Construcción-de-un-Desalinizador-Solar-Multietapas

1 Autor - Vicente Olavarría Baeza

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"Construcción de un Desalinizador Solar Multi-etapas para el estudio de variantes en el diseño que mejoren su

rendimiento"

Casi la totalidad del agua que esta en el planeta Tierra, corresponde a agua salada del mar (figura 1). Solo una minúscula parte corresponde a agua dulce o bebible. Sin embargo de esta misma agua, gcongelada o en aguas subterráneas, dejando solo un 0,4% del agua potable del planeta disponible en aguas superficiales, las cuales principalmente se encuentran en lagos, ríos y humedales (figura 2).

Océanos; 97,5%

Lagos de agua dulce, 67,4%

Ríos; 1,6%

Plantas y animales, 0,8%

Aguas superficiales y en la atmósfera

Autor - Vicente Olavarría Baeza www.gea.usm.cl

INTRODUCCIÓN

Casi la totalidad del agua que esta en el planeta Tierra, corresponde a agua salada del mar (figura 1). Solo una minúscula parte corresponde a agua dulce o bebible. Sin embargo de esta misma agua, gran parte se encuentra congelada o en aguas subterráneas, dejando solo un 0,4% del agua potable del planeta disponible en aguas superficiales, las cuales principalmente se encuentran en lagos, ríos y humedales (figura 2).

Figura 1.

Figura 2.

Océanos;

Agua Dulce, 2,5%

Agua total en el mundo

Lagos de agua

Humedad del suelo, 12,2%

Atmósfera; 9,5%Humedales,

8,5%Ríos; 1,6%


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Casi la totalidad del agua que esta en el planeta Tierra, corresponde a agua salada del mar (figura 1). Solo una minúscula parte corresponde a agua

ran parte se encuentra congelada o en aguas subterráneas, dejando solo un 0,4% del agua potable del planeta disponible en aguas superficiales, las cuales principalmente se

Agua Dulce, 2,5%

Humedad del suelo, 12,2%


Desde siempre la presencia del agua en la superficie de la tierra ha derivado en la presencia de asentamientos humanos. Y la explicación de eso es obvia. No es posible vivir sin este recurso, el cuerpo humano puede soportar cierto tiempo sin comer, pero soporta much

La tendencia del

evidenciado que el 84% del agua que se utiliza corresponde a riego agrícola, lo cual denota la importancia que tiene este bien en el campesinado. La industria y la minería no consumen más que el promedio mundial, mientras que el agua para uso domestico en nuestro país es cercano al 4% de la disponible, lo cual es la mitad del promedio mundial.

No es nueva la problemática que ocurre en el mundo

abastecimiento de agua potable para las comunidades, de hecho lpredice que para el año 2020 la escasez de agua se convertirá en uno de los peores problemas alrededor del mundo.

Existen diversos de los primeros que se conoce fue realizado por el ingeniero Charles Wilson, quien en 1872 creo un desalinizador en la zona de Las SalinasAntofagasta, para abastecer de agua a los mineros de ese lugar. era capaz de producir un promedio de 4 litros por metro cuadrado de superficie

Riego,84%

Doméstico

Consumo del agua en Chile


pre la presencia del agua en la superficie de la tierra ha derivado en la presencia de asentamientos humanos. Y la explicación de eso es obvia. No es posible vivir sin este recurso, el cuerpo humano puede soportar cierto tiempo sin comer, pero soporta mucho menos sin beber.

La tendencia del uso de este recurso en Chile en los últimos años, ha % del agua que se utiliza corresponde a riego agrícola, lo

cual denota la importancia que tiene este bien en el campesinado. La industria ería no consumen más que el promedio mundial, mientras que el agua

para uso domestico en nuestro país es cercano al 4% de la disponible, lo cual es la mitad del promedio mundial. (Figura 3)

Figura 3.

