DISEÑO PROTOTIPO DESTILADOR SOLAR PARA DESALINIZAR AGUA DE MAR W. Chero-Espinoza Facultad de Ingeniería Industrial, Departamento Académico de Ingeniería Industrial, Universidad Nacional de Piura Campus Universitario s/n, Urb. Miraflores, Castilla, Piura RESUMEN El presente proyecto denominado “DISEÑO PROTOTIPO DESTILADOR SOLAR PARA DESALINIZAR AGUA DE MAR”; se proyecto con el propósito de cumplimentar los siguientes objetivos: Diseñar un prototipo de destilador solar para desalinizar agua de mar que consigne las siguientes tareas: Determinar tamaño de prototipo Diseñar la geometría del prototipo Analizar y evaluar eficiencia de operación Determinar costos de producción En cuanto al planteamiento del diseño del prototipo se tiene en cuenta las diferentes formas, materiales y tamaños del destilador solar para la construcción del prototipo En cuanto al desarrollo del diseño, se analiza y se decide la mejor alternativa, considerando las especificaciones del destilador solar. Para el diseño del destilador solar se ha empleado los materiales más adecuados que permitan un producto terminado de calidad y bajo costo. En cuanto al montaje, pruebas y operación; se realizara la validación del prototipo, se realizaran pruebas de operación, evaluación de eficiencia y evaluación de costos de producción. Palabras clave: Sol, energía, destilador DESIGN PROTOTYPE SOLAR DISTILLER TO DESALINATE SEA WATER Abstract This project called "SOLAR DESIGN PROTOTYPE TO DESALINATE SEA WATER, is proposed in order to complete the following objectives: Designing a prototype solar desalination of sea water for the appropriation of the following tasks: Determine size prototype Design the prototype geometry Analyze and evaluate operating efficiency Determine production costs As for the prototype design approach takes into account the different shapes, sizes and materials for building solar prototype In developing the design, analyze and decide the best alternative, considering the specifications of the solar still. For the design of solar still has been used the most appropriate materials to enable a finished product quality and low cost. As for assembly, testing and operation, to validate the feasibility of the prototype tests were done operating efficiency assessment and evaluation of production costs. Introducción La destilación solar del agua, es una réplica del mecanismo en que la naturaleza purifica el agua, la energía del sol calienta el agua hasta su punto de evaporación. Al evaporarse, el vapor de agua purificado se eleva y se condensa en la superficie del cristal para su colección, mediante este proceso, se remueven impurezas tales, como sales y metales pesados, y a la vez, se destruyen o eliminan los microorganismos. Como producto final se obtiene agua ultra – que el agua, los destiladores solares requieren energía solar para operar. No tiene partes móviles o que se pudieran desgastar La intensidad de energía solar que cae sobre el destilador es el parámetro más importante que afecta la producción de agua del destilador solar La operación general es muy simple y requiere la orientación del destilador frente al sol de mediodía, enjuagar todos los días el destilador y agregar agua de mar para después recolectarla al final del día. Todos los destiladores son modulares se pueden conectar en serie o en paralelo Materiales y construcción de prototipo Materiales Hay tres clases de materiales que se utilizan típicamente en la construcción del destilador solar. Una propiedad que debe considerarse al seleccionar los materiales es la resistencia a la humedad. A. Material para la estructura B. Aislantes C. Material transparente D. Resistencia a la humedad A. Material para la estructura Se necesitan materiales estructurales para que el destilador solar tenga y conserve una