre el segundo vidrio y
el depósito de agua superior por convección se calcula mediante
(14)
El coeficiente de transferencia de calor,
es calculado a partir del
número de Nusselt dada por [66]
{
[
⁄
]
}
(15)
donde Ra es el número de Rayleigh. La ecuación de balance de energía para el
agua de la cuenca inferior se determina mediante
46
(16)
El calor incidente solar absorbido por el segundo depósito de agua,
está dado por
(
)
(17)
47
Capítulo 3 .- METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
En el presente capítulo se presenta el área de estudio, se describen las
condiciones climáticas, se detallan los protocolos de muestreos, condiciones de
operación y la metodología utilizada para efectuar mediciones en el destilador y
los análisis de muestras, materiales e instrumentación utilizada.
Los destiladores utilizados para realizar esta tesis son un destilador
convencional de cubierta simple inclinada y un destilador de doble piso o doble
efecto, construidos a escala en el Centro de Investigación y Desarrollo del
Recurso Hídrico (CIDERH) – UNAP, mostrados en la Figura 3.2 y 3.3.
3.1.
Área de estudio
La comuna de Camiña se encuentra ubicada en la región de Tarapacá, en
la zona precordillerana a lo largo de la quebrada de Tana en la provincia del
Tamarugal, a una distancia de 200 km. al noreste de la capital regional Iquique y a
280 Km. de la ciudad de Arica, a una altura entre 2.000 y 3.200 m.s.n.m. con una
48
superficie de 2.200,2 km2. Los límites comunales por el norte, oeste y sur son la
comuna de Huara, y por el lado este con la comuna de Colchane y por el noreste
con la comuna de Camarones [67].
Dada las características de su relieve cerca del 67.5% de su población, se
encuentra ubicado en caseríos ubicados en un nivel de terrazas fluvial más alto
que el piso principal del río, a excepción de la localidad de Camiña que se
encuentra en un nivel más bajo del valle [68].
El lugar donde se emplaza el área estudio es el poblado de Camiña, aquí se
selecciona el área más cercana del río para poder realizar la toma de muestras de
aguas.
Este lugar se encuentra en UTM: 455.216 mE, 7.864.550 mN, Altitud
2.420 msnm, los destiladores se instalaron en el Colegio de Camiña, ya que todos
los equipos se encontraron mejor resguardados en el tiempo que duró la tesis.
Figura 3-1 Localización del experimento en terreno
Fuente: Elaboración propia
3.2.
Descripción del Clima
El clima se clasifica como de desierto marginal de altura y comprende los
espacios territoriales ubicados entre los 2.000 y 4.000 msnm correspondiendo al
glacis formado entre el plano del desierto y la meseta del altiplano, similar al de la
Pampa del Tamarugal, que es influenciado por el clima seco.
La ubicación de la quebrada principal, caracteriza al clima de Camiña como
de templado y generalmente poco lluvioso durante el año (menos de 200mm), a
excepción de los meses de verano o estival, especialmente entre Enero y Febrero
llamado comúnmente Invierno Boliviano, Invierno Altiplánico o concretamente
científico; Lluvias Estivales.
49
Las temperaturas promedios alcanzan entre los 20°C durante el día,
fluctuando entre 5° y 8° C durante la noche. Durante el periodo de invierno las
temperaturas tienden a bajar [68].
La irradiación solar ha sido medida en plano horizontal y la disponibilidad en
la zona fluctúa entre los 7000 a 7400 MJ/m2 [Anexo 4].
3.3.
Metodología experimental
Los destiladores utilizados para realizar este estudio son un destilador
convencional de cubierta simple inclinada y un destilador de doble piso o doble
efecto.
3.3.1. Construcción de los destiladores
Las paredes y el piso de los destiladores están fabricadas de fibra de vidrio
de 3 cm de grosor. El área útil de destilación es de 0.54 m2. Las superficies en
contacto con el agua son de color negro. Una canaleta inclinada ha sido ubicada
a lo largo de la esquina inferior del condensador para la recolección de destilado.
En las paredes internas del destilador se adosaron espejos reflectores. Manillas a
los extremos han sido instaladas para la manipulación del equipo experimental, el
cual se encuentra soportado por una estructura de fierro galvanizado. La
alimentación se realiza por uno de sus extremos donde se utiliza cañería de cobre
con válvula para el paso de agua salada en volúmenes controlados. La inclinación
del vidrio es de 12 º con respecto a la horizontal lo cual se encuentra entre los
rangos óptimos encontrados en la referencia [69]. El vidrio condensador tiene 3 cm
de espesor para mejorar la transmitancia de radiación y evitar las pérdidas de
calor dentro del destilador [ [70], [71]]. En la Figura 3.2 y 3.3 se muestran
fotografías de los modelos a utilizar y en el Anexo 3 podemos encontrar sus
maquetas virtuales.
50
Figura 3-2 Imagen destilador solar de cubierta simple inclinada
Fuente: Elaboración propia
Figura 3-3 Imagen del destilador solar de doble piso o doble efecto
Fuente: Elaboración propia
3.3.2. Instrumentos de medición usados
Las condiciones climáticas del entorno son medidas por una estación
autónoma marca HOBO modelo U30-NRC, Estación meteorológica Starter KitU30-NRC-SYS-B que utiliza un máximo de 15 canales para recopilar datos
ambientales para luego poderlos ingresar a HOBOware software ® Pro donde se
realiza el análisis posterior. La estación se encuentra a una distancia de 5 metros
aproximadamente de la ubicación de los experimentos como se muestra en la
51
Figura 3.4.
Esta recopila la presión barométrica, temperatura ambiente, la
radiación solar o intensidad de luz, la humedad relativa y la dirección, velocidad y
ráfaga del viento.
Parámetros in situ de Salinidad del agua entrante y resultante de los
destiladores es analizada con un medidor multiparamétrico portátil marca Hanna
modelo HI929828, que es capaz de monitorear la calidad del agua de hasta 13
parámetros de calidad simultáneamente. También posee un LCD de 128 x 64
pixeles de matriz de puntos con retroiluminación que automáticamente genera los
tamaños de los dígitos y permite la configuración completa de cada parámetro
medido, con sus respectivas unidades. Cada parámetro es totalmente compatible
con la ayuda contextual en pantalla tanto en el modo de calibración y durante la
medición, el equipo se muestra en la Figura 3.5 que mide in situ los parámetros de
conductividad eléctrica y sólidos disueltos totales. Además se ocupa un tester
marca HM Digital modelo COM-100 para validar los parámetros de conductividad
eléctrica y sólidos disueltos total del agua destilada, que se muestra en la Figura
3.6.
Figura 3-4 Imagen de estación meteorológica
Fuente: Elaboración propia
52
Figura 3-5 Imagen de medidor multiparamétrico
Fuente: Elaboración propia
Figura 3-6. Medidor tester para SDT y CE
Fuente: Elaboración propia
En el interior del destilador son instaladas cuatro termocuplas tipo K que
poseen un rango de temperatura de -200 °C a +1372 °C, para poder medir los
perfiles de temperatura en distintas ubicaciones del destilador, tales posiciones se
señalan en la Figura 3.9. Todas están calibradas con un sistema de adquisición
de datos marca IO Tech modelos Personal Daq View PDAQ 30TC, con 30
entradas diferentes para adquirís datos simultáneamente, que se encarga de
recopilar la información de las termocuplas como se muestra en la Figura 3.7 y
almacenarlas en un netbook que se muestra en la Figura 3.8 mediante una
53
conexión con un cable USB. Por último el destilado resultante del proceso es
enviado al laboratorio para así medir los parámetros de boro y arsénico en el
agua.
Figura 3-7 Imagen de sistema de adquisición de datos de temperatura. Fuente:
Elaboración propia
Figura 3-8. Imagen de netbook procesador de datos
Fuente: Elaboración propia
Los análisis de calidad de agua fueron realizados en los laboratorios de
CIDERH – UNAP en la Facutad de Ciencias de la Salud, dirigido por la Dra.
Venecia Herrera, mediante una solicitud de análisis químico [Anexo 5].
A
continuación la Tabla 3-1 muestra los métodos que se utilizaron para medir los
parámetros en cuestión.
54
Tabla 3-1. Métodos de medición utilizados en el laboratorio de análisis químicos.
Fuente: Elaboración propia
Matriz
Parámetro
Técnica y método de
análisis
Agua
CE
Sensor
pH
Sensor
STD/SS
Gravimetría – sensor
B
Espectroscopia molecular
visible azometina
Espectroscopia de
As
absorción atómica con
generación de hidruro
HG-AAS
3.3.3. Condiciones de operación de los destiladores
El ángulo de incidencia de la transmitancia y la reflectancia puede ser
mayor o menor dependiendo el caso, el material utilizado en la cubierta, la
orientación en su instalación, etc. Los destiladores solares deben recibir la mayor
cantidad de radiación solar disponible durante el día, significando que la
instalación del mismo debe estar ubicada en un lugar donde no exista ningún tipo
de intervención física en el radio de luz solar disponible que deben tener los
destiladores.