No es nueva la problemática que ocurre en el mundo abastecimiento de agua potable para las comunidades, de hecho lpredice que para el año 2020 la escasez de agua se convertirá en uno de los peores problemas alrededor del mundo.

xisten diversos métodos conocidos para desalinizar agque se conoce fue realizado por el ingeniero Charles Wilson,

quien en 1872 creo un desalinizador en la zona de Las SalinasAntofagasta, para abastecer de agua a los mineros de ese lugar.

ducir un promedio de 4 litros por metro cuadrado de superficie

Industria, 7%

Doméstico4%


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pre la presencia del agua en la superficie de la tierra ha derivado en la presencia de asentamientos humanos. Y la explicación de eso es obvia. No es posible vivir sin este recurso, el cuerpo humano puede soportar

o menos sin beber.

uso de este recurso en Chile en los últimos años, ha % del agua que se utiliza corresponde a riego agrícola, lo

cual denota la importancia que tiene este bien en el campesinado. La industria ería no consumen más que el promedio mundial, mientras que el agua

para uso domestico en nuestro país es cercano al 4% de la disponible, lo cual

No es nueva la problemática que ocurre en el mundo con respecto al abastecimiento de agua potable para las comunidades, de hecho la UNESCO predice que para el año 2020 la escasez de agua se convertirá en uno de los

conocidos para desalinizar agua de mar. Uno que se conoce fue realizado por el ingeniero Charles Wilson,

quien en 1872 creo un desalinizador en la zona de Las Salinas, cerca de Antofagasta, para abastecer de agua a los mineros de ese lugar. Ese sistema

ducir un promedio de 4 litros por metro cuadrado de superficie

Minería, 5%

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de vidrio y para conseguir una cantidad cercana a 20 metros cúbicos al día, era necesaria una superficie de casi 5 mil metros cuadrados.

Actualmente la gran industria usa una amplia variedad de métodos, destacándose de dos tipos. El primero se conoce por destilación, mediante energía térmica produce un cambio de fase del agua, mientras que el segundo es la filtración, por medio de membranas y energías eléctrica y/o mecánica. Los procesos más importantes con energía eléctrica son la electrodiálisis. Con energía mecánica esta la osmosis inversa. Con cambio de fase está la compresión mecánica de vapor y con energía térmica, está la desalinización multiefecto (MED) y la desalinización súbita multietapa. La gran problemática que encierran todos estos procesos, es que a mayor eficiencia de los dispositivos, los costos de obtención aumentan considerablemente, ubicando a la mayoría de ellos en prototipos pioneros de investigación para el futuro. Las últimas variantes de estos métodos incluyen en uso de tecnología híbrida, que una los bajos costos de las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) con los métodos investigados. A modo de ejemplo se conoce la utilización de energía eólica en plantas de Osmosis Inversa en Instituto Tecnológico de Canarias en Pozo Izquierdo, Gran Canaria o el proyecto Solar Thermal Desalination de la Plataforma Solar de Almería, ambos en España.

Técnicamente, a un desalinizador que basa su operación en energía solar, se le denomina Solar Still, que corresponde a modelos similares al creado por Wilson. Su desventaja es su baja eficiencia, dependiendo como consecuencia, de una amplia superficie de captación solar, aumentando así el costo del equipo. Este dispositivo básicamente consiste en un estanque almacenador del agua que se quiere desalinizar, que es cubierto con un vidrio con cierta inclinación. Por el efecto invernadero, ocasionado por la radicación solar, se eleva la temperatura interior provocando la evaporación de la capa de agua ubicada en la superficie del estanque, evaporando y condensando en la superficie interna de la cubierta, cayendo el agua condensada a canales de recolección.

