SEMINARIO DE PROYECTOS

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INGENIERIA EN ENERGIA

DISEÑO Y CONSTRUCCION DEUN DESTILADOR SOLARMULTIPLE EFECTO PARA TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

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Casa abierta al tiempo

Alumno:EugenioTorijanoNavarro

INDICE l . INTRODUCCION

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2. JUSTIFICACION TEORICA 2.l. Antecedentesde la Destilaciiin Solar 2.2 . Descripción del Destilador Solar Tipo Caseta 2.2. l. Principios Teiiricos del Destilador Solar Tipo Caseta 2.3. DescripcióndelDestiladorSolarMúltiple Efecto 2.3. l . Principios Te6ricos del Destilador Solar Múltiple Efecto 2.4. Tecnologías Comparativas para Tratamiento de Aguas Residuales 2.5. Efecto Bactericida de la Radiación Solar

3 3

11 14

3. DESARROLLOEXPERIMENTAL 3. l . DiseñodelPrototipo 3.2. MetodologiadeExperimentación 3.2. l . Temperaturas 3.2.2. RadiaciónGlobal 3.2.3. Volumen de Agua Destilada

15 15 18 18 19 19

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4. CONCLUSIONES

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5. BIBLIOGRAFIA

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INGEXIERIA EN ENERGXA

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1 INTRODUCCI~N

El desarrollo industrial ha estado intrínsecamente ligado al nivel económico de la sociedad, porque se considera que una sociedad con un alto desarrollo industrial tiene un mejor nivel de vida (mayor número de satisfactores y comodidades). Esta situación ha producido que se intensifique la actividad industrial en todo el mundo tratando de alcanzar un estatus de sociedadesindustrializadas. Este crecimiento a gran escala ha provocado grandes problemas de contaminación porque en aras del desarrollo y la permanencia dentro de la competencia económica nosehantomado precauciones con losdesechosde las industrias. El problema se intensifica porque lagran complejidad de los procesos industriales actuales genera contaminantes tóxicos que lanaturaleza no es capaz de degradar y en el caso de poderse, la cantidad de contaminantes producidos es superior a los que la naturaleza puede degradar. Durante las décadas de los años50's y 60's ante la magnitud de los graves daños causados al medioambiente surgen los primeros esfuerzos para evitar quelos problemas ecológicos siguieran creciendo y fueran todavía peores. Uno de los problemas de contaminación mas complejo es el de las descargas de aguas industriales, que por la gran diversidad de suscontaminantes y sus efectos colaterales, provocan que los medios para su tratamiento sean tan complejos como los procesos industriales que los generan y en algunos casos todavía insuficientes para reducir la concentración de contaminantes a las que exigen las normas en la actualidad. Si a esta situación sele agrega el hecho de que solo una pequeña fracción de la industria cuenta con sistemas de tratamiento para aguas residuales, principalmente la pequeña y mediana industria nocuentan con ningún sistema por la gran inversión que este representa, nosencontramos dentro de un problema que puede tener consecuencias insospechadas. Por otro lado, desde el siglo pasado y con mayor intensidad en la segunda mitad de este siglo se ha intensificado la investigación para el uso de la energía solar en la purificación de agua para consumohumano, principalmente de mar, esto se lleva a cabo por medio de un proceso de destilación que aprovecha la energía proveniente del sol transformándola en el calor necesario para la evaporación del agua salobre. Analizando los mecanismos que gobiernan este proceso de separación y los resultados que se han obtenido en cuanto a la capacidad de remoción de las diferentes 1

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sustancias que se encuentran en solución, se plantea como una alternativa para el tratamiento de las descargas contaminantes el uso de esta tecnología que es capaz de remover sales minerales, metales pesados y compuestos orgánicos no volátilescon gran eficiencia y un manejo relativamente sencillo. Para aumentar el volumen de agua tratada por unidad de superficie expuesta a la radiación solar se propone el uso de destiladores de varios efectos(en este caso tres) los cuales se fundamentan en aprovechar el calor latente de la condensación para calentar el agua del siguiente efecto. En este trabajose presenta un diseño hecho especialmente para trabajar con aguas industriales que permite la concentración de los desechos para reducir a un mínimo el volumen, simplificando su manejo para la disposición final o su destrucción. En el trabajo se presenta una justificación teórica en la cual se describen los procesos térmicos que tienen lugar en el destilador, tanto en el de un solo efecto como en los multiefectos, así como una comparación con otras tecnologías de tratamiento de aguas residuales; esto es con el fin de argumentar la construcción del prototipo. En el desarrollo experimental se describe el diseño y la construcción del destilador y a continuaciónla metodología dela experimentación y las variables medidas para su caracterización y los resultados obtenidos. Por último se muestran las conclusiones y se plantean los pasos a seguir para continuar el desarrollo y futura aplicación a gran escala de estos sistemas.