configuración y una forma dada, y sea duradera por mucho tiempo. Muchos materiales que se comportan bien estructuralmente son demasiado densos para ser buenos aislantes. Para proporcionar las dos cosas, tanto cualidades de estabilidad estructural como de buen aislante, se necesita normalmente utilizar materiales distintos para la estructura y para el aislamiento. B. Aislamiento A fin de que el destilador solar alcance en su interior temperaturas lo suficientemente altas para evaporar, los muros y la parte inferior debe tener un buen valor de aislamiento (retención de calor). Se incluyen entre los buenos materiales aislantes: hojas de aluminio (reflector brillante), plumas (las plumas de abajo son las mejores), (lana de fibra de vidrio, lana de roca), celulosa, cascarillas de arroz, lana, paja y periódicos arrugados, tecno por. Cuando se construye un destilador solar, es importante que los materiales aislantes rodeen el interior de la cavidad por todos los lados excepto por el lado acristalado normalmente el superior. Los materiales aislantes deben ser instalados para permitir la mínima conducción de calor desde los materiales estructurales del interior de la caja hacia los materiales estructurales del exterior de la caja. Cuanta menos pérdida de calor haya en la parte inferior de la caja, más altas serán las temperaturas de cocción. C. Material transparente Finalmente una superficie del destilador solar debe ser transparente y encararse al sol para suministrar calor vía "efecto invernadero". Los materiales vidriados más comunes son el cristal y el plástico resistente a altas temperaturas como las bolsas para asar que se usan en las cocinas. Se utiliza doble vidrio, bien de cristal o de plástico para influir tanto en la ganancia como en la pérdida de calor. Dependiendo del material que se use, la transmisión - la ganancia de calor puede reducirse entre un 5/15%. Sin embargo, gracias a reducir a la mitad la pérdida de calor a través del cristal o del plástico, el resultado global del destilador se incrementa. D. Resistencia a la humedad Cuando el agua se calienta en el destilador solar, se crea una presión de vapor, conduciendo la humedad desde el interior al exterior. Hay varias maneras de que esta humedad pueda salir. Puede escapar directamente a través de los huecos y las grietas o introducirse en las paredes y la parte inferior del destilador si no hay una barrera de humedad. Si se diseña con cierres herméticos y barreras de humedad, el vapor de agua puede ser retenido dentro. En el diseño de la mayoría de destiladores solares, es importante que la mayoría de la parte interior tenga una buena barrera de vapor. Esta barrera impedirá desperfectos por agua en los materiales, tanto aislantes como estructurales, a causa de la lenta migración del vapor de agua a los muros y a la parte inferior CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO Para el presente estudio se han establecido algunas variables como alternativas, a partir de los cuales se realizaran los análisis para el diseño del sistema. Se ha considerado utilizar, cemento, hormigón, arena, fierro, vidrio, material aislante, mayólica, pegamento, manguera, frasco de vidrio. Validación del tamaño y geometría Un destilador solar debe clasificarse según el tamaño tomando en consideración los siguientes factores: El tamaño debe permitir la mayor cantidad de condensación de agua que se evapore normalmente. El destilador debe ser fijo y posicionarse con orientación a la salida y entrada del sol para aprovechar mejor la intensidad. El diseño del destilador debe construirse con materiales que no sean afectados por las sales y materiales pesados que contiene el agua del mar. Descripción del diseño Se diseñó un prototipo de destilador solar de concreto armado de 1,00 m2 de área de captación, El