Un sistema que ha sido investigado en la actualidad, debido a las mejoras en su eficiencia, y mínimo consumo de energía electro-mecánica, son los Desalinizadores Multi-Efectos o MED (Multi Effect Distillation), los cuales mediante sucesivas etapas (o efectos) de evaporación y condensación realizadas una por sobre otra, permitiendo aumentar el rendimiento térmico total de la instalación. En la Plataforma Solar de Almería (dependiente del CIEMAT), se instaló a inicios de la década de los 90’s un sistema desalinizador de múltiples efectos, de 14 etapas con temperatura nominal de operación de 70[ºC], usando para el ciclo de absorción de calor, un ciclo de doble efecto, que utiliza una mezcla de agua destilada con Br-Li como fluido de trabajo. A lo largo de casi quince años de investigación, han podido demostrar que los costos de un sistema solar de desalinización MED resultan muy cercanos a las plantas convencionales de ósmosis inversa (hasta ahora las mas económicas). La desventaja de las plantas de OI es que funcionan con electricidad, por lo que aun no se puede hablar de independencia energética sustentable. Estos


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antecedentes muestran como el uso de las ERNC se hará más rentable conforme se tome conciencia a nivel mundial el gran impacto medioambiental que producen las energías convencionales como las basadas en combustibles fósiles, que tarde o temprano se acabarán.

Se investigó el estado del arte, pudiéndose determinar que hay un campo amplio en las tecnologías MED, que fueron estudiadas desde hace décadas, pero actualmente están dejadas un poco de lado por la aparición al mercado de la osmosis inversa. La razón por la cual el primero no es tan masivo como el segundo, se debe a que necesita una fuente constante de energía para poder calentar la masa de agua necesaria para trabajar.

Dentro del estudio que se realizó, se propusieron diversos dispositivos basados en tecnologías multiefecto, destacando el trabajo doctoral del Ing. Eduardo Gálvez Soto, actual Decano de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Tarapacá. Luego de proponer mejoras, se pudo destacar que lo que diferencia a este proyecto con los dispositivos anteriores, es que se actualizarán materiales y precios, para reducir costos de fabricación, buscando poder aprovechar los recursos energéticos renovables, todo dentro del marco de trabajos que se realiza en el grupo de Generación de Energías Alternativas de la Universidad Técnica Federico Santa María – GEA UTFSM - para poder transferir tecnologías en métodos que usan energías renovables a las personas que las necesiten.


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INDICE

Introducción……………………………………………………………………………………….pág. 2

Índice………………………………………………………………………………………………....pág.6

Resumen ejecutivo…………………………………………………………………………....pág.7

Aportes externos………………………………………………….…………………………...pág. 8

Cursos de extensión…………………………………………..……………………………..pág. 8

Objetivos………………………………………………………………………………….………. pág. 9

Descripción del diseño…………………………………………………….…………….…pág.10

Etapa 1: Descripción del trabajo realizado. ……………………………..…..pág. 11

Etapa 2: Descripción del trabajo realizado. …………………………...…..pág. 18

Conclusiones etapas 1 y 2………………………………………………………..…..pág. 23

Etapa 3: Descripción de etapa final………………………………..…………...pág. 24

Análisis del agua trabajada y obtenida……………………………..…………..pág. 27

Conclusiones……………………………………………………………………………….…..pág. 28

Bibliografía y Referencias………………………………………………………………..pág. 29

Anexo Gráfico 1…………………………………………………………………………….…pág. 30

Anexo Gráfico 2…………………………………………………………………………….…pág. 31

Anexo Gráfico 3………………………………………………………………………….……pág. 32

Anexo Gráfico 4………………………………………………………………….……………pág. 33

Anexo Gráfico 5………………………………………………………………………….……pág. 34

Anexo Gráfico 6…………………………………………………………….…………………pág. 35


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RESUMEN EJECUTIVO

El siguiente proyecto, plantea el diseño, construcción y operación de un sistema desalinizador de agua de mar que opera con múltiples efectos. El dispositivo consta de dos equipos. El primero es el colector solar plano que usa como fluido de trabajo, agua destilada con anticongelante. El segundo equipo es el desalinizador, con 4 bandejas, vidrio inclinado e intercambiador de calor al interior del estanque primario.