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2 JUSTIFICACI~NTEÓRICA 2.1 ANTECEDENTES DE LA DESTILACI~NSOLAR El interés de la humanidad por el Sol es tan antiguo como el hombre mismo, sin embargo, elempleodeenergía solar en procesos térmicos esmucho más reciente. Aunque hay indicios de que el efecto invernadero era ya conocido por los antiguos egipcios, y de que también utilizaban el calor del Sol para mover fluidos como el aire (ref l), las aplicaciones de la energía solar a procesos de destilación de agua de mar son relativamente recientes, pues datan del siglo pasado, según reporta Talbert (ref 2). El llamado periodo moderno de la energía solar aplicada a la destilación empezó en 1872, cuando el ingeniero sueco Carlos Wilson instaló un gran destilador de caseta en Las Salinas, en el desierto del norte de Chile, una de las regiones más asoleadas de la Tierra. Esta instalación, que por lo visto contaba con 4 700 m2 de área efectiva de captación de energía solar, dio servicio durante muchos años a una comunidad minera que extraía nitratos en el sitio, según Harding (ref 3). El aparato constaba de varias hileras de destiladores, de 1.41 m de ancho por 61 m de largo, fabricados sobre bases y bastidores de madera. En é1 se utilizaron tintes orgánicos de madera y alumbre para ennegrecer la superficie absorbedora y protegerla de la corrosión. Dado que usaba agua salobre con 140 O00 ppm de sólidos totales, el arreglo hidráulico para el purgado oportuno de la salmuera era de primordial importancia. Durante la Segunda Guerra Mundial resurgió el interés en esta técnica, tanto por las posibles aplicaciones de apoyo a las campañas militares como porque en esa época una fuerte sequía azotabaa diversas regiones del mundo. Hacia el año de 1950,las experiencias acumuladas en la destilación solar de agua de mar auspiciaban un gran dinamismo en las investigaciones por venir. En 1952 la Universidad de California decidió que la energía solar debería ser estudiada cada vez con mas intensidad. Esta decisión seapoyó en estudiosque demostraban que los sistemas de destilación de etapas múltiples movidos por diesel, ya en boga desde entonces, requerían fuertes cantidades de energía convencional. En Richmond (California) la Dra. Telkes y su grupo diseñaron, analizaron y evaluaron varias posibles configuraciones de destiladores solares, siempre con el fin de aumentar la eficiencia y disminuir el monto de la inversión inicial en equipos. Se acentuó además el interés por complementar los destiladores solares con calor industrial de desecho. Sin embargo, para 1960, ya eraclaroquela estructura económica del panorama energético de entonces implicaba que el tradicional destilador solar de caseta, en cualquiera de sus 3

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formas, no podría competir económicamente con los ventajosos destiladores de energía convencional (ref 4). Así, desdeesos años, las investigaciones relacionadas con destilación solar hansidocadavez menos intensas, casi siempre con énfasis en el abastecimiento deagua potable para áreas residenciales remotas y para pequeñas comunidades rurales. Hacia 1960 una instalación, en Patmos (Grecia), llegó a producir hasta 40 m3 de agua al día, conalgo así como 8 600 m2 de área de captación, en casetas, por lo que era posiblemente la mas grande del mundo en su tipo (ref 5). En todo caso, hacia principios deladécada de los setentas era claroque, para producir agua en cantidades relevantes, esto es, del orden de los 4 O00 m3/día y mayores, varios métodos eran mas económicos que el solar. La mayor parte de las investigaciones del mundo en este tema se suspendieron a más tardar en 1970 (ref 6). El Único país industrializado que continuó las investigaciones con este fin fue Australia. Se hicieron notables avances tanto en la comprensión fundamental de los procesos fisicos presentes enla destilación solar como en la conceptualización y análisis de ingeniosos y novedosos diseños. A la fecha, el programa australiano sigue dedicado a la solución de la carencia de agua en regiones áridas de ese país, mediante dispositivos de pequeña y mediana escala (ref 7). En algunos países concarencia de agua se han realizado algunas experiencias, sin un programa consistente de desarrollo, utilizando tecnología importada. Un ejemplo es la planta de Abu Dhabi, que surte 80 m3/día promedio, instalada con asesoría y tecnología japonesas, esta planta opera bajo el principio de destilación indirecta (un banco de captadores solares proporciona la energía, y la destilación ocurre en un dispositivo separado) en etapas múltiples con el propósito de reusar el calor solar (ref 4).

En México la destilación solar se ha desarrollado en proyectos de investigación de instituciones educativas y de forma aislada en algunos proyectos para proveer agua potable a comunidades costeras aplicando destilación indirecta (ref.8). De estos últimos resalta el realizado en La Paz, Baja California Sur, dicha instalación producía alrededor de 20 m3 por medio de colectores cilíndrico-parabólicos. Otra instalación importante se llevó a cabo en Puerto Chale, B.C.S., para proveer de agua potable a esta comunidad pesquera. También destaca la planta construida en Puerto Lobos, Sonora, con el mismo propósito que la anterior. En lainvestigaciónlos avances realizados en destiladores de canal largo y destiladores indirectos por la UNAM en conjunto con la UABCS y el I.T. de La Paz, así como el desarrollo de diversos prototipos de destiladores tipo caseta y de otros tipos destacan los trabajos realizados en el ITESO y el CINVESTAV-Mérida. 4

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Aquí en la UAM-I se ha trabajado en el desarrollo de destiladores de canal largo, esféricos, tipo caseta y dos efectos, analizando los procesos térmicos que se presentan en estos equipospara conocer mejor su funcionamiento.

