DISEÑO PROTOTIPO DESTILADOR SOLAR PARA DESALINIZAR

DISEÑO PROTOTIPO DESTILADOR SOLAR PARA DESALINIZAR AGUA DE MAR
W. Chero-Espinoza
Facultad de Ingeniería Industrial, Departamento Académico de Ingeniería Industrial, Universidad Nacional de Piura
Campus Universitario s/n, Urb. Miraflores, Castilla, Piura
RESUMEN
El presente proyecto denominado “DISEÑO PROTOTIPO DESTILADOR SOLAR
PARA DESALINIZAR AGUA DE MAR”; se proyecto con el propósito de
cumplimentar los siguientes objetivos:
Diseñar un prototipo de destilador solar para desalinizar agua de mar que consigne las
siguientes tareas:
 Determinar tamaño de prototipo
 Diseñar la geometría del prototipo
 Analizar y evaluar eficiencia de operación
 Determinar costos de producción
En cuanto al planteamiento del diseño del prototipo se tiene en cuenta las diferentes
formas, materiales y tamaños del destilador solar para la construcción del prototipo
En cuanto al desarrollo del diseño, se analiza y se decide
la mejor alternativa,
considerando las especificaciones del destilador solar. Para el diseño del destilador
solar se ha empleado los materiales más adecuados que permitan un producto terminado
de calidad y bajo costo.
En cuanto al montaje, pruebas y operación; se realizara la validación del prototipo, se
realizaran pruebas de operación, evaluación de eficiencia y evaluación de costos de
producción.
Palabras clave: Sol, energía, destilador
DESIGN PROTOTYPE SOLAR DISTILLER TO DESALINATE SEA WATER
Abstract
This project called "SOLAR DESIGN PROTOTYPE TO DESALINATE SEA
WATER,
is
proposed
in
order
to
complete
the
following
objectives:
Designing a prototype solar desalination of sea water for the appropriation of the
following tasks:
 Determine size prototype
 Design the prototype geometry
 Analyze and evaluate operating efficiency
 Determine production costs
As for the prototype design approach takes into account the different shapes, sizes and
materials for building solar prototype
In developing the design, analyze and decide the best alternative, considering the
specifications of the solar still. For the design of solar still has been used the most
appropriate materials to enable a finished product quality and low cost.
As for assembly, testing and operation, to validate the feasibility of the prototype tests
were done operating efficiency assessment and evaluation of production costs.
Introducción
La destilación solar del agua, es una réplica del mecanismo en que la naturaleza purifica
el agua, la energía
del sol calienta el agua hasta su punto de evaporación. Al
evaporarse, el vapor de agua purificado se eleva y se condensa en la superficie del
cristal para su colección, mediante este proceso, se remueven impurezas tales, como
sales y metales pesados, y a la vez, se destruyen o eliminan los microorganismos.
Como producto final se obtiene agua ultra – que el agua, los destiladores solares
requieren energía solar para operar. No tiene partes móviles o que se pudieran desgastar
La intensidad de energía solar que cae sobre el destilador es el parámetro más
importante que afecta la producción de agua del destilador solar
La operación general es muy simple y requiere la orientación del destilador frente al sol
de mediodía, enjuagar todos los días el destilador y agregar agua de mar para después
recolectarla al final del día. Todos los destiladores son modulares se pueden conectar en
serie o en paralelo
Materiales y construcción de prototipo
Materiales
Hay tres clases de materiales que se utilizan típicamente en la construcción del
destilador solar. Una propiedad que debe considerarse al seleccionar los materiales es la
resistencia a la humedad.
A. Material para la estructura
B. Aislantes
C. Material transparente
D. Resistencia a la humedad
A. Material para la estructura
Se necesitan materiales estructurales para que el destilador solar tenga y
conserve una configuración y una forma dada, y sea duradera por mucho tiempo.
Muchos materiales que se comportan bien estructuralmente son demasiado
densos para ser buenos aislantes. Para proporcionar las dos cosas, tanto
cualidades de estabilidad estructural como de buen aislante, se necesita
normalmente utilizar materiales distintos para la estructura y para el aislamiento.
B. Aislamiento
A fin de que el destilador solar alcance en su interior temperaturas lo
suficientemente altas para evaporar, los muros y la parte inferior debe tener un
buen valor de aislamiento (retención de calor). Se incluyen entre los buenos
materiales aislantes: hojas de aluminio (reflector brillante), plumas (las plumas
de abajo son las mejores), (lana de fibra de vidrio, lana de roca), celulosa,
cascarillas de arroz, lana, paja y periódicos arrugados, tecno por.
Cuando se construye un destilador solar, es importante que los materiales
aislantes rodeen el interior de la cavidad por todos los lados excepto por el lado
acristalado normalmente el superior. Los materiales aislantes deben ser
instalados para permitir la mínima conducción de calor desde los materiales
estructurales del interior de la caja hacia los materiales estructurales del exterior
de la caja. Cuanta menos pérdida de calor haya en la parte inferior de la caja,
más altas serán las temperaturas de cocción.