La motivación para su realización, se enmarca en los proyectos que el grupo de Generación de Energías Alternativas –GEA- realiza con la intención de realizar transferencia tecnológica de sus proyectos hacia la comunidad. Este proyecto busca solucionar de una manera económica los problemas de abastecimiento de agua dulce en las zonas que lo requieran.

El diseño se realizó en computador, permitiendo dimensionar la cantidad de materiales a usar. Se seleccionaron materiales que cumplieran con las características de ser fácil de conseguir en ferreterías y fáciles de trabajar. Con esto, se utilizaron fibrocemento, perfiles de fierro, planchas de cobre y resinas epóxicas para el sello, entre otros.

Una vez construido el dispositivo, comenzaron las pruebas. La marcha blanca se inició con agua potable para detectar fugas. Lo que se buscó con las pruebas, era detectar fugas de vapor y corregir errores de operación. Se conectaron cuatro mangueras al dispositivo, las cuales conducirían el agua destilada producida en cada bandeja o efecto. La primera estaría conectada a la canaleta que esta sobre el estanque primario y bajo la primera bandeja. La segunda conecta con la canaleta bajo el segundo efecto y acumularía además el agua condensada en las superficies interiores y el vidrio inclinado. La tercera y cuarta manguera, están debajo de las bandejas 3 y 4 respectivamente. El agua sería depositada en envases plásticos, donde se mediría la producción diaria de cada sector.

Los días de prueba fueron meteorológicamente irregulares, ya que al efectuarse durante el invierno se presentaban comúnmente neblina matinal o lluvia, que mojaban los equipos, así como días nublados, los que a su vez reducían la radiación solar directa. Los resultados, por lo mismo, no son los óptimos que se buscaban, sin embargo, con las constantes pruebas, se pudieron determinar una serie de datos que permiten que el equipo este correctamente operativo para los días de verano, donde se conseguirían los mejores rendimientos y productividad de agua. Para determinar si los equipos térmicos funcionaban correctamente, se utilizaron datalogger en la entrada y salida del colector solar, así como en un termómetro para capturar datos de temperatura ambiente y en un piranómetro para radiación solar, todos censando simultáneamente, con lo cual se podrían comparar la variación de temperatura dentro del desalinizador, por medio del intercambiador de calor, así como poder determinar el efecto del sol.

La interpretación de los resultados obtenidos indican que el colector alcanza temperaturas de 70[ºC] y que el intercambiador permite una variación de temperatura de 10[Cº], que se distribuyen hacia el agua del estanque primario y por fugas de calor al exterior. La producción diaria promedio fue de 2,5 litros de agua condensada, mientras que se pudo detectar que cerca de 5 litros eran evaporados al día. Se entiende que el agua se evapora, pero no logra condensarse dentro del dispositivo, si no que el vapor se fuga al exterior. Se deberán tomar las medidas para evitar este problema. También se pudo observar que la segunda canaleta es la que transporta mas agua, mientras que las canaletas 3 y 4 casi no dan aporte de agua.


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APORTES EXTERNOS

Se consideró aporte externo a la ayuda brindada por personas o instituciones externas a la UTFSM, con el fin de desarrollar o apoyar este proyecto. Primeramente se agradece a Virutex Ilko S.A. por su ayuda para construir bandejas de acero enlozado sin necesidad de desarrollar una matriz, lo cual hubiera encarecido más el proyecto. Estas bandejas sirvieron para comparar el efecto del agua de mar en el metal. Además en este mismo ítem, se agradece el apoyo de CODELCO, que por medio del Proyecto LEC, ayudo a la adquisición de planchas de cobre electrolítico para la construcción de la bandeja de cobre, las canaletas y el intercambiador de calor, pieza fundamental dentro del dispositivo.

