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, UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA, Irradancia Solar en Territorios de la República de Chile, Santiago de Chile, 2008. [5] ABDENACER, K., NAFILA, S. «Impact of temperature difference (water-solar collector) on,» vol. 209, 2007. [6] FLENDRIG, L.M., SHAH, B.., SUBRAHMANIAM N., RAMAKRISHNAN, V. «Low cost thermoformed solar still water purifier for D&E countries,» Physics and Chemistry of the Earth, vol. 34, pp. 50-54, 2009. [7] AL-HINAI, H., AL-NASSRI, MS., JUBRAN, B.A. «Parametric investigation of a double-effect solar still in comparison with a single-effect solar still,» vol. 150, 2002. [8] ISMAIL, B. I., «Design and performance of a transportable hemispherical solar still,» vol. 34, 2009. [9] DWIVEDI, V.K. , TIWAR, G.N. «Experimental validation of thermal model of a double slope active solar still under natural circulation mode,» Desalination, vol. 250, pp. 49-55, 2010. [10] KALIDASA MURUGAVEL, K., CHOCKALINGAM, KN.K.S.K,. SRITHAR, K.«Progresses in improving the effectiveness of the single basin passive solar still,» vol. 220, 2008. 112 [11] HANSON, A., ZACHRITZ, W., STEVENS, K., MIMBELA, L.«Distillate water quality of a single-basin solar still: laboratory and field studies,» Solar Energy 76, pp. 635-645, 2004. [12] LEHNINGER, Bioquímica, Barcelona: Ediciones Omega S.A., 1991. [13] JAMIESON, D.«Experimental Methods for the Determination of the Properties of Saline Water,» Measurements and Control in Water Desalination, pp. 219240, 1986. [14] CAMPOY, J.A.«¿ES MEJOR BEBER AGUA DESTILADA QUE AGUA MINERAL?,» DSalud 97, 2007. [15] U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, «NREL,» 14 Diciembre 2012. [En línea]. Available: http://www.nrel.gov/solar_radiation/data.html. [16] DUFFIE, J., BECKMAN W., «Available solar radiation,» de Solar Engineering of Thermal Processes, Madison, Wisconsin, John Wiley & Sons, INC, 1980, pp. 3-147. [17] INTERNATIONAL SOLAR ENERGY SOCIETY, «The American Solar Energy Society,» 19 Diciembre 2012. [En línea]. Available: http://www.ases.org/. [18] BUROS O.K., The ABCs of Desalting, Topsfield, Massachusetts, USA: International Desalination Association, 2000. [19] AGUA.ORG.MX, «Centro Virtual de información del agua,» 01 Junio 2013. [En línea]. Available: http://www.agua.org.mx. [Último acceso: Mayo 2012]. [20] KALOGIROU, S.«Survey of Solar Desalination Systems and System Selection,» Energy Nº 22, pp. 69-81, 1997. [21] MICROSOFT, «Zona Ingeniería,» Junio 2013. [En línea]. Available: http://www.entradas.zonaingenieria.com/2009/05/11-el-agua-en-lanaturaleza.html. [Último acceso: Junio 2012]. [22] AKILI D., KUTUBKHANAH, K., WIE J., «Advances in seawater desalination technologies,» Desalination 221, pp. 47 - 69, 2008. [23] KUMAR, G.T. «Estimation of internal heat transfer coefficients of a hybrid (PV/T) active solar still,» Solar Energy, vol. 83, p. 1656–1667, 2009. 113 [24] BLOEMER, J.W., IRWIN, J.R., EIBLING, J.A., LOF, G.O.G., «A practical basin type solar still,» J. Solar Energy 9, p. 197, 1965. [25] CLARK, J.«The steady-state performance of a solar still.,» J. Solar Energy 44, p. 43, 1990. [26] DELYANNIS, E. «Recent solar distillation development,» Desalination 45, p. 361, 1983. [27] TIWARI, G.N., MUKHERJEE, KUMAR A., YADAV, Y.P.«Comparison of various designs of solar stills,» Desalintation 60, p. 191, 1986. [28] YADAV, Y.P., TIWARI, G.N. «Monthly comparative performance of solar stills of various designs,» Desalination, p. 565, 1987. [29] KUDISH, A. «A low cost design solar desalination unit,» J. Energy Convers. Manag. 22, p. 269, 1982. [30] TIWARI, G.N., KUPFERMANN, A., AGRAWAL, S.