C. Material transparente
Finalmente una superficie del destilador solar debe ser transparente y
encararse al sol para suministrar calor vía "efecto invernadero". Los
materiales vidriados más comunes son el cristal y el plástico resistente a
altas temperaturas como las bolsas para asar que se usan en las cocinas. Se
utiliza doble vidrio, bien de cristal o de plástico para influir tanto en la
ganancia como en la pérdida de calor. Dependiendo del material que se use,
la transmisión - la ganancia de calor puede reducirse entre un 5/15%.
Sin embargo, gracias a reducir a la mitad la pérdida de calor a través del
cristal o del plástico, el resultado global del destilador se incrementa.
D. Resistencia a la humedad
Cuando el agua se calienta en el destilador solar, se crea una presión de vapor,
conduciendo la humedad desde el interior al exterior. Hay varias maneras de que
esta humedad pueda salir. Puede escapar directamente a través de los huecos y las
grietas o introducirse en las paredes y la parte inferior del destilador si no hay una
barrera de humedad. Si se diseña con cierres herméticos y barreras de humedad, el
vapor de agua puede ser retenido dentro.
En el diseño de la mayoría de
destiladores solares, es importante que la mayoría de la parte interior tenga una
buena barrera de vapor. Esta barrera impedirá desperfectos por agua en los
materiales, tanto aislantes como estructurales, a causa de la lenta migración del
vapor de agua a los muros y a la parte inferior
CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO
Para el presente estudio se han establecido algunas variables como alternativas, a
partir de los cuales se realizaran los análisis para el diseño del sistema.
Se ha considerado utilizar, cemento, hormigón, arena, fierro, vidrio, material
aislante, mayólica, pegamento, manguera, frasco de vidrio.
Validación del tamaño y geometría
Un destilador
solar debe clasificarse según el tamaño tomando en
consideración los siguientes factores:
 El
tamaño
debe
permitir
la mayor
cantidad
de
condensación de agua que se evapore normalmente.
 El destilador debe ser fijo y posicionarse con orientación a
la salida y entrada del sol para aprovechar mejor la
intensidad.
 El diseño del destilador debe construirse con materiales
que no sean afectados por las sales y materiales pesados
que contiene el agua del mar.
Descripción del diseño
Se diseñó un prototipo de destilador solar de concreto armado de 1,00 m2 de
área de captación, El prototipo consta de un depósito construido de concreto
armado que contiene el agua por destilar, y tiene paredes de poca altura.
Una de las paredes de este recipiente (la posterior) tiene una altura mayor
(0,40 m) que la otra (0,20 m), para dar la inclinación necesaria al vidrio, y
permitir el deslizamiento de las gotas de agua destilada por la superficie
interna del mismo, hasta la canal de recolección del agua destilada
construida del mismo material, y con salida por un tubo de acero inoxidable
que se acopla a una manguera unida directamente al pomo de recolección de
agua destilada. Tiene además, un orificio en la parte superior de la pared
posterior para la entrada de agua por destilar y uno en la parte inferior para
rebozo. En la parte superior, cerrando el equipo se encuentra una cubierta de
vidrio inclinada a 20º respecto a la horizontal. A continuación se muestra los
planos del destilador.
PLANOS DE DETALLE:
PLANOS DE MONTAJE:
Montaje, pruebas y operación
Validación del prototipo
Se realiza el análisis técnico y económico de un destilador solar de poceta
construido de concreto armado. La evaluación técnica se efectúa teniendo en
cuenta la productividad de agua destilada, así como las características de la
misma. Para la evaluación económica se utilizó como criterio de comparación el
costo de producción anual de agua destilada. En la evaluación del prototipo de
destilador se utilizaron los siguientes equipos:
 Piranómetro NP-2 clase de precisión 2.
 Probeta graduada de 100 ml, precisión 1 ml.
Se midió la radiación solar y la productividad horaria y diaria del destilador.
También se realizaron análisis químicos al agua destilada.
Monitoreo de operación
Se realizó la evaluación del destilador midiendo el volumen de agua destilada de
forma horaria a través del día, los resultados para un día cualquiera del período
evaluado se muestran en las graficas 1, 2 y 3
Grafica 1: Volumen acumulativo de agua destilada durante el día
Grafica 2: Volumen de agua destilada durante el día
Grafica 3: Producción del destilador en el mes marzo 2009
Evaluación de eficiencia
Como puede observarse, la productividad del equipo en días de buena
radiación alcanza valores de 2390 ml, lo cual representa una
productividad de 5,00 L/m2 d.
Al graficar (figura 2) el volumen de agua destilada de forma horaria, se
puede observar que el equipo comienza a destilar entre las 9:00 am, y las
10:00 am, y el volumen de agua destilada aumenta progresivamente
alcanzando valores máximos entre las 12:00 am y 2:00 pm, donde destila
aproximadamente el 62 % del destilado total. Luego, el volumen de agua
destilada va disminuyendo progresivamente hasta las 5:00 pm, hora en
que prácticamente termina de destilar.
El comportamiento del equipo en el período evaluado se muestra en la
figura 3. Como puede observarse, la productividad del equipo varía, lo
cual se debe a la variación de las condiciones climáticas, pero puede
apreciarse que la mayor tendencia es a obtener valores entre los 2280 2500 ml de agua destilada diariamente.