CURSOS DE EXTENSION

Con la intención de entender de mejor manera el uso de la energía solar, se incluyó en la malla académica la asignatura electiva Heliotecnia, dictada por el Profesor Ing. Pedro Sarmiento, encargado del Laboratorio de Energía Solar de la UTFSM. Esta asignatura ayudó a entender de mejor manera el uso de dispositivos solares con el fin de diseñar el dispositivo requerido.

Además, se participó en el I Taller de Propiedad Industrial (Invenciones), dictada por el perito de patentes, Ing. Hernán Gómez Duff, y organizada por la Dirección General de Docencia de la UTFSM, por medio del Programa de Iniciativas Estudiantiles Académicas (PIE-A). Vale mencionar que se presentó este trabajo como proyecto final del taller, consiguiendo la nota más alta del curso (93%) por sus características innovativas.


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OBJETIVOS

El objetivo principal de este proyecto fue desarrollar un Desalinizador Solar Multi-etapas que sea económico y sencillo de fabricar, el cual permita el estudio de variables para aumentar su eficiencia. Además, dentro de los objetivos específicos, están: 1. Investigar el uso de la energía solar en desalinizadores, con el fin de

aportar a la comunidad opciones para conseguir agua destilada en un futuro no muy lejano.

2. Investigar y medir el funcionamiento de distintos aparatos térmicos de

diseño y construcción propia, tales como nuevas bandejas (donde se espera mejorar la absorción de calor de la condensación) y también un intercambiador de calor de bajo costo y simple diseño.

3. Incentivar a la utilización de energías limpias a lo largo de todo Chile,

demostrando que aún hay mucho por hacer. Esto esta en el marco del proyecto de difusión del grupo GEA y que contempla que los estudios que se realicen puedan ser expuestos a la comunidad.

4. Obtener datos que sirvan de guía a futuras investigaciones en este

campo. Asimismo se planea obtener nuevas herramientas que motiven a la construcción de equipos solares. Esto es de gran aporte a los investigadores que ven la energía solar como un camino viable para mejorar la calidad de vida de mucha gente a lo largo de Chile.

6. Crear y difundir planos de simple construcción para que las personas que

lo deseen puedan construir sus propios desalinizadores solares con materiales caseros, disponibles en ferreterías o tiendas afines a lo largo del país.


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DESCRIPCION DEL DISEÑO.

El siguiente esquema del Desalinizador Solar de Múltiples Efectos (figura 4) muestra el funcionamiento básico de sus componentes. Las flechas ascendentes representan el agua salada que se evapora del volumen de agua inferior, para condensar en las superficies superiores, transfiriendo el calor perdido en la condensación hacia dichas superficies. Como las bandejas son de material con buen coeficiente térmico, el calor transferido por conducción entra al volumen de agua superior, calentándolo lentamente hasta que se consigan temperaturas necesarias para que ese mismo volumen comience a evaporar y así sucesivamente. La inclinación de las superficies facilitará el escurrimiento del agua condensada y su posterior caída y acumulación en las canaletas preparadas para ese fin. El Sol tendrá dos efectos directos en este novedoso diseño. El primero es calentar directamente un Colector Solar Plano de 2x1 [m^2]. El segundo será el irradiar directamente las bandejas donde el proceso de multi-efectos esta ocurriendo, esto con la finalidad de aumentar la temperatura de trabajo interior del sistema y mejorar el rendimiento de la evaporación del agua de mar.

Figura 4.


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ETAPA 1.- DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO REALIZADO

La primera etapa del proyecto era investigar acerca de los métodos existentes en la actualidad. Con este fin los miembros del equipo de trabajo se dedicaron tanto a consultar en libros de diversas materias como a especialistas de las diversas disciplinas que involucran el proyecto. Dentro de las investigaciones realizadas, se encuentran las referidas a la transferencia de calor, la mecánica de fluidos, estudio de los materiales tanto poliméricos como la corrosión en metales.