prototipo consta de un depósito construido de concreto armado que contiene el agua por destilar, y tiene paredes de poca altura. Una de las paredes de este recipiente (la posterior) tiene una altura mayor (0,40 m) que la otra (0,20 m), para dar la inclinación necesaria al vidrio, y permitir el deslizamiento de las gotas de agua destilada por la superficie interna del mismo, hasta la canal de recolección del agua destilada construida del mismo material, y con salida por un tubo de acero inoxidable que se acopla a una manguera unida directamente al pomo de recolección de agua destilada. Tiene además, un orificio en la parte superior de la pared posterior para la entrada de agua por destilar y uno en la parte inferior para rebozo. En la parte superior, cerrando el equipo se encuentra una cubierta de vidrio inclinada a 20º respecto a la horizontal. A continuación se muestra los planos del destilador. PLANOS DE DETALLE: PLANOS DE MONTAJE: Montaje, pruebas y operación Validación del prototipo Se realiza el análisis técnico y económico de un destilador solar de poceta construido de concreto armado. La evaluación técnica se efectúa teniendo en cuenta la productividad de agua destilada, así como las características de la misma. Para la evaluación económica se utilizó como criterio de comparación el costo de producción anual de agua destilada. En la evaluación del prototipo de destilador se utilizaron los siguientes equipos: Piranómetro NP-2 clase de precisión 2. Probeta graduada de 100 ml, precisión 1 ml. Se midió la radiación solar y la productividad horaria y diaria del destilador. También se realizaron análisis químicos al agua destilada. Monitoreo de operación Se realizó la evaluación del destilador midiendo el volumen de agua destilada de forma horaria a través del día, los resultados para un día cualquiera del período evaluado se muestran en las graficas 1, 2 y 3 Grafica 1: Volumen acumulativo de agua destilada durante el día Grafica 2: Volumen de agua destilada durante el día Grafica 3: Producción del destilador en el mes marzo 2009 Evaluación de eficiencia Como puede observarse, la productividad del equipo en días de buena radiación alcanza valores de 2390 ml, lo cual representa una productividad de 5,00 L/m2 d. Al graficar (figura 2) el volumen de agua destilada de forma horaria, se puede observar que el equipo comienza a destilar entre las 9:00 am, y las 10:00 am, y el volumen de agua destilada aumenta progresivamente alcanzando valores máximos entre las 12:00 am y 2:00 pm, donde destila aproximadamente el 62 % del destilado total. Luego, el volumen de agua destilada va disminuyendo progresivamente hasta las 5:00 pm, hora en que prácticamente termina de destilar. El comportamiento del equipo en el período evaluado se muestra en la figura 3. Como puede observarse, la productividad del equipo varía, lo cual se debe a la variación de las condiciones climáticas, pero puede apreciarse que la mayor tendencia es a obtener valores entre los 2280 2500 ml de agua destilada diariamente. Al agua destilada obtenida se le realizaron análisis químicos en el Laboratorio de la Facultad de Ingeniería Pesquera, alcanzándose los siguientes resultados: Tabla 1 Resultados de los análisis químicos realizados al agua destilada Ensayos de unidades Unidades pH Dureza total Calcio Cloruros Carbonatos Bicarbonatos Magnesio Conductividad Sólidos suspendidos totales Salinidad Unidades de pH ppm ppm ppm ppm ppm/CaCO3 ppm µS/cm ppm Sº/00 Resultados M1 M2 8,14 8,69 3260,7 -.533,57 -.17545,7-.-.-.- M3 5,13 20,75 7,19 70,19 0,0 -.2727,5 34,2 1035,0 -.-.39,4 -.- 11,0 13,23 0,28 -.