MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA

Contenido 1.

INTRODUCCION .............................................................................................. 11

2.

METODOS ACTUALES DE DESTILACIÓN DE AGUA NO POTABLE. ............ 12

3.

4.

2.01.

PROCESOS BASADOS EN LA SEPARACIÓN DEL AGUA .................... 12

2.02.

PROCESOS BASADOS EN LA SEPARACIÓN DE LAS SALES ............. 14

2.03.

DESTILACION SOLAR ............................................................................ 16

2.04.

TIPOS DE DESTILADORES SOLARES .................................................. 17

2.05.

APLICACIONES DE LOS PROCESOS DE DESTILACIÓN ..................... 26

PARAMETROS Y PROPIEDADES DEL AGUA ................................................ 28 3.01.

ESTADOS DEL PROCESO DE DESTILADO .......................................... 28

3.02.

PARAMETROS A EVALUAR EN EL AGUA DESTILADA ........................ 29

FLUJOS DE ENERGÍA Y ECUACIONES EN EL INTERIOR DE UN

DESTILADOR SOLAR ............................................................................................. 33 5.

6.

ENERGÍA SOLAR ............................................................................................. 51 5.01.

DEFINICION ............................................................................................ 51

5.02.

VARIACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE .............. 53

5.03.

RADIACIÓN SOLAR EN LA SUPERFICIE TERRESTRE ........................ 54

5.04.

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR .................................................. 55

5.05.

TRAYECTORIAS DEL SOL ..................................................................... 56

5.06.

SISTEMA DE COORDENADAS HORIZONTALES .................................. 58

TECNOLOGÍA SOLAR ...................................................................................... 70 6.01.

APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA SOLAR ...................................... 70

6.02.

LOS SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR .. 72

6.02.01.

SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS ............................................... 72

GENERACIÓN DE AGUA DENTRO DE UN CICLO ARTIFICIAL; TRAS LA PRIMERA GOTA.

1

MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA 7.

ENERGÍA TERMOSOLAR ................................................................................ 77 7.01.

APLICACIÓN Y DESARROLLO DE LOS SISTEMAS TERMOSOLARES 77

7.02.

TECNOLOGÍAS DE TRANSFORMACIÓN SOLAR TÉRMICA ................ 78

7.03.

CENTRALES DE TORRE ........................................................................ 79

8.

DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA TERMOSOLAR DE RECEPTOR CENTRAL

PARA SU APLICACIÓN A LA DESTILACIÓN SOLAR ............................................ 80 8.01.

9.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA.............................................. 80

8.02.01.

EL CAMPO SOLAR ........................................................................ 84

8.02.02.

TORRE Y RECEPTOR CENTRAL ................................................. 88

8.02.03.

SISTEMA DE ALMACENAMIENTO ............................................... 94

DISEÑO DE LOS COMPONENTES DE LA FASE SOLAR PARA ACELERADOR

DE DESTILACION SOLAR....................................................................................... 95 9.01.

LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA............................................................. 95

9.02.

DIMENSIONADO DE LOS COMPONENTES DEL CAMPO SOLAR ....... 95

9.02.01. 9.03. 10.

ORIENTACIÓN DE LOS HELIÓSTATOS ...................................... 99

RECEPTOR SOLAR .............................................................................. 105

ALMACENAMIENTO TERMICO................................................................... 113

10.01.

TIPOS DE ALMACENAMIENTO TERMICO ....................................... 115

10.02.

COMPONENTES DE UN ALMACENAMIENTO TERMICO CON LECHO

DE PIEDRAS ...................................................................................................... 120 10.03. 11.

DIMENSIONAMIENTO ....................................................................... 120

POTABILIZACIÓN DEL AGUA DESTILADA ................................................ 122

11.01.

ELIMINACIÓN DE PATOGENOS DE FORMA NATURAL MEDIANTE

LOS RAYOS UV ................................................................................................. 122 11.02.

REMINERALIZACION DE LAS AGUAS DESTILADAS ...................... 129

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2

MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA 11.03.

EVALUACIÓN ..................................................................................... 132

11.04.

TECNICA DE REMINERALIZACIÓN .................................................. 134

11.05.

EL PROCESO DE REMINERALIZACIÓN .......................................... 136

11.06.

POSTRATAMIENTO ........................................................................... 137

11.07.

EQUIPO NECESARIO PARA LA INSTALACIÓN DE LAS RESINAS . 143

11.08.

CUMPLIMIENTO DE LA NORMATIVA DE AGUA DE CONSUMO

HUMANO 144 11.09.

REMINERALIZACIÓN MEDIANTE MEZCLA DE AGUAS .................. 146

11.10.

REMINERALIZACIÓN QUÍMICA DEL AGUA PRODUCTO ................ 146

12.

DISEÑO DEL ACELERADOR DE DESTILACIÓN SOLAR .......................... 150

12.01.

APLICACIÓN DEL SISTEMA EN UNA UBICACIÓN REAL COMO

EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO .................................................................... 151 12.02.

SUPUESTO INICIAL “A” PARA EL CÁLCULO DE LOS BALANCES DE

ENERGÍA INICIALES DENTRO DE UN DESTILADOR SOLAR ........................ 152 12.03.

SUPUESTO “B” DESARROLLO DE LA EFICIENCIA DEL MODELO DE

ACELERADOR DE DESTILACIÓN DE AGUA MEDIANTE EL APORTE DE ENERGÍA TERMOSOLAR Y ALMACENAMIENTO MEDIANTE LECHO DE PIEDRAS 185 13.

ESTUDIO DE VIABILIDAD AMBIENTAL EN LA CONSTRUCCION DEL

ACELERADOR DE DESTILACION SOLAR (ADS) ................................................ 194 13.01.