La estructura principal del Desalinizador fue fabricada de perfiles

angulares de acero. Se eligió el tamaño de este según decisión de los miembros del equipo de trabajo. El procedimiento usado para fabricarlo, consistió en un diseño CAD usando el software Solid Edge versión 10, para dimensionar la cantidad de metros lineales de perfil a usar. También de esta manera se calculó el desarrollo de las paredes de recubrimiento, las cuales se eligieron de planchas de fibrocemento marca Internit. La motivación para elegir ese material, fue de buscar algún recubrimiento firme y duradero que presentara cualidades similares a las utilizadas en trabajos anteriores de desalinización (como pizarreño, cemento asbesto, concreto, etc.)

Figura 5. Diseño CAD previo de la estructura del Desalinizador.


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Figura 6. Desalinizador en su etapa de construcción.

De igual manera se diseñaron las bandejas de agua de mar, según las dimensiones del dispositivo diseñado en CAD. Desde un principio se estimó que el sistema tuviera cuatro efectos o bandejas superpuestas una sobre la otra, ya que la tesis doctoral de Eduardo Gálvez [Ref. 1], revelaba que en un dispositivo similar, un quinto efecto para un volumen similar, es inocuo. En el diseño de las bandejas se tomaron en cuenta un espacio por lado, además de unas pestañas laterales, con el fin de poder apoyar correctamente las bandejas por medio de unas guías laterales de perfil angular. La siguiente imagen corresponde al aspecto visual de las bandejas triangulares.

Figura 7. Detalle de la bandeja diseñada.


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Debido a problemas de costos y tiempos de fabricación, se decidió mandar a hacer a Virutex&Ilko S.A. tres de las cuatro bandejas, de acero enlosado, el cual según catalogo resiste sin problemas el agua salada, tiene buena conductividad térmica (dato cualitativo según proveedor) y es de rápida fabricación. Una de las principales desventajas del enlosado, es que si existe contacto con alguna superficie mas dura, la pintura se resquebraja, dejando el acero sin recubrimiento y debilitando la resistencia a la corrosión. Con las planchas de cobre LEC se fabricó la bandeja inferior que estaría más próxima al agua en contacto con el intercambiador de calor.

Figura 8. Diseño del Desalinizador Solar, con las bandejas ya instaladas. La imagen muestra las bandejas dos, tres y cuatro, cuyo material es acero enlosado. La primera bandeja no esta dibujada aún.


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Se utilizaron estructuras de soporte para ambos equipos: Desalinizador Solar y Colector Solar Plano. Estas estructuras fueron facilitadas en el Laboratorio de Energía Solar y correspondían a implementos de experiencias anteriores.

Figura 9. Estructuras de soporte facilitadas en Laboratorio de Energía Solar UTFSM, sede JMC.

El diseño del Desalinizador Solar, contempla su cara frontal recubierta

con una plancha de vidrio removible para el caso en que se quiera limpiar el interior del dispositivo. Existe también una puerta en la parte posterior trasera, con la finalidad de poder retirar las bandejas para cualquier eventual caso. El diseño del dispositivo se realizó según recomendaciones [Ref. 2] de inclinación del vidrio para la zona donde se trabaja, para obtener mejores rendimientos. En el laboratorio de energía solar ubicado en El Olivar, de latitud: 33,03º Sur, se recomienda para conseguir mejores rendimientos en invierno (la condición mas desfavorable) agregarle 10º mas a la inclinación, lo cual seria 43º. El diseño se realizó de 45º para facilitar su construcción.