2.2 DESCRIPCI~NDEL DESTILADOR SOLAR TIPO CASETA El destilador solar tipo caseta es un dispositivo pasivo muy simple que consta de un recipiente de poca profundidad para contener el agua a tratar y además sirve como absorbedor de la radiación solar para convertirla en el calor que sirve para producir la evaporación de dicha agua.Este recipiente tiene una cubierta transparente a la radiación solar (generalmente de vidrio), en ella se lleva a cabo la condensación del agua evaporada, por lo que debe ir inclinada para permitir su escurrimiento. Al final de la cubierta se requiere un canal colector del agua para poderla extraer del destilador libre de impurezas. Obviamente la parte inferior del destilador debe ir aislada para evitar la pérdida de calor y estar sellado perfectamente en sus paredes para que no existan fugas de vapor de agua que provocarían una gran caída en la producción de destilado.

2.2.1 PRINCIPIOS TE~RICOSDEL DESTILADOR SOLAR TIPO CASETA En un destiladorsolar, figura 1, ocurren diferentes procesos térmicos que consisten básicamente en los siguientes (ref 8 y ref 9): la radiación solar global (directa y difusa) llamada insolación H,, incide sobre la cubierta de vidrio. Esta radiación espectralmente está constituida de longitudes de onda desde la región Ultravioleta (200 a 380 qm) pasando por la región visible (380 a 780 qm) hasta el infrarrojo cercano y 2 . 5 ~ 1 0a ~1x106 qm respectivamente). La mayoría de los lejano (780 a 2 . 5 ~ 1 0 ~ yq m materiales transparentes tienen una transmitancia selectiva, es decir, que es función de la longitud de onda de la radiación incidente. Por ejemplo el vidrio transmite una gran cantidad de radiación U.V. y Visible si su contenido de Fe,O, es bajo. Si el contenido de Fe,O, es alto, se absorbe una buena porción del I.R., cabe señalar que el vidrio es prácticamente opaco en longitudes de onda de aproximadamente 2500 qm independientemente de su contenido de Fe,O,. De aquí entonces se observa que sólo la radiación con longitudes deonda que se encuentran por debajo de 2500 q m es capaz de pasar a través de la cubierta de vidrio (T,H~)y para valores mayores esta radiación es absorbida o reflejada ((p,+a,)H,). La porción de H,que llega a la superficie de agua ( T ~ H ~nuevamente ), sufie una descomposición debido a las características ópticas del 5

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agua. Una parte es reflejada (p,z,H,), otra es absorbida (a,z,H,) y otra transmitida (z,zgHs). La porción de radiación que se transmite hacia la base de la charola entonces es absorbida (abz,z&) en su mayor parte y reflejada (pbz,z,&) ligeramente ya que el color negro pintado en la base dela charola, posee una alta absortancia y baja reflectancia. El término de absorción en labase de la charola, constituye fundamentalmente la ganancia de energía necesaria para calentar el agua en lacharola. Una parte es cedida al ambiente por conducción en la parte baja del destilador Qcond y también por los bordes Qe. Por otro lado, otra parte es cedida al agua por convección Qcw.De aquí, este calor ganado por el agua, Sufi-e tres fenómenos de transferencia de calor desde su superficie hacia la cubierta de vidrio. El primero de ellos está constituido por la transferencia de calor debido a la convección interna del aire Qconv.El segundo,lo constituye el transporte de calor latente de las moléculas de vapor que se condensan en la parte interna de la cubierta de vidrio Qeff,y que representa precisamente la cantidad de calor necesaria para evaporar el agua colocada en la charola. Por esta razón, se le denomina proceso de evaporación-condensación y comose puede observar, para efectos de determinar la eficiencia del sistema, Qeffdetermina el calor útil. El tercero, se origina debido al intercambio radiante Qradentre la superficie de agua y la cubierta de vidrio ya que a las temperaturas en que secomportan tales superficies, la radiación que emiten se encuentra en las longitudes de onda mayores de 3000qm donde el vidrio es opaco, produciéndose asíel fenómeno llamado “Efecto de Invernadero” originado por múltiples reflecciones entre ambas superficies. Un cuarto fenómeno es observado en el seno del agua colocada en la charola. Este consiste en el “Efecto de Inercia Térmica” pues el agua tiende a acumular el calor ganado por Qcwy awzg&. Este término depende de la cantidad de masa de agua usada, y que para un área fija de la charola, entonces depende sólo de su profundidad Y. Este concepto está determinadopor la siguiente expresión: MW dTw Y-cpw V dt donde: MJV = densidad del agua [=I Kg/m3 C,,

= calor

específico del agua [=] J/Kg “C

Y = profundidad del agua [=I m

d TJ dt = variacióndela tiempo [=] “C/seg

temperatura del aguaenun 6

intervalo diferencial de

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Por otra parte, el calorcedidoa la cubiertadevidriopor convección, evaporación-condensación y radiación desde lasuperficiedeaguasufre también pérdidas hacia la atmósfera, debido a la convección de aire sobre la parte externa de la cubierta Qca,y a la emisión radiativa en las longitudes de onda del Infrarrojo hacia la atmósfera Q,,. Obviamente, para poder discernir si este sistema es adecuado para su utilización es necesario determinar su productividad y eficiencia. Se define la productividad instantánea de un destilador solar a la cantidad de líquido destilado por unidad de área por unidad de tiempo. El calor útil está relacionado con la productividad de la siguiente manera: Pro=Qe#/A

donde: h = calor latente de vaporizacióndel agua a la temperatura promedio del sistema [=] J K g Qeff= calor efectivo instantáneo

[=I J/m2 seg

Pro = productividad instantánea

[=I Kg/m2 seg

La productividad total consiste en la suma de las productividades instantáneas a lo largo del día. Entonces: 24x60~60

1wdt

Pro, =

O

A

La eficiencia del destilador consistesimplemente en relacionar el calorútil total a lo largo del día con la cantidad deinsolación total recibida Hst.Esto es: 24x60~60

Qe#

' I '

x1 O0

O Hs,

Las eficiencias típicas de los destiladores solares reportadas en la literatura varían según el diseño, los materialesy las condiciones de operación; pero en general se puede hablar que los destiladores de un solo efecto tienenuna eficiencia entre 35% y 45%, los

de dos efectos entre 55% y 65%, y los de tres efectos del 75% al 85%.