Además el área de estudio está posicionada en latitud sur del globo por lo
que el destilador debe estar apuntando en posición hacia el norte [ [72], [73]] y el
vidrio condensador de la superficie debe ser de 3 cm de espesor ya que es uno de
los más óptimos para la absorción de radiación dentro del destilador [ [64], [70],
[71]].
La capa de agua del destilador tiene 2 cm de profundidad la cual aumenta
un 28% el rendimiento con respecto a otras profundidades en destiladores
convencionales [74].
55
La inclinación del vidrio es de 12 º con respecto a la horizontal, esto permite
recoger el agua de condensación mediante una bandeja en la parte inferior. Si la
inclinación es menor, hay una posibilidad de que las gotas caigan en cuenca antes
de que alcance la bandeja. La masa de condensado se acumula cuando se
desliza hacia abajo a lo largo de la superficie inferior de la cubierta. La tensión
superficial debería igualar el peso del condensado durante el deslizamiento hacia
abajo y la tasa de acumulación de la masa del condensado depende de la
velocidad de evaporación y condensación y la velocidad de evaporación depende
de la intensidad de la radiación solar. Por lo tanto el ángulo de inclinación está
optimizado con una variación media de principios del ángulo solar de Azimut y la
intensidad solar del lugar. Las inclinaciones adecuadas de la cubierta están entre
10 ° a 50 ° [69].
Por último, bajar la temperatura de la cubierta ayuda a aumentar la
productividad. La diferencia de temperatura entre el vidrio y el aumento de la
cuenca de agua que aumenta la circulación natural de la masa de aire en el
interior del destilador. La velocidad del viento afecta a la temperatura de la
cubierta. A mayor velocidad del viento la transferencia de calor por convección
desde la cubierta a la atmósfera aumenta debido al aumento en el coeficiente de
transferencia de calor por convección entre la cubierta y la atmósfera. Este efecto
aumenta la condensación, la tasa de evaporación y la productividad del destilador
[ [75], [76]].
Las temperaturas dentro de los destiladores son medidas con termocuplas
tipo K y son ubicadas en la superficie interna o piso, superficie del agua, en el aire
dentro de la cámara y por último en la superficie interna del condensador, tal como
se muestra en la Figura 3.9.
56
Figura 3-9 Diseño de un destilador convencional simple de cubierta inclinada con
termocuplas instaladas en 4 posiciones distintas.
Fuente: Elaboración propia
3.3.4. Montaje Experimental
Todos los experimentos fueron realizados en otoño del año 2012 entre el 1
y 5 de mayo. El experimento 1, 2 y 3 tuvieron una duración de 36 horas continuas
con el objetivo de completar un ciclo día y noche. Se utilizó agua de río la cual fue
extraída del río de Camiña en un punto dentro del pueblo. Por encontrarse en
latitud sur del globo, la inclinación del condensador del destilador fue dirigida hacia
el norte [ [59], [72], [77]].
Cada experimento fue monitoreado y se muestra en la Tabla 3-2 con las
siguientes mediciones en ambos destiladores.
Los datos del experimental 1 y 3 fueron recolectados cada una hora durante 36
horas continuas en los días especificados, el inicio de la toma de mediciones es
desde las 6 am hasta las 12 pm del siguiente día de experimentación, en dónde
las horas de radiación solar son consideradas de las 8 am hasta las 18 pm y el
resto en horas sin luz. El 2 fue verificado antes y una vez terminado el ciclo de
evaluación.
57
Tabla 3-2 Número de experimentos realizados y sus condiciones.
Fuente: Elaboración propia
Experimento
Condiciones
1
Temperaturas dentro del destilador (En caso del
destilador doble piso las mediciones fueron realizadas
sólo en el compartimiento inferior)
1.1
Temperatura interna del condensador o cubierta inclinada
1.2
Temperatura del aire ambiente
1.3
Temperatura de la superficie del agua
1.4
Temperatura interna de la superficie del destilador
2
Calidad del agua
2.1
Calidad del agua entrante
2.2
Calidad del agua resultante específicamente destilado
2.3
Volumen de destilado generado
3
Condiciones meteorológicas
3.1
Temperatura ambiental
3.2
Radiación solar
3.3
Velocidad del viento
3.4
Humedad relativa del aire
La Figura 3.10 muestra la puesta en marcha del sistema en terreno,
se pueden ver las termocuplas posicionadas en los destiladores en estudio
conectadas al sistema de adquisición de datos.
A un costado la estación
meteorológica mostrada en la Figura 3.4.
58
Figura 3-10 Imagen de montaje sistema de destilación
Fuente: Elaboración propia
59
Capítulo 4 .- PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
La orientación de esta tesis, está enfocada en estudiar experimentalmente
el funcionamiento de los destiladores solares en una quebrada en altura
analizando variables ambientales, como la radiación solar, velocidad del viento,
temperaturas, calidad del agua del río de Camiña y la obtenida con el sistema.
Cabe destacar que la época del año en el cual fueron realizados los experimentos
fue otoño por cuanto se considera como época de radiación solar normal-baja con
respecto a las otras épocas como primavera y verano donde la radiación es
mucho más alta [4].
4.1.
Datos meteorológicos
En la Figura 4.1 se muestran las variaciones ambientales de temperatura
experimentales durante un periodo de 38 horas. Los datos descritos en la Figura
4.1 son obtenidos por la estación meteorológica instalada cerca del experimento
durante los días en los que fueron realizadas las mediciones experimentales de
60
los destiladores. Las temperaturas ambientales de Camiña son bajas dentro del
rango de las temperaturas en la región, siendo las mínimas de 10 ºC y las
máximas de 23 ºC en época de otoño.
25
20
15
10
Tº Camiña
5
0
6:00
7:40
9:20
11:00
12:40
14:20
16:00
17:40
19:20
21:00
22:40
0:20
2:00
3:40
5:20
7:00
8:40
10:20
12:00
13:40
15:20
17:00
18:40
20:20
Temperatura (ºC)
Temperatura ambiente
Tiempo (hrs)
Figura 4-1. Temperaturas medidas en Camiña
Fuente: Elaboración propia
En la Figura 4.2 se muestra la radiación solar total. En Camiña los valores
de radiación son algo más bajo con respecto a la región alcanzando valores
máximos de 770 W/m2. Sin embargo se tienen mediciones de radiación total por
sobre los 500 W/m2 por más de 6 horas en el día. Cabe señalar que Camiña tiene
menos horas de luz y por lo tanto el menor promedio de temperatura y radiación
debido a que se encuentra dentro de una quebrada.
1000
800
600
400
Rad Camiña
200
0
6:00
7:50
9:40
11:30
13:20
15:10
17:00
18:50
20:40
22:30
0:20
2:10
4:00
5:50
7:40
9:30
11:20
13:10
15:00
16:50
18:40
20:30
Radiación (W/mｲ)
Radiación Solar
Tiempo (hrs)
Figura 4-2 Radiación solar en Camiña
Fuente: Elaboración propia
61
La velocidad del viento es mostrada en la Figura 4.3. Se pueden observar
máximas velocidades del viento de 8,3 m/s entre las 14 y 15 hrs. Sin embargo
velocidades por sobre 1,5 a 2 m/s son distribuidas de forma más homogénea
durante la tarde y noche. Las velocidades de viento más altas se dan entre las 11
y las 18 horas alcanzando los 6 a 8 m/s que es exactamente donde más se genera
destilado en todo el día.
Velocidad del viento
Velocidad (m/s)
10
8
6
4
Vel Camiña
2
6:00
7:40
9:20
11:00
12:40
14:20
16:00
17:40
19:20
21:00
22:40
0:20
2:00
3:40
5:20
7:00
8:40
10:20
12:00
13:40
15:20
17:00
18:40
20:20
0
Tiempo (hrs)
Figura 4-3 Velocidad del viento en Camiña
Fuente: Elaboración propia
En este análisis debe considerarse la época del año en que las mediciones
fueron tomadas, correspondientes a otoño del 2012 y en el hemisferio sur, lo que
significa que los valores de temperatura ambiental y radiación solar son más bajos
que los que se pueden registrar durante el resto del año en la zona.
4.2.
Rendimiento de destilado producido
La Tabla 4-1 presenta los resultados del volumen de agua producida de los
sistemas en estudio. El destilador convencional en horas luz produjo un total de
2242 ml de destilado, significando horas luz el período entre las 08 am y las 18 pm
que es el período en el día donde el sol se encuentra disponible o en contacto
directo con los destiladores, teniendo en cuenta que el período de evaluación es
de 36 horas tenemos 8 horas el primer día y 8 horas el segundo en horas luz,
siendo el total generado en las 36 horas que dura el experimento 2684 ml. El
destilador de doble piso alcanzó un total de 1821 ml de destilado en horas luz y un
total de 2480 ml en las 36 horas de estudio. En cuanto al destilado generado en
horas luz se remarca que el inicio del experimento comenzó a las 08 am y tuvo
término a las 08 pm del día próximo.
62
Los volúmenes generados en horas luz fueron mayores que en 24 horas
debido a que el experimento tomó lugar en 36 horas que es 1 día y medio de
exposición al sol. Debido a que empezó a las 8 am podemos asumir que la
generación de destilado es mayor en las horas luz del día que en la noche como
nos rectifica la bibliografía, y que la diferencia entre los destilados generados en
horas luz y en 24 horas son lo que se generó en horas sin luz.