ESTUDIO DE VIABILIDAD AMBIENTAL. ........................................... 195

13.02.

MEDIDAS PROTECTORAS, CORRECTORAS Y COMPENSATORIAS.

PROGRAMA DE VIGILANCIA AMBIENTAL. ...................................................... 207 13.03. 14.

CONCLUSIÓN EN EL ESTUDIO DE VIABILIDAD. ............................ 211

ANÁLISIS ECONÓMICO DE PRESUPUESTOS Y COSTES: RELACIÓN

AGUA-ENERGÍA. ................................................................................................... 212

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PRESUPUESTO DE OBRA. ............................................................... 213

14.02.

ESTUDIO DE COSTES DE LA INSTALACIÓN. ................................. 213

14.03.

JUSTIFICACION DEL SISTEMA ADS FRENTE A LA DESALACIÓN DE

GRAN DEMANDA ENERGÉTICA EN ZONAS REMOTAS................................. 215 14.04. 15.

JUSTIFICACIÓN DEL SISTEMA ADS. ............................................... 223

CONCLUSION .............................................................................................. 223

ANEXO I PLANIN DE OBRA. ................................................................................. 225 ANEXO II MEDICIONES Y PRESUPUESTO. ........................................................ 226 ANEXO III PLANOS. .............................................................................................. 278

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PROYECTO FIN DE MASTER.

Título: GENERACIÓN DE AGUA, DENTRO DE UN CICLO ARTIFICIAL; TRAS LA PRIMERA GOTA. Presentado por: José Luis Oliva Torres

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A. OBJETO Y CONTENIDO DEL PROYECTO.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Con este proyecto lo que se busca es la posibilidad de crear el ciclo del agua en cualquier lugar, solo con aporte de energía renovable, creando la primera gota, acumulándola, consumiéndola por los seres vivos que generarán residuos orgánicos, producirán gas, se reciclará agua que se enviará a las cúpulas o invernaderos, volviendo a crear agua. Cuando hablamos de generar o conseguir agua potable, siempre lo hacemos con sistemas basados en la producción y sistema de suministro eléctrico existente. Esto es útil siempre que tengamos una central y una red eléctrica a mano. Sin embargo, las zonas más deprimidas, en lugares remotos, no disponen de los sistemas energéticos y los proveedores necesarios para conseguir los objetivos deseados. El objetivo de este proyecto es demostrar, que con un primer mecanismo de generación de agua, se podrá arrancar un sistema de producción de agua y conseguir que no se pare. Este sistema, que intenta recopilar los conocimientos para conseguir energía de una forma sostenible, puede ser una solución para zonas deprimidas, que hayan perdido la capacidad de conseguir agua. El proyecto recoge el diseño de un destilador de mayor rendimiento basándose en la tecnología termosolar y de almacenamiento térmico. Como punto de partida para desarrollar el proyecto, se ha escogido una ubicación situada en Castilleja del Campo, por ser un espacio agrícola situado en una zona de buena radiación solar y dependiente de los recursos hídricos. El sistema, además de generar agua, persigue también integrar la biología en el ciclo, generando riqueza.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA El proyecto se divide en dos partes. En la primera parte se explican y desarrollan los conceptos teóricos de las tecnologías en las que vamos a basar nuestro proyecto. En la segunda parte se diseña y calcula el destilador.

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MARCO TEORICO

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1. INTRODUCCION. La escasez y mala calidad del agua han sido durante las últimas décadas una problemática a nivel mundial, especialmente en zonas costeras y secas del mundo. Esto ha conllevado a la búsqueda de nuevas tecnologías para la obtención de dicho recurso. Las industrias en este tipo de zonas se han visto obligadas a implementar determinadas tecnologías para la obtención de agua dulce a partir de agua no potable o salada, y este ha sido el caso de algunas industrias asentadas en las zonas costeras o agrícolas. Estas industrias deben optar por un método eficiente, de bajo costo y menos contaminante para satisfacer sus requerimientos, tanto industrial como para el consumo humano. A medida que las exigencias hídricas han ido aumentando, la noción de lo que se entiende por recurso también se ha visto modificada. De esta forma el constante crecimiento de la población, con el consiguiente incremento de los requerimientos hidrológicos, ha provocado la búsqueda de fuentes alternativas de producción de agua. Hay que mencionar, que también es muy importante reutilizar el agua residual, sobre todo para el riego agrícola, una vez depurada. Sólo una pequeña parte del agua de la Tierra es apta para nuestro consumo: el 97 % es agua de mar, el 2 % es hielo en los polos, y sólo el 1 % es apta para el consumo humano; encontrándose en ríos, lagos, acuíferos subterráneos y en la humedad del aire. Además el agua tal como se encuentra en la naturaleza, para ser utilizada sin riesgo para el consumo humano requiere ser tratada para eliminar las partículas y organismos que pueden ser dañinos para la salud; finalmente debe ser distribuida a través de tuberías hasta las viviendas para que pueda ser consumirla sin ningún riesgo. Así que aunque pueda parecer que el volumen de agua en la tierra es muy vasto, a penas 35km3 sobre 1.386 millones de km3 corresponde a agua dulce.

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Figura1. Porcentaje de agua nivel mundial.