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2.3 DESCRIPCI~NDEL DESTILADOR SOLAR MILTIPLE

EFECTO

Para aumentar los niveles de producción de los destiladores solares tipo caseta se han propuesto los destiladores dedoble y múltiple efecto. La filosofia del destilador múltiple efecto, se basa en el aprovechamiento del calor latente liberado por el vapor de agua quecondensa en una superficie, para calentar mas agua salina que se encuentra en otra charola cuya base es la primera superficie condensadora, asíestaagua se evapora y condensa enotrasuperficie a menor temperatura (ref 10). Este proceso dereutilizar el calor absorbido por la primera charola se repite tantas veces como sedesee (siempre y cuando la producción de destilado haga factible la construcción de las charolas), aprovechando mas eficientemente la energía.

2.3.1 PRINCIPIOS TEóRICOS DEL DESTILADOR SOLAR MúLTIPLE EFECTO

Los procesos térmicos de mayor importancia en un destilador de doble efecto, mostrado en la figura 2, son (ref 10): La energía solar incidente H,, que se transmite y absorbe a través de las dos cubiertas de vidrio, zgl y zg2;y de las dos capas de agua, zwl y zw2; finalmente es captada en el fondo de un recipiente absorbedor ab,que gracias a la conversión fototérmica aumenta su temperatura, así elaguaencontacto con este absorbedor se calienta graciasa un mecanismo de flujo de calor por convección natural incrementando su temperatura Tw,. Esta capa de agua que se encuentra por debajo de una superficie de vidrio a diferente temperatura T,, de manera que ocurren tres flujos de que se calor en este primer efecto: uno de los cuales es el calor evaporativo Qevapl, relaciona directamenteconla cantidad de agua destilada, se da también un flujo convectivo Qconvl,y uno radiativo Qradl,transfiriéndose los tres hacia la cubierta de vidrio. Las ganancias energéticas del vidrio junto con la energía solar absorbida agl, contribuyen a incrementar su temperatura T, .

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FIGURA 2.

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2.4 TECNOLOGÍASCOMPARATIVAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES La tecnología con la cual se puede comparar el proceso de destilación solar es el de los evaporadores porque los mecanismos de separación son similares, aunque la energía para llevarloa cabo proviene de diferentes fuentes, enel caso de los evaporadores es por medio del quemado de combustibles (generalmente fósiles) y en el destilador solar la energíanecesaria es obviamente proveniente del sol. Para poder hacer la comparación entre éstas tecnologías es necesario primero describir cómo funcionan los evaporadores y susprincipales usos. Los evaporadores se usan ampliamente en muchas operaciones de tratamiento de agua, como son la preparación del agua de alimentación de la caldera, la concentración de licor diluido,la evaporación del agua de mar para producir agua dulce y la concentración de licores de desecho para reducir su volumen y posteriormente procesarlos o ponerlos en disposición de ser utilizados. El evaporador típico se asemeja a una caldera de tubos de llama, con la llama reemplazada por vapor o vapor de proceso como fuente de calor, aunque se tienen diferencias significativas: 1.-El evaporador tiene un gradiente de temperatura mucho menor a través de las superficies de transferencia de calor. 2.-Por lo común contienemenos líquido. 3.-Los tubos del evaporador están hechos de metales especiales como el titanio o aleaciones (acero inoxidable), mientras que los tubos de la caldera son de acero. Para transferir calor de manera eficiente con gradientes de temperatura bajos, las superficies del evaporador deberán mantenerse libres de depósitos, que tienen un efecto aislante. Son importantes un tratamiento químico correcto y una limpieza programada. Cada líquido ejerce una presión de vapor, cuya magnitud es una medida de su volatilidad. Los líquidos con presión de vapor elevada se volatilizan fácilmente, mientras que aquellos conpresión de vapor baja se evaporan más lentamente precisando que la temperatura se elevepara aumentar su velocidad de evaporación. La velocidad de evaporación depende de la naturaleza de la sustancia, la cantidad de energía calorífica 11

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aplicada al líquido y los efectos de superficie. Ya que los evaporadores pueden procesar otros líquidos que no sean agua pura, deben considerarse también otros factores distintos a la presión. Las sales solubles en la solución decrecen la presión de vapor y elevan el punto de ebullición. En consecuencia, a medida que un licor diluido se evapora y se vuelve más concentrado, se eleva su punto de ebullición. A medida que se evapora el agua de la solución y el líquido se vuelve más concentrado, es posible concentrarlo hasta el punto en que serebasa la solubilidad de la sal. Esto provoca la precipitación, por lo común en forma de incrustaciones sobre las superficies de transferencia de calor. Donde el agua es evaporada, la incrustación puede consistir en sales de calcio, magnesio y sílice. Esta incrustación disminuye mucho la velocidad de transferencia de calor, retarda la evaporación y reduce la eficiencia térmica.