«A new design of double condensing chamber solar still,» Desalination 114, p. 153, 1997. [31] BARRERA, E.«Double effect spherical solar still.,» J. Sun World 1, p. 17, 1993. [32] FRANCO, J., SARAVIA, L. «A new design for a passive atmospheric multistage still,» J. Renewable Energy 4, p. 119, 1994. [33] ADHIKARI, R.S., KUMAR, A., SODHA, G.D. «Simulation studies on a multistage stacked tray solar still.,» J. Solar Energy 54, p. 317, 1995. [34] FATH, H. «Improvement of basin solar still productivity by purging its vapor to a second effect still.,» Desalination 107, p. 223, 1996. [35] TANAKA, H., NOSOKO, T., NAGATA, T.«A highly productive basin-typemultiple-effect coupled solar still,» Deslination 130, p. 279, 2000a. [36] TANAKA, H., NOSOKO, T., NAGATA, T.«Parametric investigation of a basintype-multiple-effect coupled solar still,» Desalination 130 , p. 295, 2000b. [37] COFFEY, J. «Vertical solar distillation: technical note.,» J. Solar Energy 17,, p. 375, 1975. 114 [38] KIATSIRIROAT, T., BHATTACHARYA, S.C., WIBULSWAS, P.«Transient simulation of vertical solar still.,» J. Energy Convers. Manag. 27, p. 247, 1987. [39] TLEIMAT, B.W., HOWE. E.D.«Comparison of plastic and glass condensing covers for solar distillers.,» de Proceedings of Solar Energy Society, Arizona, 1967. [40] FRICK, G., SOMMERFELD, J.VON. «Solar stills of inclined evaporating cloth,» J. Solar Energy 14, p. 427, 1973. [41] SODHA, M.S., KUMAR, A., TIWARI, G.N., TYAGI, R.C.«Simple multiple-wick solar still: analysis and performance.,» J. Solar Energy 26, p. 127, 1981. [42] TIWARI, G. «Demonstration plant of multi-wick Solar still,» J. Energy Convers. Manag. 24, p. 313, 1984. [43] RAI, S.N., TIWARI, G.N.«Single basin solar still coupled with flat plate collector.,» J. Energy Convers. Manag. 23, p. 145, 1982. [44] FERNANDEZ, J., CHARGOY, N.«Multistage, indirectly heated solar still.,» J. Solar Energy 44, p. 215, 1990. [45] LAWRENCE, S.A., TIWARI, G.N.«Theoretical evaluation of solar distillation under natural circulation with heat exchanger,» J. Energy Convers. Manag. 30, p. 205, 1990. [46] ZAKI, G.M., AL-TURKI, A., AI-FATANI, M.«Experimental investigation on concentrator assisted solar stills.,» J. Solar Energy 11, p. 193, 1992. [47] KUDISH, A.I., EVSEEVA, E.G., WALTER GERD, THOMAS, P. «Simulation study on a solar desalination system utilizing an evaporator/condenser chamber,» J. Energy Convers. Manag., pp. 1653-1670, 2002. [48] TLEIMAT, B.W., HOWE, E.D.«Nocturnal production of solar distiller,» J. Solar Energy 10, p. 61, 1966. [49] SAMPATHKUMAR, K., ARJUNAN, T.V., PITCHANDI, P., SENTHILKUMAR, P.«Active solar distillation—A detailed review,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, pp. 1503-1526, 2010. [50] CHABI, M.«An Overview of Solar Desalination for Domestic and agriculture,» Desalination 127, pp. 119-133, 2000. 115 [51] HOWE, E.D., TLIEMAT, B.W.«Fundamentals of water desalination. In: Sayigh A.A.M.,» Solar Energy Engineering. Academic Press, pp. 431-464, 1977. [52] ELKADER, M.ABD.«An Investigation of the Parameters Involved in Simple Solar,» Renewable Energy 14, pp. 333-338, 1998. [53] MINASIAN, A., AL-KARAGHOULI, A., HABEEB, S.K. «Utilization of a Cylindrical,» Energy Conversion and Management 38, pp. 701-704, 1997. [54] CAPELLETTI, G. «An Experiment with a Plastic Solar Stil,» Desalination 142, pp. 221-227, 2002. [55] TÕRÕS, Ç.Experimental Studies on Selective Coated Flat Plate Collectors Integrated, İzmir: Ege University, 1996. [56] KUMAR, S., TIWARI, G.N., SINGH, H.N. «Annual Performance of an Active Solar,» Desalination 127, pp. 79-88, 2000. [57] HARMIM, M. BOUKAR AND A.