Tabla 4-1. Volumen generado de destilado con área de trabajo en 0.54 m 2.
Fuente: Elaboración propia
Volumen de
Volumen en
Volumen en
Volumen en
Volumen
Agua
16 horas luz
24 horas
36 horas
Total
(ml)
(ml)
(ml)
p/Destilador
Generado (ml)
por 0.54 m
2
Destilador
Convencional
Destilador Doble
Piso Superior
(ml)
2242
1477
2684
977
742
1419
2684
2480
Destilador Doble
Piso Inferior
844
621
1061
Los volúmenes generados con un área de destilación de 0.54 m 2 en horas
sin luz son mostrados en la Tabla 4-2, que se obtuvieron entre las 18 pm y las 08
am del segundo día de experimentación.
Para poder comparar los resultados con estándares o investigaciones
internacionales se debe trabajar con metros cuadrados de área de destilación
como unidad de trabajo, por lo que calculamos el área de destilación de los
destiladores (90cm x 60cm) que es 0.54 m2, extrapolando estos datos a m2 los
resultados del destilado generado son mostrados en la Tabla 4-3.
63
Tabla 4-2. Volumen generado de destilado con área de trabajo en 0.54 m 2 en
horas sin luz. Fuente: Elaboración propia
Volumen de
Volumen en
Volumen en
Volumen en
Volumen
Agua
16 horas luz
24 horas
horas sin luz
Total
Generado (ml)
(ml)
(ml)
(ml)
p/Destilador
por 0.54 m2
Destilador
Convencional
Destilador Doble
Piso Superior
(ml)
2242
1477
765
977
742
235
765
458
Destilador Doble
Piso Inferior
844
621
223
Tabla 4-3. Volumen generado de destilado con área de trabajo en 1 m2.
Fuente: Elaboración propia
Volumen de
Volumen en
Volumen en
Volumen en
Volumen
Agua
16 horas luz
24 horas
36 horas
Total
Generado (ml)
(ml)
(ml)
(ml)
p/Destilador
por m2
Destilador
Convencional
Destilador Doble
Piso Superior
(ml)
4152
2735
4970
1809
1374
2628
4970
4593
Destilador Doble
Piso Inferior
1563
1150
1965
Según esta extrapolación podemos ver que el destilado generado por día es
de 2735 ml el destilador convencional y de 2524 ml el destilador de doble piso
siendo consecutivamente el convencional el destilador que más destilado generó.
Además podemos ver que los resultados se acercan a los valores alcanzados en
otras experiencias internacionales como se muestra en la Tabla 2-5.
En la Tabla 4-4 se presentan los resultados de calidad en el agua de río
utilizada y la calidad del agua producida por los destiladores, además del
64
porcentaje de remoción que hubo de los principales parámetros para cada
destilador. El agua del río tiene un pH básico el cual nos da un indicio de que el
agua
contiene
minerales
disueltos,
también
tenemos
el
parámetro
de
conductividad eléctrica (CE) que nos muestra la relación con las sales minerales
que hay en el agua alcanzando los 1800 µS/cm. Los sólidos disueltos totales
(STD) alcanzan los 980 ppm demostrando que existen muchos minerales disueltos
en el agua, la EPA indica que cuando éste parámetro se sobrepasa en 500 ppm
tenemos un indicio de que el agua puede traer problemas si se ingiere debido a la
posibilidad de que algunos parámetros contaminantes no estén cumpliendo los
límites máximos permisibles como el Boro y el Arsénico.
Tabla 4-4. Calidad de agua de origen y resultante de la destilación, con su
porcentaje de remoción para ambos parámetros. Fuente: Elaboración propia
Propiedades
químicas y %
pH
Remoción
CE
STD
B
As
(µS/cm)
(ppm)
(ppm)
(ppm)
Agua de Río
8,05
1841
986
10,2
0,26
Destilado DC3
7,01
33,5
34
0,1
-*
98.2
97
99
99.5
666,7
280
2,8
0,01
63,8
71,6
72,5
96,2
Remoción DC (%)
Destilado DDP4
6,71
Remoción DDP (%)
* La concentración de la sustancia se encuentra bajo los límites de detección de
Espectroscopia de absorción atómica con generación de hidruro (HG-AAS).
Las altas concentraciones de boro en aguas de riego aplicadas a productos
agrícolas disminuyen su productividad y en algunos casos provoca la muerte de
los cultivos, es un parámetro de calidad discutido a nivel internacional, la EPA ha
determinado que es improbable que la exposición a concentraciones de boro de 4
mg/L durante 1 día o 0.9 mg/L durante 10 días cause efectos adversos en niños,
también ha determinado que es improbable que la exposición de por vida a 1 mg/L
de boro cause efectos adversos, por lo que la norma internacional de calidad de
agua potable limita al boro a contener en el agua potable no más de 1 mg/L o ppm
por lo que se encuentra en más de 10 veces excedida en tal parámetro dentro de
lo estimado en normas internacionales (EPA y OMS).
Por otro lado se ha
comprobado que la ingesta de arsénico en concentraciones altas en seres
humanos puede producir cáncer. La norma chilena permite un máximo de 0,01
3
4
Destilador convencional de cubierta simple.
Destilador de doble piso o de doble efecto.
65
partes por millón (ppm) en agua potable de arsénico [Anexo 1]. La Tabla 4-4
muestra una importante disminución en las concentraciones de los sólidos
disueltos totales, boro y arsénico del orden de 97%, 99% y 99.5% en el destilador
convencional y 63,8%, 71,6% y 72,5% en el destilador de doble piso
respectivamente.
El destilado producido de mejor calidad es en el destilador
convencional, el cual posee una muy baja concentración de solidos disueltos en el
agua de 34 ppm y de Boro un 0,1 ppm. La cantidad de arsénico en el destilador
convencional estuvo bajo los límites de detección del método utilizado para
medirlo.
4.3.
Temperaturas al interior de los destiladores
Las posiciones de las termocuplas corresponden a las indicadas en la
Figura 3.9 al interior de los destiladores. Para el destilador convencional la
evolución temprano de las temperaturas alcanzadas en el interior se muestran en
la Figura 4.4, la temperatura de la termocupla ubicada en la superficie interna de la
cubierta de vidrio (TP1) sube lentamente comparadas con las del fluido (TP4) y del
piso (TP3). Esta diferencia de temperatura, de alrededor de 5 ºC, favorece la
producción de agua destilada en el condensador (TP1) debido a que la
temperatura externa de la superficie del condensador es más baja que la del vapor
interno en el destilador produciendo así la condensación de gotas de aguas en la
superficie interna del condensador, la cual coincide con las horas de mayor
producción de agua destilada.
60
40
TP1
30
TP2
20
TP3
10
TP4
0
8:01
9:41
11:14
12:48
14:28
16:08
17:48
19:28
21:01
22:41
0:21
2:01
3:41
5:21
7:01
8:41
10:14
11:54
13:34
15:14
16:54
18:29
20:09
21:49
23:29
Temperaturas (ºC)
50
Tiempo (hrs)
Figura 4-4 Temperaturas internas del destilador convencional
Fuente: Elaboración propia
66
A pesar de no tener las condiciones ambientales más favorables, debido a
la época del año en la que se hizo el experimento, la productividad del destilador
convencional en Camiña estuvo en función a las altas temperaturas tanto las
medidas dentro del destilador por las termocuplas, que las externas medidas por
la estación meteorológica, la mayor cantidad de destilado se generó cuando el
mayor índice de radiación solar se midió por la estación y el cuál es acorde a los
mayores rangos de temperaturas alcanzados dentro del destilador.
La Figura 4.5 muestra las temperaturas para el destilador de doble piso sólo
en el compartimiento inferior.
Las temperaturas de las cuatro termocuplas
evolucionan de manera similar uno con respecto a la otra durante el experimento,
por lo que la diferencia de temperatura entre ellas es mínima.
La mayor
generación de destilado al igual que en el destilador convencional se produce
cuando se alcanzan las mayores temperaturas dentro del destilador. TP2 y TP4
como se muestran en la Figura 4.5, alcanzan temperaturas cercanas a los 60ºC.
Además una ventaja del destilador de doble piso con respecto al convencional, es
que mantiene mayor cantidad de calor en el tiempo durante las horas cuando no
hay contacto directo con el sol, en horas sin luz, debido a su diseño de doble piso,
sin embargo aun así no alcanza los estándares de destilado generado por el
destilador convencional.
60
Temperaturas (ºC)
50
40
TP1
30
TP2
20
TP3
TP4
10
8:01
9:41
11:14
12:48
14:28
16:08
17:48
19:28
21:01
22:41
0:21
2:01
3:41
5:21
7:01
8:41
10:14
11:54
13:34
15:14
16:54
18:29
20:09
21:49
23:29
0
Tiempo (hrs)
Figura 4-5 Temperaturas internas del destilador de doble piso
Fuente: Elaboración propia
En general los factores que afectan el rendimiento o productividad de los
destiladores según los resultados experimentales concuerdan con las referencias
67
bibliográficas con respecto al tema en estudio en experiencias en otros países.