2. METODOS

ACTUALES

DE

DESTILACIÓN

DE

AGUA

NO

POTABLE. La desalación es un proceso por el cual partiendo de un caudal de agua salada y añadiendo determinadas formas de energía, se obtiene un flujo de agua destilada (agua pura) o permeada (con un contenido mínimo de sales) y una corriente de agua con mayor concentración en sales que la inicial. Esta última se denomina agua salmuera debido a su elevada concentración, ya que en ella se evacúan las sales anteriormente disueltas en el agua dulce Para la obtención de agua dulce a partir de aguas salobres o marinas se han desarrollado distintos tipos de procesos. Estos a su vez se pueden agrupar en dos, aquellos basados en la separación del agua (como la destilación, congelación, procesos químicos y procesos de membrana), y los procesos que se basan en la separación de sales del agua (electrodiálisis, cambio iónico y depuración química). 2.01. PROCESOS BASADOS EN LA SEPARACIÓN DEL AGUA. En los sistemas de separación de agua mediante destilación podemos encontrar las siguientes tecnologías: la evaporación de múltiple efecto, la evaporación instantánea, la evaporación mediante compresión mecánica de vapor y finalmente la evaporación solar.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Otras tecnologías están basadas en el proceso de congelación y los procesos químicos de desalación mediante formación de hidratos, extracción con disolventes y, finalmente, la tecnología de membranas. Evaporación de múltiple efecto. En el primer efecto se consume energía (vapor) para hacer hervir el agua de mar. La solución concentrada pasa al segundo efecto. Allí condensa el vapor cediendo calor latente a la salmuera, que continúa evaporando agua y concentrándose, y así sucesivamente en los demás efectos. El vapor condensado en cada uno de los efectos produce vacío en la cámara anterior, vacío que, a su vez, favorece la evaporación. El avance de la salmuera en el sistema, determina un aumento ebulloscópico en la misma, consecuencia de su concentración en sales. Evaporación instantánea. En el proceso de destilación instantánea, el agua de mar se calienta en un intercambiador de calor con el vapor procedente de una caldera. El agua calentada entra en cada cámara encontrándose en ella una presión inferior a la que corresponde al equilibrio líquido-vapor a la temperatura a la que se encuentra, sufriendo una evaporación súbita. El vapor generado en la evaporación súbita se transforma en agua potable condensándose al recorrer los tubos del intercambiador que contienen agua que proviene de la siguiente etapa. Compresión de vapor. En este caso el sistema incluye un compresor interno, que se ocupa de aumentar la presión y temperatura del vapor producido en el evaporador. El agua de mar se precalienta en contacto con un intercambiador y se introduce en el evaporador, el vapor generado se comprime aumentando ligeramente su presión y temperatura, y posteriormente se descarga como vapor sobrecalentado al interior de los tubos del evaporador, actuando éste como medio de calefacción. Evaporación solar. Los colectores solares son el método ideal para producir agua en zonas áridas y muy aisladas del resto de las poblaciones. Aprovecha la energía calorífica solar disponiendo el agua en balsas de gran desarrollo superficial sobre las

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA que se crea una cámara húmeda que en la parte superior lleva planchas de vidrio o materiales plásticos traslúcidos donde condensan las gotas y resbalan hacía unos canales. Congelación. Los procesos de congelación, se basan en el enfriamiento del agua de mar hasta que se congela parte del agua contenida en la misma. Los cristales de hielo así formados quedan flotando en la salmuera residual de la que deben separarse. Hay sistemas en los que la congelación se realiza por evaporación de disolventes no miscibles con el agua (isobutano, n-butano, diclorometano, etc.), aunque están poco desarrollados. Formación de hidratos. Este método se basa en la posibilidad de obtener hidratos sólidos por combinación con derivados orgánicos halogenados, que se pueden separar de la salmuera y ser descompuestos posteriormente con recirculación del compuesto orgánico. Extracción con disolventes. Este método se basa en la separación a través de un sistema formado por el agua salina y un disolvente orgánico. Dicho disolvente debe ser inmiscible con la salmuera y parcialmente miscible en el agua pura. 2.02. PROCESOS BASADOS EN LA SEPARACIÓN DE LAS SALES.

En los procesos basados en la separación de sales se distinguen: la electrodiálisis, el intercambio iónico y la depuración química. Electrodiálisis. El fundamento de esta operación está en la limitación del movimiento de los iones disueltos en el agua hacia los electrodos de una célula por la colocación de unas membranas selectivas, respectivamente, a aniones y cationes. Intercambio iónico. Las exigentes condiciones que requieren las sustancias utilizadas como intercambiadores iónicos hacen que la salinidad máxima admitida para el agua a tratar no supere las 3.500 ppm, lo que limita enormemente el procedimiento. Ha sido utilizada para acondicionar aguas para calderas a partir de

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA vapores recogidos o acuíferos de poca salinidad pero con un alto contenido en calcio y magnesio. Depuración química. En este proceso el agua de mar es tratada con cloro y sulfato cúprico para precipitar la materia orgánica que posteriormente se separa. La adición de óxido de calcio y carbonato sódico a la corriente clarificada permite precipitar los iones: cloruro, sulfato, magnesio y calcio. El agua decantada de la operación anterior se trata con bicarbonato amónico, con lo que precipita el cloruro sódico. Finalmente, un tratamiento con carbón activo proporciona un agua de 200-300 ppm de sales. El carbón activo se regenera tratándolo con ácido clorhídrico y sosa caústica.

Tabla1. Capacidad

instalada mundial de las distintas tecnologías utilizadas en

la

desalinización. (Fuente Veza 2011).

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Tabla2. Procesos y métodos de desalinización. (Fuente Cubasolar).