Al agua destilada obtenida se le realizaron análisis químicos en el
Laboratorio de la Facultad de Ingeniería Pesquera, alcanzándose los
siguientes resultados:
Tabla 1
Resultados de los análisis químicos realizados al agua destilada
Ensayos de unidades Unidades
pH
Dureza total
Calcio
Cloruros
Carbonatos
Bicarbonatos
Magnesio
Conductividad
Sólidos suspendidos
totales
Salinidad
Unidades de pH
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm/CaCO3
ppm
µS/cm
ppm
Sº/00
Resultados
M1
M2
8,14 8,69
3260,7 -.533,57 -.17545,7-.-.-.-
M3
5,13
20,75
7,19
70,19
0,0
-.2727,5
34,2
1035,0
-.-.39,4
-.-
11,0
13,23
0,28
-.-
35,00
47,0
2,0
Límites máximos
permisibles
≤10,6
250
120
125
10
500-1000
125
10
500-1000
Fuente: ( Lab. Ingeniería Pesquera- UNP)
M1: Agua de mar, M2: Agua de mar de proceso, M3: Agua procesada
Al efectuar el análisis de las pruebas de laboratorio realizadas al agua destilada
en el destilador de concreto armado, y compararla con los valores establecidos
en la Resolución Suprema del Perú del 17-12-46 Agua para Análisis, se
observa que la conductividad, en la mayoría de los casos se encuentra dentro de
los límites establecidos, menor que 10 (μs/cm); el pH en todos los casos cumple
con la norma establecida (entre 5,4 y 7),
De todo lo analizado se concluye que esta agua puede ser utilizada para el
consumo humano y otros usos
EVALUACION DE COSTOS
Presupuesto
Base: Placa de 1m2*10cm. de espesor
Concreto armado 175 kg/cm2
Materiales
Fierro corrugado D-6mm (16 ml)
Alambre para amarrar (0,20 Kg. )
Cemento (30 Kg.)
Confitillo (0,0715 m3)
Arena (0,0715 m3)
Fierro-ángulo de 1”
Vidrio 3 líneas
Mayólica color negro 20*20 cm
Fragua de color
Pegamento sidacur
Otros materiales
Total materiales / m2
Mano de obra
Encofrado cara vista
Armado, vaciado y acabado
Colocado de mayólica y otros
Total / m2
Fuente: realizado por los investigadores
Cantidad
1,8 varilla
0,20 Kg.
0,714 bolsa
0,0715 m3
0,0715 m3
1,2 ml
1,10 m2
2,64 m2
1,0 bolsa
¼ Kg
Precio Unitario s/.
7,40
3,50
21,0
65,0
40,0
50,0
30,0
25,0
3,50
72,0
Total s/.
13,32
0,70
15,0
4,65
2,86
60,0
33,0
66,0
3,50
72,0
50,0
321,03
165,0
60,0
70,0
35,0
486,06
COSTO TOTAL DEL DESTILADOR: AREA 1,0 M2 DE AREA DE
INCIDENCIA DE RADIACION SOLAR
(Área Total del Modulo):
At = A1 + A2 + A3
At = 1,44 + 0,96+ 0,24 = 2,64 m2
Ct = 2,64 * 486,03 = S/. 1283,12 costo total del modulo
Cálculo económico:
Costo uniforme equivalente anual (Cue)
Cue = R + Cp
R= Cuota fija anual
Cp= costo de producción
Donde:
R = I * fr
I: Capital
fr = { i (1+i)n / [ (1+i)n - 1] }: Factor de recuperación del capital
i= Tasa de interés
n= Vida económica del proyecto
Cp: Costo de producción
Costo uniforme equivalente anual unitario (Cue’)
Cue’= Cue/ Volumen anual de agua destilada
A continuación se presenta el cálculo.
Destilador de concreto armado a dos aguas
Considerando una producción anual de 1825 L de agua destilada para una
productividad diaria de 5,0 L/ m2d.
Costo uniforme equivalente anual, (Cue)
Cue = R + Cp
Donde:
R = I * fr
I: 1283,12
fr= { i (1+i)n/[(1+i)n - 1]}: Factor de recuperación del capital
i= 19.56 % = 0,1956: Tasa de interés efectiva anual
n=10 años: Vida económica del proyecto
Cp: costo de producción 10% de la inversión = S/. 128,312
R = 1283,12* 0,234968687 = 301,49
Cue = 301,49 +128,312= 469,802
Costo uniforme equivalente anual unitario (Cue’)
Cue’= Cue/ Cantidad anual de agua destilada=
Cue`= 469,802 /1825 = 0,23 S/. / L de agua destilada
Cue` = 0,26 S/. / L de agua destilada
Referencias bibliográficas
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De Lorenzo, Always Leading the Pack , Construcciones Electromecánicas
Marks. “ Manual de Ingeniero Mecánico” Edit. Mc. Graw Hill 1980 .
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http://es.wikipedia.org/wiki/Desalaci%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Agua_potable
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/097/htm/sec_10.
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