Sin embargo existe otro factor que podría estar asociado a la productividad de
destilado para ambos destiladores que es la altura de Camiña (2420 msnm) ya
que con la altura la presión atmosférica disminuye y con esto el punto de
evaporación del agua, es decir las radiaciones alcanzadas en la ubicación del
experimento no superaron los 750 W/m2 lo cual es más bajo que las experiencias
en otras ubicaciones donde la radiación solar supera los 850 W/m2 por lo que se
genera más destilado a mayor radiación, sin embargo al disminuir la temperatura
del punto de ebullición del agua se generaría un destilado similar al de otras
experiencias gracias a la altura en la cual están los equipos.
4.4.
Análisis comparativo entre el destilado teórico y el producido para un
destilador convencional
Los resultados del cálculo de la tasa de transferencia de masa promedio del
destilador solar convencional de cubierta simple, son mostrados en el Anexo 6.
Según los cálculos teóricos realizados la tasa de transferencia de masa promedio
es de 7,7 x 10-5 kilogramos de evaporado por metro cuadrado por segundo, parte
de los cálculos realizados para obtener las presiones se muestran en la Tabla 4-5.
Tabla 4-5. Principales resultados de la conversión de datos para utilizarlos en la
ecuación de mD. Fuente: Elaboración propia
Tiempo
hr
°K
°K
mmHg
mmHg
8:01
280,78
284,37
7,501
9,7513
9:01
283,84
284,40
9,7513
9,7513
10:04
291,07
287,16
15,7521
12,0016
11:04
299,11
296,37
25,5034
21,0028
12:04
304,87
306,68
35,2547
39,0052
13:08
315,59
320,34
63,0084
80,2607
14:08
318,52
324,48
73,5098
99,0132
15:08
319,88
325,51
78,7605
104,2639
16:08
319,39
324,64
77,2603
99,7633
17:08
316,92
321,76
67,509
87,0116
18:08
309,19
316,26
44,2559
65,2587
19:08
302,21
309,04
30,004
44,2559
Promedio
306,42
309,24
46,21
58
68
Reemplazando en la ecuación de destilado [Anexo 6].
El resultado del cálculo del hc es el siguiente
Finalmente tenemos
de H2O evaporada en los destiladores,
equivalente a
Los resultados experimentales por otra parte muestran el volumen de
destilado producido en un destilador solar convencional el cual dio como resultado
1477 ml producido por 0,54 m2 de área de destilación en un día. Es importante
destacar que la tasa de transferencia de masa promedio es un valor que se
calcula en base a las ecuaciones propuestas por Duffie & Beckman [16],
presentadas en el Capítulo 2, en la cual para poder calcular un rango en el día, se
promedian las temperaturas en horas luz dando como resultado la masa promedio
de agua evaporada en el proceso en el tiempo definido.
A pesar de que la diferencia de destilado producido teórico y experimental
es de 99 ml, el resultado del volumen de agua evaporada teórica producida es
menor que el volumen de agua real o experimental que se genera en el destilador
convencional, lo cual puede atribuirse a diferentes circunstancias en la que se
realiza este ejercicio, como por ejemplo que las temperaturas utilizadas para
realizar el cálculo en la parte teórica son durante las horas luz donde se produce
destilado, sin embargo el resultado del destilado generado en el experimento data
de la recolección del destilado durante 24 horas seguidas, por lo que se generaría
un poco más de destilado debido a que hay más tiempo en la recolección de
datos.
Otro factor en el cual se podría explicar la diferencia de los resultados, es
que hay que destacar es que el escenario geográfico donde se realiza el
experimento es particularmente alto de 2.420 msnm en comparación a otras
investigaciones sobre destilación solar en el mundo, por lo que los factores tanto
de radiación solar y velocidad del viento que están relacionados con la producción
de destilado podrían afectar la generación debido a que los porcentajes de
radiación y velociadad del viento son mayores en otras ubicaciones, Camiña no
69
superó los 750 W/m2 por lo que la generación debería haber sido en un orden
menor a lo logrado, sin embargo gracias a que a mayor altura la temperatura del
punto de ebullición del agua es menor que al del nivel del mar por lo que pudo
haber influido en alcanzar índices similares a otras investigaciones.
Los diseños de los destiladores también juegan otro papel importante, la
mayoría de los destiladores solares convencionales se basan en poseer una sola
cuenca y utilizar materiales económicos para la construcción de los mismos, en el
experimento en Camiña, se utilizaron materiales de alta durabilidad como es la
fibra de vidrio, además se utilizó pintura de piscina en vez de caucho que es el
material generalmente utilizado, habiendo leves cambios en la reflectividad de la
radiación solar pero que repercuten en la generación de destilado.
70
Capítulo 5 .- ANALISIS ECONOMICO
Es muy importante llevar a cabo un análisis económico y la evaluación de
un sistema de ingeniería para probar la socio-viabilidad del estudio. El costo del
agua producida depende del coste de capital del equipo, el coste de la energía, del
coste de funcionamiento y mantenimiento del sistema. En el caso de los
destiladores solares, el coste de la energía es una fracción muy pequeña de la
total ya que se utiliza sólo energía para bombas y controles en grandes plantas,
por lo que, la mayor parte del costo del agua en la destilación solar es el de la
amortización del costo de capital. La tasa de producción es proporcional al área
del destilador, lo que significa que el coste por unidad de agua producida es casi el
mismo, independientemente del tamaño de la instalación. Esto está en contraste
con las condiciones de suministro de agua dulce, así como para la mayoría de los
demás métodos de desalinización, donde el costo de capital del equipo por unidad
de capacidad disminuye a medida que aumenta la capacidad de producción.
Esto significa que la destilación solar puede ser un método más atractivo
que otros para la producción de agua a menor escala. Howe, [78] informó de que
71
las plantas de destilación solares que tienen la capacidad de menos de 200 m 2/día
son más económicas que otras plantas. Kudish [79] ha presentado un análisis
económico de una planta de destilación solar en Israel asumiendo que el coste de
mantenimiento del sistema es constante. Un análisis económico de la cuenca y de
destiladores solares múltiples tipo mecha se han llevado a cabo por varios
científicos [28], [80], [81], [82]. Zein en 1986 [83] realizó un análisis químico para
determinar su posible uso como agua potable y los resultados se compararon con
agua del grifo. Se llegó a la conclusión de que el agua condensada se puede
mezclar con agua de pozo para producir agua potable y la cantidad de esta agua
es comparable con la del obtenido a partir de plantas de destilación industrial.
Otras pruebas realizadas mostraron que las impurezas como nitratos, cloruros,
hierro y sólidos disueltos en el agua se eliminan por completo por el destilador
solar.
Otra manera de poder realizar un análisis económico al sistema de
destilación es con una evaluación económica desde el punto de vista privado.
Mediante un flujo de caja podemos describir los ingresos y costos para poder
evaluar cuál de las alternativas de inversión es en definitiva la mejor.
5.1.
Flujo de Caja
El flujo de caja que se presenta a continuación se basa en supuestos para
una familia pequeña constituida por un matrimonio y dos hijos, caso de muchas
familias en la comunidad de Camiña. Son personas que se dedican a la actividad
agrícola y que sus ingresos son en promedio bajos o por así decir sueldos
mínimos en la economía chilena.
5.1.1. Vida útil del proyecto
La proyección del estudio se realizó en base a la vida útil del equipo que
presenta el centro del sistema o el que realiza la operación más importante, por lo
que los destiladores ocuparían este lugar. La vida útil de los destiladores es difícil
de calcularla debido a que son equipos experimentales, construidos con fibra de
vidrio y acero.
Su categoría podría ser comparada con la construcción de
estanques los que tienen una vida útil de 10 años, aunque se sabe que la fibra de
vidrio tiene una duración mucho mayor. En carácter de referencia estimaremos 10
años la duración del proyecto.
72
5.1.2. Ingresos
Para poder evaluar los destiladores y su aporte a cada familia, se asumirá
que los ingresos se calculan como el caudal generado de agua por los
destiladores en comparación con el valor real del agua purificada puesta en
Camiña con todo los costos de transporte asociados. Una botella de agua de 1.5
litros cuesta aproximadamente en Camiña $1.100, agua que comparativamente
tiene una calidad similar al agua dulce producida por los destiladores, por lo que el
litro tiene un precio de $733 aproximadamente. Bajo éste supuesto se realiza el
cálculo del ingreso promedio que el destilador podría ahorrar en términos de
costos a las familias.
El caudal generado por los destiladores depende del rendimiento de cada
destilador y los factores descritos en el Capítulo 2, sin embargo, la variabilidad de
estos factores es baja. Además que el estudio se realizó en una época en donde
la productividad se considera normal baja por bibliografía (época de otoño), por lo
que se estima la generación producida en la etapa de experimentación a lo largo
del tiempo de duración de la vida útil del proyecto.
 Calculo anual de ingresos del destilador convencional
Qdía = 1,477 litros
Qmes = 44,310 litros
Qaño = 531,72 litros
Precio del agua por litro = $ 733.
Total anual = $ 389.751.
 Calculo anual de ingresos del destilador doble piso
Qdía = 1,363 litros
Qmes = 40,89 litros
Qaño = 490,68 litros
Precio del agua por litro = $ 733.
Total anual = $ 359.668.