2.03. DESTILACION SOLAR. Un destilador solar en esencia trata de reproducir a pequeña escala y de manera acelerada el ciclo natural del agua como puede observarse en la figura 2. El fenómeno natural de la evaporación del agua, se reproduce en un destilador solar con el empleo de la radiación solar como fuente energética para la obtención de agua destilada a partir de agua potable. Con este fin se han desarrollado diferentes prototipos de destiladores.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA El funcionamiento es en su base es sencillo. El agua salada o no potable entra en la cubeta, situada en el fondo, donde se calienta por la absorción de la radiación solar. Conforme aumenta la temperatura, el agua comienza a evaporarse. El aire húmedo, más caliente, asciende hasta la cubierta transparente, más fría, en cuya superficie, parte del vapor de agua se condensa, deslizándose hacia abajo y cae en el canal destinado para recoger el agua dejando la sal y otros minerales (no evaporables a baja temperatura) en la cubeta. Este proceso ocurre continuamente mientras el destilador esté recibiendo energía solar.

Figura 2. Fenómeno natural de la evaporación del agua.

2.04. TIPOS DE DESTILADORES SOLARES. Existen múltiples modelos y tamaños de destiladores solares. Aunque en todos el mecanismo de funcionamiento es semejante, la configuración de los distintos elementos determina que estos tengan una mayor o menor eficacia. Así podemos encontrar los siguientes modelos de destiladores:

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Destilador solar de una vertiente. Es quizá el modelo de destilador más sencillo de estructura. Es un destilador cuyo marco externo es una caja, formada por una capa de espesor suficiente, dependiendo del material con el que se fabrique, con el objetivo de reducir la conducción de energía a través del fondo y de las paredes laterales del recipiente. La caja está dividida en dos compartimentos, uno con el fondo de color negro donde se coloca el agua a evaporar, absorbedor, y que ocupa la mayor parte de la caja y el otro donde se recoge el agua destilada y que se encuentra en el lado de menor altura. El destilador posee además una cubierta cuadrangular transparente de vidrio, cuyas dimensiones son variadas, con un grosor de entre 3 y 5 mm. Colocada con una determinada inclinación (de 15° a 30°) respecto de las paredes del destilador. Esta inclinación debe ser tal que permita fluir hasta el colector a la totalidad del condensado, sin que nada caiga dentro del compartimiento. (Marchesi, 2006). En la Figura 3 se muestra un destilador solar de una vertiente en funcionamiento, con una inclinación de.

Figura 3. Destilador solar de una vertiente.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Destilador solar de batea efecto múltiple. Con esta configuración, la mayor pérdida de energía se produce en forma de calor latente de condensación del agua en la cubierta, con lo que la energía que es necesaria para producir el destilado es aproximadamente igual a su calor de vaporización. El

rendimiento

térmico

de

los

destiladores

solares

puede

incrementarse

significativamente hasta en un 10% reutilizando dicho calor en dos o más etapas. Así, en un destilador solar tipo batea se puede incorporar una superficie (o incluso más) entre el colector solar y el condensador. Sobre esta superficie, que sirve de fondo de un recipiente que contiene agua salada, se condensa el vapor del agua que proviene del colector solar. En dicha condensación el vapor cede su calor latente y calienta el agua salada contenida en este recipiente intermedio.

Figura 4. Destilador solar de batea efecto múltiple.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Destiladores solares de mecha. En estos equipos, el agua de alimentación fluye lentamente a través de un material poroso -mecha- que absorbe la radiación. Presenta dos ventajas fundamentales sobre los destiladores solares de batea. La primera es que permite que el material poroso por el que discurre el agua pueda inclinarse, con lo que se consigue un mejor ángulo con el Sol. Esto se traduce en una menor reflexión, y una mayor superficie efectiva. La segunda ventaja radica en que el material que conforma la mecha permite tener una capa de agua a desalar con un espesor muy fino, que puede ser calentada más rápidamente y hasta una temperatura superior, al presentar una menor capacidad calorífica. En cuanto a su forma geométrica, pueden construirse en varias configuraciones, aunque se dividen en dos grupos principales: de simple y de doble pendiente.

Figura 5. Destiladores solares de mecha.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Destilador solar de dos vertientes. Esté modelo consta de un tejado de material transparente de dos vertientes. Las gotas de agua que se han condensado en el panel transparente se deslizan por los lados y precipitan a un depósito situado bajo la bandeja donde se dispone el agua para destilar. En la Figura 6 se muestra un destilador solar de dos vertientes con cubiertas de vidrio de 5 mm colocadas a 45° respecto a la horizontal. (Rubio, 2005).

Figura 6. Destilador solar de dos vertientes.

Destilador solar de invernadero. Este es un modelo de destilador solar de gran tamaño. Se trata de estructuras de invernaderos que en su interior albergan un estanque de agua de poca profundidad y con el fondo de color negro. El agua evaporada se condensa en las paredes del invernadero y se desliza hacia los receptáculos situados en la base de las paredes. En esencia es el mismo modelo que el destilador solar de dos vertientes pero de grandes proporciones.

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Figura 7. Destilador solar de invernadero.

Destilador solar de cascada. Modelo de destilador en forma de terrazas. En la parte superior de cada una de las terrazas se disponen los estanques con fondo de color negro llenos de agua para destilar. Cuando la radiación solar incide en el destilador comienza la evaporación. El agua en estado gaseoso se condensa en una superficie transparente dispuesta de forma inclinada sobre las terrazas y se desliza hacia el receptáculo situado en la parte baja del destilador. El nombre de cascada le viene dado por los momentos en los que se repone agua para destilar o en los que se efectúan labores de limpieza. En estos procesos se deja correr el agua desde una cañería en la parte superior

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA provocando el efecto cascada conforme esta se desliza por las terrazas. En la base del destilador hay un desagüe para recoger la salmuera o otros residuos dejados por el agua al evaporarse.

Figura 8. Destilador solar de cascada.