A continuación se muestran tablas con los valores nominales de radiación en función de la inclinación y el mes para el Laboratorio [Ref. 2]. En estas se observa que se asume que la mejor posición es con el colector y el desalinizador apuntando hacia el norte. La radiación esta medida en [W/m2]


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Aquí se desprende que el promedio anual de la inclinación de 23º es la mayor. Esto implica que si se busca el máximo rendimiento, habría que inclinarlo bastante más, lo que complica el diseño de las bandejas, así como el diseño del mismo desalinizador. Si se observa la radicación promedio anual con una inclinación de 43º, se puede ver que la diferencia es de alrededor 25 [W/m2] mensuales, por lo que hacer un diseño más fácil hace perder solo un poco de energía. Además se puede ver que en los meses de invierno con una mayor inclinación recibe mayor radiación.

Figura 10. Desalinizador Solar ya terminado en su etapa estructural. Falta aun el recubrimiento de poliestireno expandido (Plumavit) que se usará como aislante térmico, lo que disminuirá la perdida de calor al exterior y una plancha de Cinc-Aluminio (Zincalum), la cual ha demostrado tener buena resistencia a condiciones ambientales como lluvia y viento.

Az Incl. enero febrero marzo abril mayo junio julio

180º

al n

orte

23 641 533,8 505,4 338,4 229 207,7 241,2

33 605,9 514,7 501,2 344,2 236,1 217,3 251,743 559,5 485,5 486,2 343,1 238,7 222,6 257,1

53 502,6 447,2 462,9 335,2 236,5 223,4 257,1

90 253,9 241,7 290 245 186,6 184 208,6

Az Incl. agosto sept. octubre noviembre diciembre Promedio Anual

180º

al n

orte

23º 319,7 366,8 482,9 585,9 643 424,533º 328,1 365,7 469,4 557,2 604,6 416,3

43º 330 357,7 447 517,4 554,7 399,96

53º 325 342,8 416,4 468,2 495 37690º 246,8 231 241,2 243,5 249,2 235,1


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Para tener una temperatura constante del fluido de trabajo, se realizó la adquisición de un colector solar plano, el cual es fabricado artesanalmente, pero ha demostrado tener buena duración y excelente rendimiento, permitiendo trabajar a una temperatura de trabajo constante de 70 [ºC] en caso de usar agua destilada como fluido de trabajo, y de temperaturas de trabajo hasta 130 [ºC] en caso de usar agua destilada con anticongelante.

El colector solar es de 2000[mm] x1000[mm] x100[mm]. Esta formado por cañerías de cobre electrolítico y aletas con superficie Semi-selectiva, la cual mejora su eficiencia de captación de radiación.

El fluido de trabajo que se usa dentro del sistema de captación térmica

es agua destilada comercial que circula por convección natural. La cantidad de agua usada fue la suma de la que llenaba el colector solar (2 litros), las tuberías de unión (4 litros) y el intercambiador solar (14 litros), con un total de 20 litros de agua destilada usada. Algunos autores [Ref. 1], recomiendan el uso de Etilen Glicol, como anticongelante, para aumentar la capacidad calorífica del fluido, aumentando así las temperaturas alcanzadas. La proporción recomendada es 30% del Glicol y 70% agua destilada. Ese porcentaje correspondería a usar 6 [litros] de anticongelante. Debido a dificultades económicas, solo se realizó la mezcla con 1 [litro]. Otras ventajas que presenta el uso de Etilen Glicol, es su capacidad protectora de superficies, lo cual ‘cuidaría’ el interior del sistema colector solar-tuberías-intercambiador del calor, de posibles incrustaciones.

El agua destilada condensada en las superficies tanto de las bandejas

como en la cara de vidrio, será acumulada en canaletas de las mismas planchas de cobre LEC, con una inclinación mínima. Se adicionarán mangueras el costado del dispositivo, para recolectar de forma separada el líquido y así determinar la cantidad de agua que se obtenía en cada caso.


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Figura 11. Desalinizador Solar ya instalado en su base definitiva. Se ve el tubo amarillo a su costado, que es el que servirá para recolectar el agua destilada del primer efecto, que es el primero que se dejo operativo.