73
5.1.3. Costos
Los costos de mantención se designaron de manera mensual, debido a que
estos equipos no se necesitan limpiar periódicamente de manera interna.
La
formación de la capa de sal que disminuye la formación de destilado se forma a
través del tiempo. Se estima que ésta mantención podría ser mensual ocupando
el tiempo necesario para vaciar los destiladores y remover todo sólido que pueda
quedar atrapado dentro del destilador. Esta mantención se realiza abriendo el
condensador, con la misma agua que se ocupa en el proceso limpiar la parte
interna donde se realiza la evaporación y con un paño limpio retirar cualquier
sólido en la superficie.
Tal como se describe no tiene mayor complejidad la
mantención pero sí toma tiempo de la persona que se encarga de la operación de
este equipo.
Debido a que no hay técnicos especializados ni empresas de servicios para
valorizar la mantención debemos hacer supuestos del caso.
Para valorizar el
tiempo de una persona que realiza esta acción, se ha supuesto que el sueldo
mínimo es de $198.000 y que la limpieza le toma 1 hora en el mes. Con una
división simple calculamos que una persona trabajando 20 días en el mes y 8
horas diarias el valor por hora de trabajo es de $1.238 en base al supuesto, que se
podría asumir como costo aproximado del trabajo de limpieza, el cuál al año son
$14.856.
Los costos de operación son los que afectan el correcto funcionamiento del
destilador si no se realizan a diario.
Esto consiste simplemente en limpiar la
cubierta superficial del destilador con un paño limpio y seco. Está cubierta es de
vidrio por lo que se aconseja utilizar algún producto limpiavidrios para dejar sin
manchas la cubierta. El producto tiene un valor promedio con un valor de $1.600
en el mercado, anual $19.200.
El tiempo en que toma limpiar los vidrios de
manera correcta es de 5 minutos con un paño que tiene una duración mensual al
igual que el limpiavidrios. El valor de la hora de trabajo es de $1.238, y los cinco
minutos corresponden a $103. Eso multiplicado por 30 y por 12 nos da un total
anual de $37.080.
5.1.4. Depreciación
Los destiladores solares como equipos de trabajo a pesar de que sean
transportables, permanecen estáticos en sus ubicaciones de trabajo a la
intemperie en la noche haciéndolos funcionar todos los días del año sin descanso,
74
además las condiciones físicas y geográficas a la que están sometidos los hacen
más susceptibles a sufrir daños por imprevistos de la zona.
Se aplica la
depreciación acelerada a estos equipos, por su conveniencia económica para el
proyecto.
La depreciación utilizada es por el método de la línea recta, en donde
ambos destiladores poseen la misma vida útil, que con depreciación acelerada es
de 3 años, el cálculo de la depreciación es mediante la siguiente fórmula:
(19)
donde el número de periodos de vida útil (n), y su valor de salvamento (Vs) es el
mismo, valorado en 0 debido a que después de su uso comercial los destiladores
no tienen otra utilidad en el actual mercado de los bienes de destilación como
otros usos comerciales que se le puedan dar como secadores o deshidratadores
caseros. Sin embargo el valor de la inversión (I) es la que los diferencia uno de
otro.
La inversión realizada para la construcción del destilador convencional de
cubierta simple es de $320.000 y para el de doble piso $420.000, sin IVA incluido.
5.1.5. Periodo de recuperación de la inversión
El periodo de recuperación (PR) mide en cuanto tiempo se recuperará el
total de la inversión a valor presente, es decir, revela la fecha en la cual se cubre
la inversión inicial en años, meses y días.
Como su nombre lo indica, los
inversores se interesan únicamente por el tiempo (generalmente en años) que
transcurre hasta recuperar el flujo de caja invertido, vía los flujos futuros de caja a
valores constantes. Su uso se justifica en la medida que brinda una tendencia de
la viabilidad económica del proyecto, además de su liquidez. De varios proyectos
mutuamente excluyentes, se selecciona el proyecto que presente menor PRI, es
decir, el que retorna más rápido la inversión inicial. Para determinarlo con mayor
exactitud se puede aplicar la siguiente formula:
Calculo del PRI para el DC
75
(
)
Calculo del PRI para el DDP
(
)
76
5.2.
Flujo de Caja Destilador Convencional
Año 0
Ingresos
Caudal (lts/año)
Precio
Total Ingresos
Egresos
Costos Mantención
Costos Operacionales
Insumos
$ 380.800
Inversión
Depreciación
UAI
Impuesto (20%)
UDI
Depreciación
-$ 380.800
Fcaja Neto
-$ 380.800
Fcaja acumulado
La tasa de descuento para
Tabla 5-1. Flujo de Caja para el destilador convencional. Fuente: Elaboración propia
Año 1
Año 2
Año 3
Año 4
Año 5
Año 6
Año 7
Año 8
Año 9
Año 10
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
531,72
$ 733
$ 389.751
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 14.856
$ 37.080
$ 19.200
$ 126.933 $ 126.933 $ 126.933
$$$$$$$$ 191.681 $ 191.681 $ 191.681 $ 318.615 $ 318.615
$ 318.615
$ 318.615
$ 318.615
$ 318.615
$ 318.615
$ 36.419
$ 36.419
$ 36.419
$ 60.537
$ 60.537
$ 60.537
$ 60.537
$ 60.537
$ 60.537
$ 60.537
$ 155.262 $ 155.262 $ 155.262 $ 258.078 $ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
$ 126.933 $ 126.933 $ 126.933
$$$$$$$$ 282.195 $ 282.195 $ 282.195 $ 258.078 $ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
$ 258.078
-$ 98.605 $ 183.591 $ 465.786 $ 723.864 $ 981.942 $ 1.240.020 $ 1.498.098 $ 1.756.176 $ 2.014.254 $ 2.272.332
nuestro proyecto es del 10%, porcentaje promedio referido para este tipo de proyectos de inversión privada. El cálculo
del Valor Actual Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR) se realizó a través de Microsoft Excel y los valores resultantes para el flujo del destilador
solar convencional fue de un VAN de $1.248.533 con una TIR del 72%, además el flujo acumulado se vuelve positivo el 2º año del proyecto y el Indice del
Valor Actual Neto (IVAN), es la relación entre el VAN y la Inversión Inicial resultando 3,28 para el destilador convencional.
77
5.3.
Flujo de Caja destilador solar de doble piso
Tabla 5-2. Flujo de Caja para el destilador doble piso. Fuente: Elaboración propia
Año 0
Ingresos
Caudal ( lts/año)
$
Precio
$
Total Ingresos
Egresos
$
Costos Mantención
$
Costos Operacionales
$
Insumos
$ 571.200
Inversión
$
Depreciación
$
UAI
$
Impuesto (20%)
$
UDI
$
Depreciación
-$ 571.200 $
Fcaja Neto
-$ 571.200 -$
Fcaja acumulado
Año 1
490,78
Año 2
490,78
Año 3
Año 4
490,78
Año 5
490,78
Año 6
490,78
Año 7
490,78
Año 8
490,78
Año 9
490,78
Año 10
490,78
490,78
733 $
733 $
733 $
733
$
733 $
733 $
733 $
733 $
733 $
733
359.742 $
359.742 $
359.742 $
359.742
$
359.742 $
359.742 $
359.742 $
359.742 $
359.742 $
359.742
14.856 $
14.856 $
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856 $
14.856 $
14.856
37.080 $
37.080 $
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080 $
37.080 $
37.080
19.200 $
19.200 $
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200 $
19.200 $
19.200
160.000 $
160.000 $
160.000
$
-
$
-
$
-
$
-
$
-
-
128.606 $
128.606 $
128.606 $
288.606
$
25.721 $
25.721 $
$
57.721
$
102.885 $
102.885 $
102.885 $
230.885
$
160.000 $
160.000 $
160.000
$
-
$
262.885 $
262.885 $
262.885 $
230.885
$
230.885 $
230.885 $
308.315 -$
45.431 $
217.454 $
448.338
$
679.223 $
910.108
25.721
288.606 $
57.721
$
230.885 $
-
$
288.606 $
57.721
$
230.885 $
-
$
$
-
288.606 $
288.606 $
288.606
$
57.721 $
57.721 $
57.721
230.885 $
230.885 $
230.885 $
230.885
288.606 $
57.721
-
$
230.885 $
$ 1.140.992
-
$
$
230.885 $
$ 1.371.877
-
$
-
230.885 $
230.885
$ 1.602.761
$ 1.833.646
El cálculo del VAN y la TIR se realizó a través de Microsoft Excel y los valores resultantes para el flujo del destilador de doble piso fue de $ 927.065
con un TIR del 43%, además el flujo de caja acumulado se vuelve positivo el 3er año del proyecto y el IVAN resultó 1,62.
78
5.4. Costo Anual Uniforme Equivalente
Este indicador es utilizado en la evaluación de proyectos de inversión y corresponden a todos los ingresos y desembolsos convertidos en una
cantidad anual uniforme equivalente que es la misma cada período, la fórmula para este indicador es la siguiente:
(
)
Y el Valor Presente Neto es
(
)
(
)
(
)
Donde i corresponde a la tasa de interés, n corresponde al número de períodos a evaluar y P a la inversión inicial.