El destilador solar inclinado de filtro. Un destilador solar inclinado de filtro utiliza la acción capilar de las fibras para distribuir el agua de alimentación sobre la superficie entera del filtro en una capa delgada. El agua entonces se expone a la luz del sol, un destilador solar inclinado de filtro permite que una temperatura más alta se forme en la superficie colectora. Este sistema es tan eficiente como el diseño del destilador solar de batea, pero su uso en el campo sigue siendo cuestionable debido a costes crecientes por el montaje, aislamiento, necesidad de limpieza continua del filtro la que involucra una cubierta desmontable.

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Figura 9. El destilador solar inclinado de filtro.

Destilador solar esférico de barredera. La particularidad de este modelo se basa en la forma esférica del material transparente así como en la introducción de una barredera que lame su cara interna y que está accionada por un pequeño motor. En una bandeja con fondo de color oscuro situada en la parte central de la esfera se coloca el agua a destilar. Este modelo tiene forma esférica buscándose favorecer la captación solar al evitarse las sombras que alguna parte del destilador pueda provocar en otra. Además la forma esférica logra mantener una mayor inercia térmica facilitando un mayor aprovechamiento del calor producido por la energía solar. Por su parte la barredera arrastra las pequeñas gotas que se van formando en el interior de la esfera juntándolas y provocando que se precipiten por gravedad a la parte baja donde se acumulan. Con el sistema de barredera se evita que las gotas reflejen la radiación solar y se permite que el agua en estado gaseoso se condense con mayor facilidad en las paredes. Estos factores aumentan el rendimiento del equipo si bien como contrapartida se tiene que es necesario suministrarle energía eléctrica para hacer posible el movimiento de la barredera.

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Figura 10. Destilador solar esférico de barredera.

Destilador solar multietapa. Este es un modelo más complejo y eficiente que emplea sistemas de colectores solares complejos (concentradores parabólicos, tubos de vacío, e incluso sistemas de placa plana de alta eficiencia) para alcanzar altas temperaturas y llevar al punto de ebullición al agua. El vapor de agua se condensa con ayuda de un refrigerante y el calor se recupera y se almacena en depósitos. Este sistema requiere ya de inversiones importantes. El sistema multietapa solar no difiere apreciablemente de su versión convencional. El objetivo es el mismo, separar agua poco salina de la solución mediante la evaporación, pero recuperando repetidas veces el calor de condensación del agua para que mediante un proceso de destilación en diversas etapas se reduzca el consumo de energía térmica aproximadamente unas 50 kcal/kg de agua, es decir, a menos de un décimo de una destilación sin recuperación. En el sistema solar de desalinización multietapa, el foco térmico es la energía solar. Con la finalidad de regularizar el funcionamiento de los destiladores multietapas, es esencial disponer de un importante sistema de almacenamiento de energía. Las temperaturas operativas de un sistema de este tipo se sitúan para el máximo rendimiento en rangos del orden de los 100ºC. Esto obliga al empleo de colectores

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA de concentración, o de vacío, si bien esta última solución no ha sido ensayada a suficiente escala.

Figura 11. Destilador solar multietapa.