Como en una caldera la purga regula la concentración de sólidos del líquido en ebullición. Dispositivos purificadores de vapor capturan gotitas de agua arrastrada. Esto es sobremanera importante cuando el objetivo de la evaporación, comoloes en la mayor parte de los sistemas de tratamiento de agua, es producir un destilado de gran calidad. Un evaporador de tipo de ebullición produce un destilado con alrededor de 1 mg/lt de sólidos totales disueltos. El vapor puede condensarse por medio de un condensador de superficie si la fase líquida purificada debe poralguna razón separada. Puede alimentarse el vapor a los tubos del cuerpo de un segundo evaporador y el vapor de esta segunda unidad puede alimentarse a una tercera, para producir un evaporador de efecto múltiple.

Los evaporadores de efecto múltiple se usan principalmente para las operaciones en procesos químicos.Típicas para tales evaporadores son las unidades quese encuentran en la industria de la pulpa para la concentración del licor negro de sulfato, que son de cinco, seis y hasta siete efectos para concentrar el agua de los lavadores de pulpa y recuperar losproductos químicos del cocimiento. El licor negro puede concentrarse hastaalrededorde 65% desólidos totales, de loscuales la mitad son materias orgánicas. En esta condición el licor negro puede quemarse en un horno de recuperación de licor negro; el material orgánico mantiene supropia combustión y 12

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h n d e las sales del licor de cocimiento convirtiéndolas en una forma recuperable. El objetivo primordial de la evaporación en las plantas de potencia es deproducir un reemplazo de caldera de calidad elevada. El programa de tratamiento químico debe diseñarse para producir un vapor de gran pureza al ayudar a conservar limpias las superficies de transferencia de calor. La industria de la bauxita también emplea evaporadores de efecto múltiple para concentrar los licores de aluminato de sodio. Otro ejemplo de industria que utiliza evaporadores es la del azúcar de remolacha, donde los jarabes sonconcentrados por evaporación. En el Medio Oriente, donde los costosde energía son favorables, se han instalado evaporadores instantáneoscon capacidad de 20m3/min para abastecimiento de agua municipal. Los evaporadores están encontrando aplicación en la concentración de desechos para reducir a un mínimo el volumen, simplificar la destrucción última, o ambos. Los ejemplos incluyen el tratamiento de los desechos radioactivos de las operaciones de plantas nucleares de potencia, y la concentración de los desechos de recubrimientos electrolíticos. Después deanalizar el funcionamiento y aplicaciones delos evaporadores se puede concluir quesu capacidad de procesar agua esde grandes dimensiones comparada con lo que se puede producir con destiladores solares. Por ejemplo una planta de desalinizacióndeagua de mar de aproximadamente 15000 m2 (2 campos de futbol) puede producir 72000 m3 de agua por día, mientras que con destiladores solares tomando la misma superficie y considerando 3 efectos de destilación con una producción aproximada de 8 lt/m2día se obtienen 120 m3 de agua por día. Aunque en la planta de evaporadores se requiera quemar combustible, la diferencia de capacidad de producción con respecto al área de la planta es demasiado grande, 600 a l. Otra aplicación quese puede dar a los evaporadores solares, además de la potabilización de agua de mar a baja y mediana escala, es la eliminación de metales pesados de corrientes contaminadas, cuyo tratamiento se lleva a cabo generalmente por precipitación, aunque también se emplea intercambio iónico y adsorción.

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Para estos procesos se requiere un tratamiento previo como el agregar cal y sulfuros ó agentes oxidantes comocloro y permanganato de potasio y un control del pH para promover la precipitación. Otro aspecto a considerar para la precipitación de metales pesados es la posible formación de iones complejos, que son comunes cuando se trata con aguas de desecho que contienen amoniaco, fluoruro o cianuro. 2.5 EFECTO BACTERICIDA DE LA RADIACI~NSOLAR.

Un efecto colateral, benéfico, de los destiladores solares es el efecto bactericida de la radiación solar.La radiación solar es capaz de aniquilar a las bacterias, obteniéndose así agua libre de ellas después de su exposición al Sol durante algunas horas. Este proceso no requiere de ningún tipo de preparativo para su realización y el tiempo necesario para completar la purificación solo depende del material transparente que contenga el agua y la intensidad de la radiación solar. La radiación solar ejerce un efecto germicida en las bacterias, tanto coliformes como totales, siendolas primeras mas susceptibles que las últimas. Este efecto bactericida puede tomar tan solo 3 horas en un día soleado y claro o varias horas mas en un día nublado. También depende de la transparencia del agua, ya que si tiene alta turbiedad existe un efecto atenuante en la transmisión de los rayos del Sol, así como del material donde esté contenida. Según estudios presentados (ref. 11) se puede generalizar que el tiempo necesario para remover totalmente todas las bacterias es deun día. Esta información es importante para estetrabajo puesto queeste fenómeno bactericida complementa la purificación del agua, ya que el proceso de destilación solar solo separa los sólidos (principalmente inorgánicos) del agua.