«Effect of Climatic Conditions on Performance of a Simple Basin Solar Still,» Desalination 137, pp. 15-22, 2001. [58] VALSARAJ, P. «An Experimental Study on Solar Distillation in a Single Basin Still by Surface Heating the Water Mass,» Renewable Energy 25, pp. 607-612, 2002. [59] GHONEYEM, A.«Experimental Study on the Effects of the Cover and Numerical Prediction of a Solar Still Output,» M.S. Thesis, METU, Ankara, 1995. [60] NAFEY, A., ABDELKADER, M., ABDELMOTALIP, A., MABROUK, A.«Parameters Affecting Solar Still Productivity,» Energy Conversion and Management. 41, 1797-1809, 2000. [61] ANIL, KR., TIWARI, G.N. «Effect of water depths on heat and mass transfer in a passive solar still: in summer climatic condition,» Desalination , vol. 195, pp. 78-94, 2006. [62] DUNKLE, R. «Solar water distillation: the roof type,» de 5th Int. Conf. of Development in Heat Transfer, UNV, Colorado, 1961. [63] SARTORI, E.«Solar still vs. evaporator: A comparative study between their thermal behaviors,,» Solar Energy 56, pp. 199-206, 1996. 116 [64] BADRAN, D., AL-TAHAINEH, H. «The effect of coupling a flat-plate collector on the solar still Productivity,» Desalination 183, pp. 137-142, 2005. [65] BOUBEKRI M., CHAKER A.«Performance of an Active Solar Still,» in progress of review, 2011. [66] DUFFIE, J., BECKMAN, W.«Solar engineering of thermal processes,» vol. 2, 1997. [67] RADWAN, S.M. , HASSANAIN, A.A., ABU-ZEID, M.A..«Single slope solar still for sea water distillation,» World Applied Sciences Journal, vol. 7, nº 4, pp. 485-497, 2009. [68] INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P. «Introduction to heat transfer,» de Introduction to heat transfer, Wiley, 2nd ed., 1990. [69] ABOUL-ENEIN, S., EL-SEBAII, A.A., EL-BIALY, E. «Investigation of a singlebasin solar still with deep basins,» vol. 14, 1998. [70] GHONEYEM, A., ILLERI, A. «Software to analyze solar stills and an experimental study on the effects of the cover,» vol. 114, 1997. [71] ROOS, J. KARLSSON AND A. «Modelling the angular behavior of the total solar energy transmittance of windows,» vol. 69, 2000. [72] TIWARI, G.N., THOMAS, J.M., KHAN, E. «Optimisation of glass cover inclination for maximum yield in a solar still,» vol. 14, 1994. [73] TIWARI, A.K., TIWARI, G.N. «Effect of water depths on heat and mass transfer in a passive solar still: in summer climatic condition,» vol. 195, 2006. [74] RAHIM, N. «Utilisation of new technique to,» vol. 138, 2001. [75] ABU-ARABI, H. YOUSEF AND MOUSA «Modelling and performance analysis of a regenerative solar desalination unit,» vol. 24, 2004. [76] EL-SEBAII, A.A. «Effect of wind speed on some designs of solar stills,» vol. 41, 2000. [77] SINGW, A.K., TIWARI, G.N., SHARMA, P.B., KHAN, E.«Optimization of orientation for higher yield of solar still for a given location,» vol. 69, 1995. 117 [78] HOWE, E.D., TLEIMAT, B.W.«Twenty years of work on solar distillation at the University of California.,» J. Solar Energy, p. 16, 1974. [79] KUDISH, A.I., GALE, J. «Solar desalination in conjunction with controlled environment agriculture in arid zone.,» J. Energy Convers. Manag., p. 201, 1986. [80] DELYANNIS, E.E., DELYANNIS, A.«Economics of solar stills.,» Desalination, p. 167, 1985. [81] TIWARI, G.N., YADAV, Y.P. «Economic analysis of largescale solar distillation plant,» J. Energy Convers. Manag, p. 423, 1985. [82] MUKHERJEE, K., TIWARI, G.N.«Economic analysis of various designs of conventional solar stills.,» J. Energy Convers. Manag, p. 155, 1986. [83] ZEIN, M., AL-DALLAL. A. «Solar desalination correlation with meteorological parameters.,» de In: IInd Arab International, 1984. 118