2.05. APLICACIONES DE LOS PROCESOS DE DESTILACIÓN. Existen infinidad de aplicaciones de la operación de destilación. Se emplean en numerosas industrias desde la industria petroquímica a la farmacéutica. Se puede afirmar que prácticamente en cualquier proceso químico existe una destilación debido a la necesidad de separación de ciertos componentes de otros menos valiosos. Destilación fraccionada Este proceso, conocido como rectificación o destilación fraccionada, se utiliza mucho en la industria, no sólo para mezclas simples de dos componentes (como alcohol y agua en los productos de fermentación, u oxígeno y nitrógeno en el aire líquido), sino también para mezclas más complejas como las que se encuentran en el alquitrán de hulla y en el petróleo.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Destilación por vapor. Si dos líquidos insolubles se calientan, ninguno de los dos es afectado por la presencia del otro (mientras se los remueva para que el líquido más ligero no forme una capa impenetrable sobre el más pesado) y se evaporan en un grado determinado solamente por su propia volatilidad. Por lo tanto, dicha mezcla siempre hierve a una temperatura menor que la de cada componente por separado. El porcentaje de cada componente en el vapor sólo depende de su presión de vapor a esa temperatura. Este principio se puede aplicar a sustancias que podrían verse perjudicadas por el exceso de calor si fueran destiladas en la forma habitual. Destilación al vacio. Otro método para destilar sustancias a temperaturas por debajo de su punto normal de ebullición es hacer el vacío parcial en el alambique. Por ejemplo, la anilina puede ser destilada a 100 °C extrayendo el 93% del aire del alambique. Este método es tan efectivo como la destilación por vapor, pero más caro. Cuanto mayor es el grado de vacío, menor es la temperatura de destilación. Si la destilación se efectúa en un vacío prácticamente perfecto, el proceso se llama destilación molecular. Este proceso se usa normalmente en la industria para purificar vitaminas y otros productos inestables. Se coloca la sustancia en una placa dentro de un espacio en el que se ha hecho el vacío y se calienta. El condensador es una placa fría, colocada tan cerca de la primera como sea posible. La mayor parte del material pasa por el espacio entre las dos placas, y por lo tanto se pierde muy poco. Destilación molecular centrifuga. Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y se coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA la separación más eficaz. Por ejemplo, la separación del hexafluoruro de uranio gaseoso, UF6, en moléculas que contienen dos isótopos diferentes del uranio, uranio 235 y uranio 238, puede ser llevada a cabo por medio de la destilación molecular centrífuga. Destilación destructiva. Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponiéndola en varios productos que se separan por fraccionamiento en la misma operación, el proceso se llama destilación destructiva. Sus aplicaciones más importantes son la destilación destructiva del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva. 3. PARAMETROS Y PROPIEDADES DEL AGUA. 3.01. ESTADOS DEL PROCESO DE DESTILADO. La molécula de agua libre y aislada, formada por un átomo de Oxigeno unido a otros dos átomos de Hidrogeno es triangular. El ángulo de los dos enlaces (H-OH) es de 104,5º y la distancia de enlace O-H es de 0,96 A. Puede considerarse que el enlace en la molécula es covalente, con una cierta participación del enlace iónico debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos que la forman. La atracción entre las moléculas de agua tiene la fuerza suficiente para producir un agrupamiento de moléculas. La fuerza de atracción entre el hidrógeno de una molécula con el oxígeno de otra es de tal magnitud que se puede incluir en los denominados enlaces de PUENTE DE HIDRÓGENO. Estos enlaces son los que dan lugar al aumento de volumen del agua sólida y a las estructuras hexagonales. A continuación se explican los estados en los que quedará el agua en nuestro proceso de destilado.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA 1. Agua desmineralizada. Es aquel tipo de agua que se genera por el paso de agua impura a través de una columna rellena de esferas de una mezcla de dos resinas sintéticas denominadas “resinas de intercambio iónico” que poseen la propiedad de ir secuestrando los iones de las sales disueltas y cambiándolos por iones hidrógeno y oxhidrilo que forman agua. La reacción es instantánea y pasan pocos segundos desde el ingreso del agua a tratar y la salida del agua desmineralizada por la columna de intercambio. (Nuñez, 2007) 2. Agua destilada. Es aquella a la que se le han eliminado las impurezas e iones mediante destilación. La destilación es un método en desuso para la producción de agua pura a nivel industrial. Esta 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 grifo común, carece de muchos iones que producen la conductividad, tales como cloruros, magnesio y fluoruros. (WIKIPEDIA, 2010) Tipo I.- Agua preparada por destilación, pulida por medio de un tratamiento de resinas de intercambio mezcladas y filtrada a través de una membrana de 0.2 μm, de manera que tenga una conductividad final máxima de 0.06 μS/cm. Tipo II.- Agua producida por un destilador diseñado para producir un destilado que tenga una conductividad final máxima de 1.0 μS/cm. Tipo III.- Agua preparada por destilación, intercambio iónico u ósmosis inversa y filtrada a través de una membrana de 0.45 μm, con una conductividad final máxima de 0.25 μS/cm. 3.02. PARAMETROS A EVALUAR EN EL AGUA DESTILADA.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA A continuación se presenta una descripción general de los parámetros a evaluar según la norma 1080 para calidad de agua: a) Unidades formadoras de colonias UFC/ml Las unidades formadoras de colonias o UFC indican el grado de contaminación microbiología de un ambiente o medio. Refleja el número relativo de microorganismos de una especie determinada en un volumen de un metro cúbico de agua sus unidades de medición son: UFC/ml (UFC por mililitro). Una de la técnicas para el cálculo de UFC/ml es utilizando en un contador de colonias simple. Se marca el vidrio sobre cada colonia con la punta de un rotulador. Se calculan las colonias o el recuento de organismos vivos/ml multiplicando el número medio de colonias por placa contable por el recíproco de la dilución. Se da el informe como «unidades formadoras de colonias/ml» (ufc) o como «recuento de organismos vivos/ml» y nunca como «bacterias/g o /ml». b) Conductividad eléctrica La conductividad es una variable que se controla en muchos sectores, desde la industria química a la agricultura. Esta variable depende de la cantidad de sales disueltas presentes en un líquido y es inversamente proporcional a la resistividad del mismo. Con los instrumentos convencionales, la medida de la conductividad se obtiene aplicando un voltaje entre dos electrodos y midiendo la resistencia de la solución. Las soluciones con conductividad alta producen corrientes más altas. La conductividad se define como la capacidad de una sustancia de conducir la corriente eléctrica y es lo contrario de la resistencia. La conductividad de una solución se determina por un movimiento molecular. La temperatura influye en dicho movimiento, por lo que es necesario tomarla en cuenta cuando se realizan mediciones de precisión. Generalmente, para realizar mediciones comparativas, la temperatura de referencia es de 20 ºC ó 25 ºC. Para corregir los efectos de la temperatura, se utiliza un factor de compensación ß. Se expresa en % / ºC que varía de acuerdo con la

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA composición de la solución que se está midiendo. En la mayor parte de las aplicaciones, el coeficiente ß se fija en 2% / ºC. c) PH El nivel ácido o básico relativo de la solución se mide por el pH. El pH es la medida de la concentración de iones de

hidrogeno en el agua,

específicamente el logaritmo (log) de la concentración de iones de hidrógeno. La medida del pH se basa en una escala de 1 a 14, con un pH 7.0 neutro (ni ácido ni básico), con igual número de iones hidroxilo (OH-) e hidrógeno (H+). Un pH menor a 7.0 es ácido y un pH mayor a 7.0 es básico. Como el valor del pH se expresa en forma logarítmica, un pH de 6.0 es 10 veces mas ácido que un pH de 7.0, y un pH de 5.0 es 100 veces más ácido que un pH de 7.0. El pH tiene efecto en muchas fases del tratamiento del agua tales como coagulación, cloración y ablandamiento del agua. El agua destilada por definición es ligeramente ácida ronda un pH de 5,8. El motivo es que el agua destilada disuelve el dióxido de carbono del aire. Disuelve dióxido de carbono hasta que está en equilibrio dinámico con la atmósfera. Esto significa que la cantidad que se disuelve equilibra la cantidad que sale de la disolución. La cantidad total en el agua se determina por la concentración en la atmósfera. El dióxido de carbono disuelto reacciona con el agua y finalmente forma ácido carbónico. 2 H2O + CO2 H2O + H2CO3 (ácido carbónico) (H30+) (agua cargada acidificada) + (HCO3-) (ión bicarbonato cargado)