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3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.1 DISEÑO DEL PROTOTIPO Para el diseño del prototipo presentado en este trabajo se han tomado en cuenta una gran cantidad de experiencias reportadas en la literatura con el fin de desarrollar un destilador con gran eficiencia, lo cual se espera comprobar en la experimentación. Uno de los puntos primordiales considerados en el diseño es que el mecanismo principal de transferencia demasa del vapor generado en las charolas sealadifusión y no la convección, esto por cuestiones de factibilidad técnica de construcción y operación, ya que de favorecer la convección, al grado de convertirla en el principal fenómeno de destilador transporte y lograr los mismos niveles de producción, eltamañodel aumentaría en gran forma impidiendo su fácil manejo y provocaría problemas hasta cierto punto innecesarios ensu construcción. Otro aspecto del diseñoes que las construidas por dos superficies condensadorasson de dos aguas, o seaqueestan superficies inclinadas, para tener un mejor drenaje del destilado, debido a que se ha encontrado quela productividad enestosequiposcondimensiones similares puede verse afectada por falta deun buen sistema de drenaje (ref. 12). En cuanto al número de efectos se eligieron tres, aunque en diferentes prototipos se han usado mas (ref. 13), sobretodo tratándose de destiladores indirectos (ref. 14). Esta decisión se tomó dado que en estudios analíticos se ha encontrado que después del tercer efecto, en el caso de losdestiladores directos, la producción de destilado decrece de tal forma que dicha cantidad es insignificante y por lo tanto su construcción deja de tener sentido (ref. 15). El material de construcción de la carcaza del prototipo es acero inoxidable tipo 304 por su alta resistencia a la corrosión a la cual va a estar expuesto, hay que recordar que el destilador se va a usar con salmueras de tipo industrial que provocan graves daños a los materiales convencionales (lámina galvanizada, aluminio, etc). Esta carcaza está formada por las paredes norte, sur y el fondo del destilador, la pared norte es perdendicular al fondo y la pared sur tiene una inclinación de 110" con respecto al fondo, estoquieredecirque tiene una inclinación hacia afuera, la razón de esta inclinación es para evitar que la pared haga sombra sobre el fondo del destilador, debido a que por la ubicación geográfica de la Ciudad de México las sombras son de sur a norte durante gran parte del año. Por la parte exterior lleva soldados perfiles de acero, para sostener el aislante, que en este caso se eligió placa de poliestireno expandido de dos centímetros deespesor.Porla parte interna van soldados losrielesde acero, para deslizar las charolas 2 y 3 (intermedia y superior), y también van pegados, con una 15

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inclinación de 2", para mejorar el drenado, los canales de recolección del destilado (caña de PVC). La carcaza en el extremo que da al poniente tiene ángulo de aceropara soportar el sello con la puerta la cual tiene sus goznes en el lado norte y en el lado sur,soldados al marco de la carcaza, lleva dos tornillos de acero para mantenerla cerrada. En el lado oriente también tiene un marco de ángulo donde va pegada, con silicón, la tapa que tiene los orificios por los cuales salen los canales recolectores de destilado, esta cara es de acrílico porque cumple con los requisitos de ser transparente a la radiación solar y fácil manejo para realizar en ella los orificios por donde salen los canales. La puerta también es de ángulo de acero y para su sujeción a la carcaza tiene el paso para los tornillos, el cuerpo de la puerta también es de acrílico por las mismas razones que la cara oriente. La charola inferior es, al igual que la carcaza, de acero inoxidable, también tiene la cara sur inclinada, el fondo de la charola es el absorbedor de la radiación solar por eso debe ser ennegrecida, para tal fin primero se utilizó un electrodepósito pero por su poca adherencia secubrió con una película de silicón, éstatambién presentó desprendimientos y, finalmente para las pruebas experimentales presentadas en este trabajo se utilizó una pintura negra especial para colectores (Nextel M.R.). La estructura de las charolas 2 y 3 está fabricada con ángulo de acero inoxidable, también con la pared sur inclinada, el fondo está formado por dos placas de vidrio de 4mm. de espesor y las caras laterales son de acrílico. Por la parte externa de las caras oriente y poniente llevan los sellos de hule para evitar el paso de vapor de un nivel a otro, porque si no se evita, entoncespuede volverse isotérmico el equipo reduciendo su eficiencia. Las placas de vidrio y acrílico van selladas con silicón. Para mejor comprensión de los párrafos anteriores, se muestra un diagrama del destilador en la figura3.

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3.2 METODOLOGÍA DE EXPERIMENTACI~N La metodología empleada en la experimentación consistió en medir las variables necesarias para caracterizar el prototipo y comprobar si la propuesta de diseño con sus bases teóricas es viable, o en su casoanalizar las posibles causas de error. Lasvariables medidas fueron: -Temperaturas del agua. -Temperaturas de las superficies condensadoras. -Temperatura ambiente. -Radiación global incidente. -Volumen de agua destilada. Todas las variables se midieron cada 20 minutos durante los días de experimentación, con excepción del volumen destilado que se midió el acumulado de 24 horas, considerándolas desde el momento de arranque en la mañana hasta la misma hora del día siguiente. Para iniciar las corridas experimentales se llenaron las charolas de forma que la charola 1 (inferior) tuviera un tirante de agua 1.5 cm y en las charolas 2 y 3 se cubriera toda la superficie del fondo (dos aguas). El prototipo no se abrió por ningún motivo duranteestos días para no provocar modificaciones en el gradiente térmico. Los resultados, graficados, y su discusión se muestran mas adelante en su respectiva sección.