 Cálculo del CAUE para el Destilador Convencional
Tabla 5-3. Costos totales para el destilador convencional. Fuente: Elaboración propia
Año 0
Egresos
Costos Mantención
Costos Operacionales
Insumos
Inversión
Totales
Año 1
Año 2
Año 3
Año 4
Año 5
Año 6
Año 7
Año 8
Año 9
Año 10
-
$
14.856 $
14.856 $
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856 $
14.856 $
14.856
-
$
37.080 $
37.080 $
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080 $
37.080 $
37.080
-
$
19.200 $
19.200 $
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200 $
19.200 $
19.200
$ 380.800
$ 380.800
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
79
Las cantidades monetarias del diagrama deben expresarse como una sola cantidad equivalente. Tenemos inicialmente el valor presente (VP) de los costos,
con una tasa de interés del 10% y un período de 10 años.
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
)
Tabla 5-5. Anualidades para el destilador convencional. Fuente: Elaboración propia
Año 0
Inversión
Año 1
$ 133.109
Año 2
$ 133.109
Año 3
$ 133.109
Año 4
$ 133.109
Año 5
$ 133.109
Año 6
$ 133.109
Año 7
$ 133.109
Año 8
$ 133.109
Año 9
$ 133.109
Año 10
$ 133.109
Año 8
Año 9
Año 10
 Cálculo del CAUE para el Destilador Doble Piso
Tabla 5-6. Costos totales para el destilador doble piso. Fuente: Elaboración propia
Año 0
Egresos
Costos Mantención
Costos Operacionales
Insumos
Inversión
Totales
Año 1
Año 2
Año 3
Año 4
Año 5
Año 6
Año 7
-
$
14.856 $
14.856 $
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856
$
14.856 $
14.856 $
14.856
-
$
37.080 $
37.080 $
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080
$
37.080 $
37.080 $
37.080
-
$
19.200 $
19.200 $
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200
$
19.200 $
19.200 $
19.200
$ 571.200
$571.200
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
$ 71.136
80
Las cantidades monetarias del diagrama deben expresarse como una sola cantidad equivalente. Tenemos inicialmente el valor presente (VP) de los costos,
con una tasa de interés del 10% y un período de 10 años.
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
)
Tabla 5-4. Anualidades para el destilador doble piso. Fuente: Elaboración propia
Año 0
Inversión
Año 1
$ 164.096
Año 2
$ 164.096
Año 3
$ 164.096
Año 4
$ 164.096
Año 5
$ 164.096
Año 6
$ 164.096
Año 7
$ 164.096
Año 8
$ 164.096
Año 9
$ 164.096
Año 10
$ 164.096
El resultado indica que se debe seleccionar el destilador convencional, pues tiene un menor costo anual. Para efectos de tomar una decisión, será
suficiente calcular el valor presente de los costos, sin embargo, quien toma una decisión de este tipo, por lo general, también elabora un presupuesto de
gastos, en este caso, por la adquisición y operación de los destiladores. Al calcular el CAUE, automáticamente se tiene el presupuesto anual de costos (sin
considerar inflación).
81
Capítulo 6 .- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
La investigación experimental de la presente tesis fue desarrollada con
éxito, comparando un destilador solar convencional de cubierta simple inclinada
con un destilador solar de doble piso o doble efecto, en condiciones
meteorológicas de otoño, en el poblado de Camiña.
La estacionalidad del año no reflejo mayores cambios en la producción de
destilado ya que no tuvo gran diferencias con las estadísticas mundiales de
destilado generado mostradas en el Capítulo 2.
Ambos destiladores solares removieron efectivamente boro y arsénico en
las aguas del río de Camiña en distintas concentraciones, del orden de 99% y
99.5% en el destilador convencional y 72,5% y 96,2% en el destilador de doble
piso respectivamente.
El destilador con mayor rendimiento para trabajar con las condiciones
meteorológicas y ubicación geográfica es el destilador convencional, ya que
generó 204 ml de destilado más que el de doble piso y alcanzó un rango de
purificación del 99 al 99,5 % de boro y arsénico comparado al 72,5% y 96,2%
alcanzado por el doble piso.
82
La cantidad de volumen de agua evaporada teórica producida del destilador
convencional fue similar con los resultados experimentales obtenidos en terreno,
dando así coherencia a la investigación.
Las expresiones definidas para calcular el balance de energía y
transferencia de masa teóricos del destilador de doble piso son presentados en el
marco teórico pero su cálculo se aleja del objetivo general del proyecto de tesis
debido a la complejidad del cálculo del mismo, ya que se debe crear un sistema de
iteración a través de un software matemático para el desarrollo y solución del
balance.
Los costos de construcción, de operación y de mantención definidos en el
capítulo 5 son más bajos y con menos nivel de dificultad de construcción en el
destilador convencional.
El análisis económico mostró que ambos proyectos de inversión dieron
como resultado un VAN positivo por lo que ambos proyectos son viables o
rentables para ser ejecutados bajo los supuestos establecidos en el análisis
económico.
La TIR de ambos destiladores es superior a la tasa de descuento por lo que
ambos son viables.
El PR más bajo es el del destilador convencional de cubierta simple que es
de 1 año 7 meses, el PR del destilador de doble piso es de 2 años con 9 meses.
El IVAN mayor es el del destilador solar convencional mostrando que aporta
cada 3,28 pesos invertidos más que el destilador doble piso que aporta 1,62.
Los CAUEs dieron como resultado
y
del destilador solar
convencional y el de doble piso respectivamente siendo menor el primero por lo
conviene optar por el convencional debido a que los costos son menores.
Los destiladores solares utilizados en esta tesis utilizan la energía solar
para su correcto funcionamiento, producen agua de muy buena calidad en relación
a su pureza con Energías Renovables No Convencionales (ERNC), no generan
emisiones a la atmósfera y los sólidos generados deben
ser manejados con
estrictos controles y con las respectivas recomendaciones de disposición.
Ambos destiladores mostraron ser eficiente tantos en remoción de
minerales dentro del marco de la normativa vigente aplicable al consumo de agua
potable en Chile como en generación de destilado, por lo que podemos asumir
que la importancia de la altura no afecta en el proceso de convección natural de la
destilación solar.
83
RECOMENDACIONES
En base a las conclusiones se asume que el destilador solar convencional
es la mejor opción para la localidad de Camiña.
Sin embargo, debido a los
resultados experimentales han surgido nuevas inquietudes y con ello las
siguientes recomendaciones:
Para mejorar el diseño del prototipo de destilación, es importante realizar la
destilación en diferentes épocas del año y observar la influencia de las variables
climatológicas, en el rendimiento del destilado.
Un
estudio
importante
que
se
podría
realizar
sería
estudiar
comparativamente el rendimiento del destilador solar convencional de este estudio
versus uno construido con materiales más económicos utilizados en esta tesis,
para así de esta manera de resultar positivo hacer más rentable aún el proyecto.
Para el estudio de la transferencia de calor y masa que existe dentro de los
destiladores se recomienda realizar una tesis dedicada exclusivamente a ese
tópico debido a la complejidad de los modelos matemáticos y los softwares
utilizados para realizar el cálculo teórico de destilado, así también la proyección de
destilado que se requiera definir en virtud a los datos que se puedan muestrear u
obtener por tabla tales como los datos meteorológicos.
Es importante mantener limpios los condensadores de los destiladores ya
que su funcionalidad y rendimiento de destilado está en función al calor que pueda
traspasar de los vidrios hacia el interior del destilador.
El impacto social que podrían provocar los destiladores solares en la
Región de Tarapacá es un aspecto no valorado en profundidad en esta tesis, que
podría ser estudio de evaluación para un proyecto de tesis social.
La disposición de las aguas internas del destilador denominada agua de
descarte o salmuera, se puede realizar en algún tipo de recipiente donde se pueda
dejar a exposición al sol, ya que como la mantención interna del destilador es
mensual, es tiempo suficiente para que se pueda realizar la evaporación total del
agua en la salmuera dejando sólo los minerales en estado sólido para su correcta
disposición en un relleno sanitario autorizado.
84
ANEXOS
A.1. Normas oficiales para la calidad del agua – Chile
NORMA CHILENA OFICIAL 409/1.Of2005
AGUA POTABLE – Parte 1 - Requisitos
5. Criterios para elementos o sustancias químicas de importancia para la
salud (Tipo II).
El agua potable no debe contener elemento o substancias químicas en
concentraciones totales mayores que las indicadas en la Tabla 1, 2 3, 4 y 5
referentes al contenido máximo de elementos o sustancias químicas de
importancia para la salud presentes en el agua potable.
Tabla A – 1. Requisitos químicos NCh 409, tabla 1. Fuente: INN – Chile.
ELEMENTO
Cobre
Cromo hexavalente
Flúor
Hierro
Magnesio
Manganeso
Selenio
Zinc
EXPRESADO
COMO
Cu
Cr
FFe
Mg
Mn
Se
Zn
LIMITE MAXIMO
mg/L
1,0*)
0,05
1,5
0,3*)
125
0,10*)
0,01
5,0*)
Tabla A – 2. Requisitos químicos NCh 409, tabla 2. Fuente: INN – Chile.