- 35,00 47,0 2,0 Límites máximos permisibles ≤10,6 250 120 125 10 500-1000 125 10 500-1000 Fuente: ( Lab. Ingeniería Pesquera- UNP) M1: Agua de mar, M2: Agua de mar de proceso, M3: Agua procesada Al efectuar el análisis de las pruebas de laboratorio realizadas al agua destilada en el destilador de concreto armado, y compararla con los valores establecidos en la Resolución Suprema del Perú del 17-12-46 Agua para Análisis, se observa que la conductividad, en la mayoría de los casos se encuentra dentro de los límites establecidos, menor que 10 (μs/cm); el pH en todos los casos cumple con la norma establecida (entre 5,4 y 7), De todo lo analizado se concluye que esta agua puede ser utilizada para el consumo humano y otros usos EVALUACION DE COSTOS Presupuesto Base: Placa de 1m2*10cm. de espesor Concreto armado 175 kg/cm2 Materiales Fierro corrugado D-6mm (16 ml) Alambre para amarrar (0,20 Kg. ) Cemento (30 Kg.) Confitillo (0,0715 m3) Arena (0,0715 m3) Fierro-ángulo de 1” Vidrio 3 líneas Mayólica color negro 20*20 cm Fragua de color Pegamento sidacur Otros materiales Total materiales / m2 Mano de obra Encofrado cara vista Armado, vaciado y acabado Colocado de mayólica y otros Total / m2 Fuente: realizado por los investigadores Cantidad 1,8 varilla 0,20 Kg. 0,714 bolsa 0,0715 m3 0,0715 m3 1,2 ml 1,10 m2 2,64 m2 1,0 bolsa ¼ Kg Precio Unitario s/. 7,40 3,50 21,0 65,0 40,0 50,0 30,0 25,0 3,50 72,0 Total s/. 13,32 0,70 15,0 4,65 2,86 60,0 33,0 66,0 3,50 72,0 50,0 321,03 165,0 60,0 70,0 35,0 486,06 COSTO TOTAL DEL DESTILADOR: AREA 1,0 M2 DE AREA DE INCIDENCIA DE RADIACION SOLAR (Área Total del Modulo): At = A1 + A2 + A3 At = 1,44 + 0,96+ 0,24 = 2,64 m2 Ct = 2,64 * 486,03 = S/. 1283,12 costo total del modulo Cálculo económico: Costo uniforme equivalente anual (Cue) Cue = R + Cp R= Cuota fija anual Cp= costo de producción Donde: R = I * fr I: Capital fr = { i (1+i)n / [ (1+i)n - 1] }: Factor de recuperación del capital i= Tasa de interés n= Vida económica del proyecto Cp: Costo de producción Costo uniforme equivalente anual unitario (Cue’) Cue’= Cue/ Volumen anual de agua destilada A continuación se presenta el cálculo. Destilador de concreto armado a dos aguas Considerando una producción anual de 1825 L de agua destilada para una productividad diaria de 5,0 L/ m2d. Costo uniforme equivalente anual, (Cue) Cue = R + Cp Donde: R = I * fr I: 1283,12 fr= { i (1+i)n/[(1+i)n - 1]}: Factor de recuperación del capital i= 19.56 % = 0,1956: Tasa de interés efectiva anual n=10 años: Vida económica del proyecto Cp: costo de producción 10% de la inversión = S/. 128,312 R = 1283,12* 0,234968687 = 301,49 Cue = 301,49 +128,312= 469,802 Costo uniforme equivalente anual unitario (Cue’) Cue’= Cue/ Cantidad anual de agua destilada= Cue`= 469,802 /1825 = 0,23 S/. / L de agua destilada Cue` = 0,26 S/. / L de agua destilada Referencias bibliográficas C.M. Jensen “ Dibujo y Diseño en Ingeniería “ Mc. Graw-Hill De Lorenzo, Always Leading the Pack , Construcciones Electromecánicas Marks. “ Manual de Ingeniero Mecánico” Edit. Mc. Graw Hill 1980 . Moura Mezerra A. (1979) Desenvolvimiento de um prototipo de fogao solar desmontável destinado ao esporte de "camping". en atas do 2ª Congresso latino-americano de energía solar, Vol. ii, Universidade Federal da Paraíba, pp. 371-395, Joao Pessoa, Brasil. Nandwani S. S. (1993) design, construction and experimental study of a domestic solar oven cum drier in the climate of costa rica. en ises solar world congress, l. imre y a. bitai (editores), pp. 91-96, budapest, hungría. Marck. Seattle, Usa.Principios de diseño de la cocina solar. Solar Cookers International.Aalfs, PAGINA WEB http://www.proyectosfindecarrera.com/desalacion-agua-mar.htm http://revista.consumer.es/web/es/20040901/medioambiente/ http://revista.consumer.es/web/es/20040901/medioambiente/ http://es.wikipedia.org/wiki/Desalaci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Agua_potable http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/097/htm/sec_10. htm