3.2.1 TEMPERATURAS En la medición de las temperaturas se utilizaron termistores, los cuales ya estaban calibrados y cuya ecuacióngeneral es: T = - (1nR / A) B donde A y B son constantes de cada termistor, R es la resistencia medida y T es la temperatura correspondiente. Para la medición dela temperatura en el agua de los diferentes efectos, los termistores se fijaron de forma que la punta sensible quedara sumergida en el seno del agua de cada charola aún cuando el nivel fuera bajando continuamente. En el caso de las superficies condensadoras los termistores se colocaron en contacto directo de los vidrios, para los efectos 1 y 2 las superficies condensadoras son los fondos de las charolas 2 y 3 . La temperatura ambiente se midió con un termohigrómetro digital Cole Parmer modelo 330-50. 18

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Lostermistoresestán conectados a un sistema multiconector acoplado a un multímetro digital Fluke modelo 8024B con precisión de 4 dígitos para la lectura de la resistencia.

3.2.2 R A D I A C I ~ NGLOBAL La medición de la radiación global es importante porque es uno de losparámetros esenciales para el cálculo de la eficiencia del destilador, simplemente nos da la cantidad de energía recibida por el destilador. Dicha medición se realizó con un piranómetro marca Kipp and Sonnen con una constante de 8.8 mV/W/m2. El piranómetro se conectó al mismo multímetro digital que los termistores para tomar la lectura del voltaje generado enla fotopila. La radiación global medida es la correspondiente al plano horizontal donde se colocó el destilador durante las experimentaciones.

3.2.3 VOLUMEN DE AGUA DESTILADA El volumen de agua destilada es otro delos parámetros importantes para calcular la eficiencia del destilador y también para comprobar si el prototipo cumple con las espectativas teóricas respecto a la disminución del volumen obtenido conforme se avanza en los efectos, es decir, mayor producción en el efecto inferior y menor producción enelefecto superior. Este volumen se midió convasosde precipitado colocados de forma que en ellos escurriera el agua de los canales recolectores, los vasos se taparon para quenose evaporara el agua ya recibida. En caso de presentarse resultados contrarios, éstos pueden atribuirse principalmente a: fallas en los sellos entre niveles y, problemas con impurezas en los vidrios donde secondensa el destilado provocando su precipitación a las charolas (“lluvia” dentro del destilador).

3.3 RESULTADOS Los resultados que se muestran a continuación son los correspondientes a un día típico de verano en la Ciudad deMéxico, brumoso por la mañana, caluroso al mediodía y con nublados y probabilidad de lluvia en las últimas horas de la tarde. Se decidió probar el destilador bajo estas condiciones y no bajo condiciones ideales de insolación sin nubes y con temperaturas altas, porque generalmente asíson las condiciones climatológicas de la zona urbana y los resultados obtenidos pueden considerarse como una buena medida de lo que se puede obtener a lo largo del año. 19

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Primeramente se muestran los valores obtenidosen la medición de las temperaturas en el agua delas charolas de cada uno de los efectos a lo largo del día y su gráfica (gráfica 1). '

A continuación se presenta la tabla correspondiente a las temperaturas de las superficies de condensación con su gráfica (gráfica 2). Después se muestran los valores, en tabla y gráfica, de la radiación global y la temperatura ambiente (gráfica 3). Por último se reportan los valores del volumen de agua destilada que se obtiene por cada uno de los efectos y el total de ellos. También se calcula la eficiencia del destilador utilizando la ecuación: 77=

Qevap Mevap

Rg

donde q es la eficiencia, Qevap,es el calor latente de evaporación (en este caso 2400 KJIKg), Mevap es lamasa de aguaevaporado y Rg esla radiación incidente.

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TABLA l.

Temperatura del agua de las charolas.

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TEMPERATURA DEL AGUA EN LAS CHAROLAS. 11-JULIO-96 60 m

o

55 50 45

S O

W

E 40 =I

CI

E

g 3 5

E

e 30 25 -t SUPERIOR

-A-

INTERMEDIA

-w- INFERIOR ~

1

20 15

9:O 0

I

1o:oo

1l:oo

12:oo

I

13:O 0

14:OO

15:O 0

Hora del día (tiempo civil)

16:O 0

17:OO

18:O 0

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TABLA 2.

Temperatura de las superficies de condensación. 23

TEMPERATURA DE LAS PLACAS DE CONDENSACION.II-JULIO-96 65 60 55

o^ e

50

1 30

1

+SUPERIOR

-P-

INTERMEDIA

25 20 9:O 0

-st

INFERIOR

I

I

1o:oo

1l:oo

12:oo

13:OO

14:OO

16:OO 15:OO

Hora del día (tiempo civil)

18:OO 17:OO

ANO

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TABLA 3.

Temperatura ambientey radiación global. 25

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GRÁFICA 3.

(3, ) eJn)eJadwal O

w

In

O

m

m

v)

O O

a

O

cv

cv

O O

0

26

O O

d

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TABLA 4.