EXPRESADO
LIMITE MAXIMO
COMO
Mg/L
Arsénico
As
0,011
Cadmio
Cd
0,01
Cianuro
CN0,2
Mercurio
Hg
0,001
Nitrato
NO310*)
Nitrito
NO21
Razón nitrato + nitrito
2)
Plomo
Pb
0,05
1)
Con el informe previo de la Superintendencia de Servicios Sanitarios, la
Autoridad Competente de salud podrá establecer el plazo en que se deberá
alcanzar el límite máximo señalado para el arsénico por aquellos servicios de
agua que al momento de entrar en vigencia esta norma lo sobrepasan. Este
plazo no podrá superar los 10 años y se fijará considerando la infraestructura
que se requiera implementar para ello, conforme al plan de contingencia que
presente la respectiva empresa. En todo caso y sujeto también a informe
previo de la Superintendencia de Servicios Sanitarios, el tiempo que se
conceda para alcanzar el límite de 0,03 mg/L no podrá superar los cinco años.
2)
Suma de las razones entre la concentración medida de cada uno y su
respectivo límite máximo
ELEMENTO
*) Suma de las razones entre la concentración media de cada uno y su
respectivo límite máximo.
85
A.2. Respuesta de información solicitada mediante la Ley de Transparencia
solicitada al Seremi de Salud.
86
87
Tabla A – 3. Ensayos bacteriológicos Camiña. Fuente: Seremi de Salud.
88
Tabla A – 4. Resumen muestreo As Camiña. Fuente: Seremi de Salud
89
Tabla A – 5. Resumen ensayos bacteriológicos As Camiña. Fuente: Seremi Salud
Tabla A – 6. Resumen ensayos al APR. Camiña. Fuente: Seremi Salud
90
Estación
Código BNA
Altitud
:
:
:
Valores Individuales Microbiológicos
Primavera Verano Otoño Invierno
QUEBRADA CAMIÑA EN ALTUSA
01610002-1
Latitud S
:
2280 msnm
Longitud W :
Cuenca
:
Costeras R.Camarones-Pampa del Tamarugal
PERIODO
01/01/1960 -
SubCuenca :
19 17 00
69 23 00
Quebrada de
Camiña
31/12/2011
UTM Norte
:
UTM Este
:
Area de Drenaje:
7866366 mts
459169 mts
2
0 km
Tabla A-7. Muestreo del Boro presente en Camiña. Fuente: Seremi Salud
FECHA
09/04/1970
12/05/1970
03/06/1970
25/08/1970
22/09/1970
17/11/1970
17/08/1971
22/03/1983
04/07/1983
13/12/1984
08/01/1985
23/05/1985
21/11/1985
16/02/1986
04/06/1986
06/02/1987
25/06/1987
06/11/1987
17/02/1989
28/11/1989
29/11/1989
05/03/1991
03/03/1992
22/11/1994
20/11/1997
26/03/1998
08/09/1998
15/05/1999
10/08/1999
05/11/1999
03/05/2000
23/08/2000
29/12/2000
27/05/2001
17/08/2001
12/12/2001
16/05/2002
14/08/2002
26/12/2002
13/03/2003
28/09/2003
29/12/2003
12/02/2004
HORA
00:00
00:00
00:00
00:00
00:00
00:00
13:00
10:00
15:00
18:45
14:05
16:50
19:00
11:05
13:30
15:30
11:05
17:20
08:10
17:45
19:30
15:30
18:00
08:20
08:20
17:20
14:20
13:00
14:34
13:30
13:20
11:10
12:00
14:00
12:20
13:10
13:15
11:30
12:20
12:45
12:35
12:30
12:45
PROF.
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
6100
Boro
Curcumin
mg/l B
3,9
5,1
4,1
7
6,8
0
7
8
8
6
7
5
6
3
6
7
5
7
11
6
20
9
7
6
22
10,23
10
7
6
6
7
7
7
8
3
91
Continuación de muestreo boro
04/06/2004
22/10/2004
06/04/2005
09/08/2005
27/11/2005
14/03/2006
10/08/2006
30/11/2006
30/04/2007
25/07/2007
27/12/2007
24/04/2008
28/08/2008
12/12/2008
14/04/2009
04/08/2009
15/12/2009
29/04/2010
03/08/2010
14/12/2010
07/04/2011
02/08/2011
12:00
12:00
12:45
12:30
12:00
12:30
11:35
17:45
12:00
12:15
15:45
15:01
19:07
15:25
15:30
16:20
16:30
15:15
14:15
17:15
15:49
19:04
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
12
10
6
11,82
11,226
6
11
9
9
9
12
7
4
6,81
7
7
9,393
7,87
8,28
10,288
6,82
7,083
Tabla A-8. Muestreo del Arsénico presente en Camiña. Fuente: Seremi Salud
8041
Arsénico
Manchas
FECHA
09/04/1970
12/05/1970
03/06/1970
25/08/1970
22/09/1970
17/11/1970
17/08/1971
22/03/1983
04/07/1983
13/12/1984
08/01/1985
23/05/1985
21/11/1985
16/02/1986
04/06/1986
06/02/1987
25/06/1987
06/11/1987
17/02/1989
28/11/1989
29/11/1989
05/03/1991
03/03/1992
20/11/1997
26/03/1998
08/09/1998
15/05/1999
HORA
00:00
00:00
00:00
00:00
00:00
00:00
13:00
10:00
15:00
18:45
14:05
16:50
19:00
11:05
13:30
15:30
11:05
17:20
08:10
17:45
19:30
15:30
18:00
08:20
17:20
14:20
13:00
PROF. mg/l As
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,45
0,00
0,402
0,00
0,472
0,00
0,568
0,00
0,391
0,00
0,458
0,00
0,184
0,00
0,403
0,00
0,343
0,00
0,35
0,00
0,684
0,00
0,451
0,00
0,391
0,00
0,479
0,00
0,154
0,00
0,565
0,00
0,00
0,57
0,00
0,6
0,00
0,21
92
Continuación de muestreo Arsénico
10/08/1999
05/11/1999
03/05/2000
23/08/2000
29/12/2000
27/05/2001
17/08/2001
12/12/2001
16/05/2002
14/08/2002
26/12/2002
13/03/2003
28/09/2003
29/12/2003
12/02/2004
04/06/2004
22/10/2004
06/04/2005
09/08/2005
27/11/2005
14/03/2006
10/08/2006
30/11/2006
30/04/2007
25/07/2007
27/12/2007
24/04/2008
28/08/2008
12/12/2008
14/04/2009
04/08/2009
15/12/2009
29/04/2010
03/08/2010
14/12/2010
07/04/2011
02/08/2011
14:34
13:30
13:20
11:10
12:00
14:00
12:20
13:10
13:15
11:30
12:20
12:45
12:35
12:30
12:45
12:00
12:00
12:45
12:30
12:00
12:30
11:35
17:45
12:00
12:15
15:45
15:01
19:07
15:25
15:30
16:20
16:30
15:15
14:15
17:15
15:49
19:04
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,41
0,44
0,42
0,44
1,51
0,45
0,4
0,47
0,38
0,38
0,5
0,5
0,5
0,5
1,1
0,35
0,36
0,36
0,32
0,34
0,24
0,3
0,62
0,28
0,36
0,33
0,38
0,43
0,685
0,28
0,4
0,498
0,416
0,551
0,635
0,384
0,466
93
A.3. Modelos simulados por software de los destiladores solares (unidades
en mm)
 Planos del destilador solar convencional
Base de fibra de vidrio
Acumulador de radiación caucho
94
Canaleta transporta agua condensada
Condensador de vidrio
Vista general destilador convencional
95
Vista general destilador convencional
Planos de un destilador activo de doble piso
Aislante fibra de vidrio
Absorbedor de radiación Caucho
96
Vidrio condensador superior
Espejo frontal inferior
Espejo posterior inferior
97
Espejo Lateral inferior 1 y 2 (dos piezas)
Vidrio condensador inferior
Canaleta superior e inferior idénticas de plástico (dos piezas)
98
Calentador superior absorbedor radiación (aluminio negro pintado)
Espejo frente superior
Espejo posterior superior
99
Espejo lateral izquierdo superior
Espejo lateral derecho superior
Vista general del destilador solar de doble piso.-
100
Vista general del destilador solar de doble piso.-
101
A.4. Irradiación Solar en el Norte Grande
Tabla A-9. Irradiación global mensual y anual, en plano horizontal en el Norte
Grande (MJ/m2) [4]
Irradiación Global Mensual y Anual en diferentes inclinaciones y azimut
(MJ/m2) [4]
102
Continuación irradiación Global Mensual y Anual [4]
103
Continuación irradiación Global Mensual y Anual [4]
104
Fuente: referencia [4]
105
A.5. Solicitud de laboratorio para análisis de muestras
106
A.6. Calculo teórico de la tasa de transferencia de masa media del destilador
convencional
Por analogía entre el calor y transferencia de masa, la velocidad de
transferencia de masa se describió en la ecuación 8.
Los valores por tabla de las presiones de vapor son buscados y
reemplazados en la ecuación con respecto a las temperaturas internas del
destilador.
(
)
Tabla A-10. Temperaturas en horas luz al interior del destilador convencional.
Fuente: elaboración propia.