Solo recientemente se ha conseguido producir agua destilada con un valor de pH de aproximadamente 7, pero debido a la presencia del dióxido de carbono alcanzará un valor de pH ligeramente ácido en un par de horas. Además, es importante mencionar que el pH del agua destilada es difícil de medir. No solo porque recoge rápidamente los contaminantes – tales como el dióxido de carbono (CO2) – afectando a su pH, sino que además tiene una baja conductividad que puede afectar la precisión de los medidores de pH. Por ejemplo, la absorción de unas pocas ppm de CO2 puede provocar que el pH

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA del agua destilada caiga a 4,5, aunque el agua todavía sea esencialmente de alta calidad. La estimación más precisa del pH del agua destilada se obtiene midiendo su resistencia; para una resistencia dada, el pH debe encontrarse dentro de ciertos límites. Por ejemplo, si la resistencia es de 10,0 MWcm, el pH debe estar entre 6,6 y 7,6. La relación entre la resistencia y el pH del agua ultra pura se muestra en la figura 12.

Figura 12.Resistividad eléctrica frente al pH del agua destilada.

d) Carbono orgánico total (COT) Es la cantidad de carbono unido a un compuesto orgánico y se usa frecuentemente como un indicador no específico de calidad del agua o del grado de limpieza de los equipos de fabricación de medicamentos. Se mide por la cantidad de dióxido de carbono que se genera al oxidar la materia orgánica en condiciones especiales. El COT es la medida directa del material orgánico, oxidable, con base de carbón, en el agua. Un análisis típico del COT mide tanto el carbono total (CT) presente como el carbono inorgánico total (CIT). Restando el Carbono inorgánico total del Carbono total obtenemos el Carbono orgánico total.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA 4. FLUJOS DE ENERGÍA Y ECUACIONES EN EL INTERIOR DE UN

DESTILADOR SOLAR. En un destilador solar ocurren diversos procesos térmicos que caracterizan su funcionamiento. Dicho funcionamiento se realiza como sigue: de la radiación solar incidente en la cubierta del destilador solar, una pequeña parte es absorbida y otra es reflejada por el vidrio, gran parte atraviesa el vidrio y es absorbida por el agua y el material del fondo del destilador. La energía absorbida calienta el agua que se va a destilar y el fondo del destilador, el cual transfiere gran parte de su energía en forma de calor a la masa de agua, la cual eleva su temperatura, por lo que aumenta el movimiento de sus moléculas. Ese movimiento se hace más intenso a medida que aumenta la temperatura del agua, lo que provoca que una parte de las moléculas deje la superficie del agua por evaporación e incremente la humedad del aire cercano a la superficie del agua, lo que genera corrientes convectivas dentro del destilador. La transferencia del vapor de agua del evaporador al condensador se lleva a cabo por difusión y por la convección del aire húmedo. El aire húmedo y caliente sube hacia la cubierta de vidrio, donde parte del vapor de agua se condensa y resbala hacia el canal de recolección, ya como agua destilada. Los procesos físicos de transferencia de calor y masa que van a tener lugar en el destilador solar, se representan en la figura13.

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Figura 13.Relaciones de flujos de calor en un destilador solar.

Estos flujos de calor o balances térmicos que se van a producir en nuestro destilador son los que a continuación se describen:

Perdida de calor a través de las paredes o pérdida por conducción. (

)

Para el caso en el cual el destilador se encontrare ubicado sobre una superficie o enterrado en la tierra deberá considerarse la transferencia de calor como un sólido semi-infinito, sin embargo las condiciones previas de diseño (para este estudio) establecen que el modelo experimental se encuentra sobre una estructura lo que ocasiona que sufra perdidas de calor por conducción a través de la base y de las paredes del destilador. Considerando el área de transferencia de calor de las paredes con respecto a la base se asume que la cantidad de calor que el sistema perderá a través de las paredes es relativamente despreciable con respecto a aquel calor que pierde a través de la base.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA El calor perdido por conducción a través de las paredes del equipo por unidad de área se determina mediante la siguiente ecuación:

Donde: : Calor perdido por conducción 𝐾𝑏: Resistencia térmica equivalente del aislante 𝑇𝑤: Temperatura media del agua 𝐾 𝑇𝑎: Temperatura ambiente 𝐾

Calcularemos la resistencia térmica equivalente, para saber que calor por conducción se perderá. Esta fórmula viene definida por:

Donde: 𝑅t𝑒 : Resistencia equivalente de los materiales 𝑒 𝑒 𝑒 : Espesores de materiales. : Coeficientes de transferencia de calor por conducción.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA Transferencia de calor por convección. Para realizar el siguiente cálculo es necesario tomar en cuenta la relación de la velocidad del viento como lo indica la ecuación:

Hct= .𝟖+ 𝒗 Donde:

Hct: Coeficiente de calor convectivo 𝑣: Velocidad del viento promedio que existe en el área de influencia ( ) El coeficiente de transferencia de calor convectivo determina la resistencia térmica equivalente del aislante 𝐾𝑏:

𝒗

Calor perdido por radiación del vidrio ( 𝒓𝒗). De la superficie del vidrio se pierde calor por radiación y esta se puede calcular mediante la siguiente formula cuya ecuación esta dará por la ley de Stefan Boltzman: 𝒓𝒗

𝒗

𝒗

La temperatura del cielo puede calcularse de la siguiente manera (CINEMAT, 2002):

[ 𝟖

]

Donde: 𝑇𝑑𝑝: Temperatura de rocío. 𝐾 𝑇𝑎: Temperatura ambiente. 𝐾 Y la temperatura de rocío mediante:

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA 𝟖

√

Donde: 𝐻: Humedad relativa del ambiente. 𝑇: Temperatura ambiente 𝐾

Calor perdido por convección del vidrio (qcv). Si existe una diferencia de temperatura en el interior del líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento en el fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frio y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecanica de fluidos. Debido a la velocidad del viento y a la diferencia de temperatura del vidrio y el aire existe perdida de calor por el efecto combinado de la conduccion y la conveccion que viene a estar dado por: 𝒗

𝒗

𝒗

Donde:

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA 𝑣 : Coeficiente de transferencia de calor convectivo del vidrio 𝑣 : Calor perdido por convección del vidrio 𝑇𝑣 : Temperatura del vidrio 𝐾 𝑇𝑎 : Temperatura ambiente 𝐾

Con lo que puede determinarse la igualdad: 𝒗= Y así poder calcular el calor perdido por convección del vidrio. Calor perdido por radiación del agua ( 𝒓 ). Es un tipo de energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las 57 configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En lo que respecta a la transferencia de calor es de interés la radiación térmica o forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. La radiación térmica suele corresponder a la banda de frecuencias del infrarrojo. Todos los objetos emiten en energía radiante, cualquiera sea su temperatura, por ejemplo el Sol, la Tierra, la atmósfera, los Polos, las personas, etc. La energía radiada por el Sol a diario afecta nuestra existencia en diferentes formas. Esta influye en la temperatura promedio de la tierra, las corrientes oceánicas, la agricultura, el comportamiento de la lluvia, etc.. Sin embargo, la radiación térmica suele considerarse como un fenómeno superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que la radiación emitida por las regiones interiores de un material de este tipo nunca puede llegar a la superficie y la radiación incidente sobres esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia dentro en dichos sólidos.

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más rápida, a la velocidad de la luz. No sufre atenuación en el vacío. Si se considera la transferencia de radiación por una superficie de área A, que se encuentra a una temperatura T. La radiación que emite la superficie, se produce a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie. La rapidez a la cual se libera energía se llama potencia de radiación H, su valor es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Esto se conoce como la ley de Stefan (Joseph Stefan, 1835-1893), que se escribe como:

Donde σ= 5.67x10-8

se llama constante deStefan-Boltzmann y ε es una

propiedad radiativa de la superficie llamada emisividad, sus valores varían en el rango 0 400 nm) no elimina las bacterias con suficiente efectividad y la UV-B (280-320 nm) sólo se transmite a través de un vidrio especial (Pyrex) y llega a la superficie de la tierra con muy baja intensidad. El PET (terephtalato de polietileno) presenta una buena transmitancia frente a la radiación UV-A, Como consecuencia de esto, la relación área de exposición / volumen de agua es bastante baja, lo que significa que el agua no calentará hasta la mayor temperatura posible y la intensidad de radiación UV-A se verá muy reducida en la parte baja, por esto mismo, siempre tendremos 10cm de espesor de agua. Esto incrementa la relación área de exposición / volumen de agua y por lo tanto mejora el proceso de inactivación.

Razones por los vasos colectores del destilador no superen los 10cm de nivel de agua:

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA  Calentamiento más rápido y temperaturas máximas mayores en comparación con mayores niveles de agua.  Eficiencia mayor en la inactivación de bacterias y virus. Espectro de la radiación solar. El sol irradia continuamente cantidades enormes de energía con longitudes de onda que cubren el rango ultravioleta, visible y infrarrojo. No toda la radiación solar que llega a las capas superiores de la atmósfera alcanza la superficie de nuestro planeta.

Figura 56. Indice máximo de radiación ultravioleta. Fuente AEMET.

La atmósfera terrestre actúa como un filtro selectivo de las diferentes componentes de la radiación solar en su trayectoria hacia la superficie terrestre. Gases atmosféricos y partículas cuyo tamaño es inferior a la longitud de onda de una radiación específica dispersan preferencialmente radiaciones con longitudes de onda cortas en comparación con las de longitud más larga. Asimismo la mayor parte de la radiación con un rango de longitudes de onda entre 200 y 300 nm es absorbida por la capa de ozono (O3) en la atmósfera superior. Distribución global de la energía solar La intensidad de la radiación solar no está distribuida uniformemente en la superficie terrestre y varia en función de la latitud, altitud, estación y hora del día. El área geográfica más favorable se encuentra entre

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MÁSTER EN INGENIERÍA DEL AGUA UNIVERSIDAD DE SEVILLA 15º y 45º de latitud Norte y Sur y corresponde a las regiones del planeta más favorables para la implementación de tecnologías solares. Estas regiones generalmente semiáridas se caracterizan por recibir mayor cantidad de radiación solar, de la cual más del 90% llega como radiación directa debido a la baja nebulosidad y escasez de lluvias (menos de 250 mm por año y generalmente más de 3000 horas de sol al año). La segunda zona más favorable se encuentra entre la linea del Ecuador y 15° de latitud (N y S). Estas regiones se caracterizan por su alta humedad y frecuente nubosidad, por lo cual la proporción de radiación dispersa es alta. En promedio, estas áreas se benefician con unas 2500 horas de sol al año. Es importante destacar que la mayor parte de los países en desarrollo se encuentran dentro de las zonas más favorables entre 35°S y 35°N*. Por esta razón, pueden contar con la radiación solar como fuente constante de energía, la cual puede ser explotada a bajo costo para numerosas aplicaciones, incluso la desinfección solar del agua de consumo humano. La tasa de inactivación de los microorganismos aumenta con el decrecimiento de las longitudes de onda, es decir la eficiencia de la desinfección aumenta cuando se recorre el espectro de la radiación solar hacia las ondas cortas: luz visible UV-A UVB UV-C (