II I

EFECTO SUPERIOR INTERMEDIO INFERIOR TOTAL

DESTILADO (ml)

I

330

550 790 1670

EFICIENCIA ( Y o ) 15.8 26.4 37.9 80.1

1

Producción de destilado durante 24horas

En la gráfica 3 se puede observar claramente que se trata de un día ligeramente brumoso con nublados en la tarde. Los perfiles de temperatura de las charolas del destilador mostrados en la gráfica 1 muestran que la charola superior mantiene una temperatura por encima de las otras dos charolas durante las primeras 4 horas, lo cual no concuerda con la teoría ya que se espera que la charola inferior sea la mayor temperatura decreciendo esta de nivel. Una posible explicación a este curioso fenómeno es que en la superficie de condensación del 2" efecto (fondo de la charola superior) se formaron gotas grandes que no alcanzaban a resbalar completamente al igual que no formaban una película con mejores condiciones ópticas para latransmisión de la radiación hasta la charola inferior. Esto puede confirmarse con las observaciones hechas durante la experimentación donde efectivamente, en las tres primeras horas se notó la formación de estas gotas.

Algo similar se observa en las temperaturas de las superficies de condensación (gráfica 2) pero el fenómeno dura 3.5 horas aproximadamente, suponemos que también es producto de la formación delas gotas. Después del periodo donde se presenta el fenómeno, las temperaturas de las charolas y de las superficies de condensación se comportan como lo indica lateoría. La eficiencia del destilador puede considerarse como buena, ya que es mayor a la obtenida con destiladores de dos efectos.

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4 CONCLUSIONES

Dados los mecanismos que gobiernan el proceso de evaporación condensación en este tipodeunidades,es posible lograr una separación sumamente eficiente del solvente (agua) de los diversos solutos que la contaminan (sales minerales, metales pesados, compuestos orgánicos, etc.) con eficiencias de remoción del 99.999% tratándose desales,éstos niveles de remoción sonsuperioresinclusoque los de tecnologías de puntacomola ósmosis inversa, con la ventaja adicional de que la tecnología solar no requiere de ningún acondicionamiento del fluido a tratar. Además la calidad del destilado no depende de la concentración de sales en el aguaa tratar, ni de la temperatura a la cual se lleva a cabo el proceso, así como tampoco de la cantidad de radiación recibida. Gracias a su capacidad de separar sales minerales, metales pesados y compuestos orgánicos no volátiles con gran eficiencia, los evaporadores solares pueden ser de gran utilidad para el tratamiento de aguas residuales porque el agua que se obtiene después de este proceso es degran calidad incluso puede compararse al agua destilada de uso de laboratorio. Otra ventaja que se tiene con su aplicación es la capacidad de obtener agua libre de organismos patógenos ya que éstos dificilmente sobreviven por encima de los 70"C, por ejemplo la leche se pasteuriza a 63°C durante 30 minutos y si la temperatura se eleva a 72°C la pasteurización se completa en sólo 15 segundos. El problema principal para poder extender su uso es su capacidad de tratamiento porque se necesitan grandes áreas para la instalación de los destiladores, por ejemplo para volúmenes de 5m3 por día se requiere un área de 25mX25m que en la mayoría de los casos solo se puede encontrar en grandes plantas industriales, que en algunos casos sus sistemas de tratamiento de aguas, en el caso de que existan, no son capaces de cumplir con los requerimientosde las Normas vigentes. En cuestión de inversión inicial puede que sea un poco más cara la instalación de un sistema deevaporadoressolarespero el hecho de no necesitar combustibles y reactivos para su operación, además de que loscontaminantes se reducen a un volumen mínimo, lo cual no es el caso en una planta convencional donde se producen lodos, los costos de confinación o destrucción de los mismos se lleva también a un mínimo, vuelven a la opción solar másrentable. En caso de que los efluentescontaminados lleven compuestos orgánicos volátiles (principalmente los que ocasionan malos olores) después de ser tratados mediante la evaporación solar pueden pasar por un tratamiento secundario basado en un filtro de 28

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carbón activado para la eliminación de éstos contaminantes, lo cual produce un agua de gran calidad, incluso para consumohumano. Algunas industrias susceptibles de utilizar esta alternativa de tratamiento de aguas son las de metalizado que presentan metales pesados como zinc, cadmio, cromo y cobre. La fabricación de vidrios produce fluoruro que puede estar presente como un anión o como un complejo aniónico. Los desechos de los sistemas de enfriamiento por evaporación pueden presentar cromato comoun anión. Un punto hndamentalque debe considerarse antes dedecidirquetipo de tratamiento seleva a aplicar a un efluente contaminado es determinar qué contaminantes existen y en quéconcentración se encuentran.

y el Los resultados obtenidos son alentadores para continuar losestudios desarrollo de propuestas enfocadas a las aplicaciones tecnológicas de la Energía Solar, se requiere trabajar fuertemente para pasar al siguiente nivel, aprovechar los prototipos de laboratorio para diseñar plantas piloto y posteriormente tener plantas industriales usando estos sistemas. La investigación en este campo necesita continuar su desarrollo porque es una buena opción en el tratamiento de aguas residuales y además cuenta con un área de aplicación bien definida, por lo que sufuturo solo depende del trabajo para pasar de las etapas de investigación a las de aplicación en gran escala. Para realizar este trabajo será necesario construir equipos mas grandes pero a nivel de plantapiloto, y despuésde analizar los resultados quese obtengan y la facilidad o complejidad de operación el camino puede puede tomar dos direcciones: construcción de prototipos de uso industrial de gran tamaño, o construcción de plantas modulares de tratamiento utilizando equipos de pequeños como unidad base. Después de estas experiencias al parecer el segundo camino tiene mejores espectativas por facilitar el manejo y operación de los equipos.

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