Tiempo
hr
8:01
8:11
8:21
8:31
8:41
8:51
9:01
9:11
9:21
9:31
9:41
9:51
9:54
10:04
10:14
10:24
10:34
10:44
10:54
11:04
11:14
11:24
11:34
11:44
11:54
12:04
12:14
12:18
12:28
12:38
12:48
12:58
13:08
13:18
13:28
13:38
13:48
13:58
°C
7,63
8,88
9,28
10,04
9,80
9,56
10,69
13,81
15,29
16,42
16,45
17,90
17,60
17,92
19,57
20,29
21,51
23,20
24,58
25,96
27,38
28,37
29,28
29,92
31,00
31,72
33,82
38,42
41,11
41,49
41,57
41,93
42,44
43,62
43,38
44,80
45,85
44,43
°C
11,22
11,14
11,12
11,10
11,21
11,27
11,25
11,31
11,49
11,93
12,36
13,18
13,08
14,01
15,42
16,41
17,85
19,70
21,39
23,22
25,09
27,40
29,03
30,88
32,63
33,53
35,36
44,21
43,46
44,77
45,72
46,66
47,19
48,08
48,63
49,63
50,64
50,99
kPa abs
1,0
1,1
1,2
1,3
1,2
1,2
1,3
1,6
1,8
1,9
1,9
2,1
2,0
2,1
2,3
2,4
2,6
2,8
3,1
3,4
3,7
3,9
4,1
4,2
4,5
4,7
5,3
6,8
7,8
8,0
8,0
8,2
8,4
8,9
8,8
9,5
10,0
9,3
kPa abs
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,4
1,4
1,4
1,5
1,5
1,6
1,8
1,9
2,1
2,3
2,5
2,8
3,2
3,7
4,0
4,5
4,9
5,2
5,8
9,2
8,9
9,5
9,9
10,5
10,7
11,2
11,5
12,1
12,7
13,0
107
Continuación de temperaturas
14:08
45,37
51,33
14:18
45,43
51,71
14:28
45,91
51,94
14:38
45,53
51,91
14:48
46,36
52,18
14:58
46,67
52,35
15:08
46,73
52,36
15:18
46,72
52,26
15:28
47,04
52,04
15:38
47,51
52,19
15:48
46,27
52,01
15:58
46,40
51,86
16:08
46,24
51,49
16:18
46,02
51,02
16:28
45,65
50,71
16:38
42,85
49,61
16:48
45,04
49,57
16:58
44,41
48,82
17:08
43,77
48,61
17:18
43,62
47,67
17:28
41,94
46,91
17:38
41,20
46,06
17:48
39,87
45,17
17:58
39,47
44,03
18:08
36,04
43,11
18:18
33,74
41,16
18:28
32,24
39,79
18:38
31,45
38,73
18:48
30,45
37,76
18:58
29,84
36,71
19:08
29,06
35,89
Promedio
33,27
36,09
9,8
9,8
10,1
9,8
10,3
10,5
10,5
10,5
10,6
10,9
10,3
10,3
10,3
10,1
9,9
8,6
9,6
9,3
9,0
8,9
8,2
7,9
7,3
7,2
5,9
5,2
4,8
4,6
4,3
4,2
4,0
6,2
13,2
13,4
13,6
13,6
13,8
13,9
13,9
13,8
13,6
13,8
13,6
13,6
13,3
13,0
12,8
12,1
12,1
11,6
11,6
11,0
10,6
10,2
9,7
9,1
8,7
7,9
7,3
6,9
6,6
6,2
5,9
7,7
Factores de conversión
1 kPa = 1000 Pa
1 Pa = 0,007501 mmHg
ºK = ºC + 273,15
Tabla A-11. Resultado conversiones. Fuente: Elaboración propia.
Tiempo
hr
8:01
8:11
8:21
8:31
8:41
8:51
9:01
°K
280,78
282,03
282,43
283,19
282,95
282,71
283,84
°K
284,37
284,29
284,27
284,25
284,36
284,42
284,40
mmHg
7,501
8,2511
9,0012
9,7513
9,0012
9,0012
9,7513
mmHg
9,7513
9,7513
9,7513
9,7513
9,7513
9,7513
9,7513
108
Continuación de conversiones
9:11
286,96
284,46
9:21
288,44
284,64
9:31
289,57
285,08
9:41
289,60
285,51
9:51
291,05
286,33
9:54
290,75
286,23
10:04
291,07
287,16
10:14
292,72
288,57
10:24
293,44
289,56
10:34
294,66
291,00
10:44
296,35
292,85
10:54
297,73
294,54
11:04
299,11
296,37
11:14
300,53
298,24
11:24
301,52
300,55
11:34
302,43
302,18
11:44
303,07
304,03
11:54
304,15
305,78
12:04
304,87
306,68
12:14
306,97
308,51
12:18
311,57
317,36
12:28
314,26
316,61
12:38
314,64
317,92
12:48
314,72
318,87
12:58
315,08
319,81
13:08
315,59
320,34
13:18
316,77
321,23
13:28
316,53
321,78
13:38
317,95
322,78
13:48
319,00
323,79
13:58
317,58
324,14
14:08
318,52
324,48
14:18
318,58
324,86
14:28
319,06
325,09
14:38
318,68
325,06
14:48
319,51
325,33
14:58
319,82
325,50
15:08
319,88
325,51
15:18
319,87
325,41
15:28
320,19
325,19
15:38
320,66
325,34
15:48
319,42
325,16
15:58
319,55
325,01
16:08
319,39
324,64
16:18
319,17
324,17
16:28
318,80
323,86
16:38
316,00
322,76
16:48
318,19
322,72
16:58
317,56
321,97
17:08
316,92
321,76
17:18
316,77
320,82
17:28
315,09
320,06
17:38
314,35
319,21
17:48
313,02
318,32
17:58
312,62
317,18
18:08
309,19
316,26
12,0016
13,5018
14,2519
14,2519
15,7521
15,002
15,7521
17,2523
18,0024
19,5026
21,0028
23,2531
25,5034
27,7537
29,2539
30,7541
31,5042
33,7545
35,2547
39,7553
51,0068
58,5078
60,008
60,008
61,5082
63,0084
66,7589
66,0088
71,2595
75,01
69,7593
73,5098
73,5098
75,7601
73,5098
77,2603
78,7605
78,7605
78,7605
79,5106
81,7609
77,2603
77,2603
77,2603
75,7601
74,2599
64,5086
72,0096
69,7593
67,509
66,7589
61,5082
59,2579
54,7573
54,0072
44,2559
9,7513
10,5014
10,5014
10,5014
11,2515
11,2515
12,0016
13,5018
14,2519
15,7521
17,2523
18,7525
21,0028
24,0032
27,7537
30,004
33,7545
36,7549
39,0052
43,5058
69,0092
66,7589
71,2595
74,2599
78,7605
80,2607
84,0112
86,2615
90,7621
95,2627
97,513
99,0132
100,5134
102,0136
102,0136
103,5138
104,2639
104,2639
103,5138
102,0136
103,5138
102,0136
102,0136
99,7633
97,513
96,0128
90,7621
90,7621
87,0116
87,0116
82,511
79,5106
76,5102
72,7597
68,2591
65,2587
109
Continuación conversiones
18:18
306,89
314,31
18:28
305,39
312,94
18:38
304,60
311,88
18:48
303,60
310,91
18:58
302,99
309,86
19:08
302,21
309,04
Promedio
306,42
309,24
39,0052
36,0048
34,5046
32,2543
31,5042
30,004
46,21
59,2579
54,7573
51,7569
49,5066
46,5062
44,2559
58
Reemplazando tenemos
Calculo del
⁄
[(
)
(
)
]
⁄
[
(
)
[
]
]
[
]
⁄
⁄
Finalmente calculamos
de H2O evaporada en los destiladores.
Entonces tenemos que W, se obtiene transformando el flujo volumétrico de
destilado experimental en flujo másico por la densidad del agua se obtiene lo
siguiente:
O convirtiendo la tasa de transferencia de masa teórica en flujo volumétrico
tenemos
110
Por lo tanto
o
Cabe destacar que los resultados teóricos obtenidos fueron realizados con
datos de temperatura obtenidos experimentalmente en un destilador de área de 90
cm x 60 cm (0,54 m2), por lo que los resultados teóricos deberían estar en el orden
de los resultados experimentales obtenidos.
111
REFERENCIAS
[1] BANCO MUNDIAL, «Diagnóstico de la gestión de los recursos hídricos,»
Departamento de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible Region para
América Latina y el Caribe, CHILE, 2011.
[2] RISACHER, F., ALONSO, H., SALAZAR, C. «Geoquimica De Aguas En
Cuencas Cerradas: I, II y III Regiones - Chile,» Santiago de Chile, 1999.
[3] AYALA, CABRERA Y ASOCIADOS LTDA., «Anallsis Redes Vigilancia Calidad
Aguas Terrestres Estadistica Hidroquimica Nacional. Etapa 1,» Región de
Antofagasta, 1994.
[4] COMISIÓN NACIONAL DE ENERGÍA, PROGRAMA DE LAS NACIONES
UNIDAS PARA EL DESARROLLO, GLOBAL ENVIRONMENT FACILITY,
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