Figura 12. Detalle del Desalinizador Solar. Se ve claramente el estanque de expansión en el costado del dispositivo, el cual permite tener un volumen de reserva de agua, para evitar colapso en las cañerías, en caso de algún cambio de temperatura.


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ETAPA 2.- DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO REALIZADO

La segunda etapa, correspondía a la marcha blanca del Desalinizador. El agua que el dispositivo se comenzó a evaporar era agua potable de la red del Laboratorio de Energía Solar. Durante esta etapa pudieron encontrarse filtraciones de agua (goteras) y fugas de calor, que no eran posibles visualizar con agua fría. Frente a cada fuga, se drenaba el equipo, para su sellado. También se recubrieron las tuberías que conectan el equipo desalinizador con el colector solar, para evitar las fugas de calor. El recubrimiento usado fue poliestireno expandido tubular.

Figura 13. Descripción de Etapa 2.

Tubería de entrada del agua caliente, ya aislada térmicamente.


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Figuras 14. Descripción de Etapa 2.

Figura 15: Detalle lateral del dispositivo, recubierto solo donde esta el estanque de acumulación primario.

Durante los primeros días de funcionamiento, se dejaron instaladas las

dos primeras bandejas (primer y segundo efecto). El agua obtenida en esos días, fue acumulada en botellas. La idea principal fue medir la calidad de agua obtenida hasta ese momento, por lo que se consultó tanto en la UTFSM como en laboratorios particulares. En los laboratorios de la Universidad, (Departamento de Química y Departamento de Procesos Químicos) el costo de medir 5 parámetros (PH del agua, contenidos de Cloruros disueltos, Fierro

Tanque de expansión recubierto con plumavit.

Tubería de salida del agua fría (después del proceso de intercambio de calor.)


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total, Cobre total y Sodio total) en un espectrofotómetro, seria de cuarenta mil pesos. En Laboratorio SILOB, que realiza este tipo de certificaciones para la CONAMA, el costo de certificar agua según la norma chilena (más de 20 parámetros) seria de 2,5 UF (aproximadamente $50.000). Fuera cual fuera la elección, es cierto que aun no sería necesaria la certificación del agua, sino solo datos que cercioraran que se estaban reduciendo las sales y otros elementos.

Un método simple para determinar calidad del agua, es medir la conductividad del agua [Ref. 3], por el principio que a mayor cantidad de sales o sólidos totales disueltos (TDS) este parámetro aumenta. Este proceso se realizó con un conductímetro. A continuación se muestran los valores conseguidos con el agua desalinizada en dos laboratorios de la UTFSM, para cerciorar su veracidad.

• Primera experiencia de Laboratorio: Laboratorio de Química, Sede JMC: Maquina: Conductance Bridge Marca: Griffin

Tipo de agua Conductividad [micro Mho]

Agua Potable usada en Desalinizador

200

Agua desalinizada conseguida 11,2 Agua Destilada del Laboratorio

JMC 0,4

• Segunda experiencia de Laboratorio: Laboratorio Termodinámica Casa Central Maquina: Conductivity Bridge Marca: YSI modelo 31

Tipo de agua Conductividad [micro

Mho] Agua Potable usada en

Desalinizador 200

Agua desalinizada conseguida 16,5 Agua Destilada del Laboratorio

JMC 6,4

Agua Destilada comercial 3,0


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Acerca del diseño del Desalinizador, se verificó que la superficie de vidrio cumple su función de permitir agregar energía por medio de radiación solar, lo cual debería aumentar el rendimiento de las bandejas, ya que aumentaría el calor del agua dentro de ellas. Se observó una gran cantidad de agua que escurría por el vidrio, lo que ocasionaba que este estuviera siempre empañado. Se debió crear un sistema recolector de esta agua, que a su vez se unió por medio de un tubo, a la canaleta número 2 correspondiente al segundo efecto (canaleta que se ubica bajo la segunda bandeja). Este sistema ha logrado recolectar casi la totalidad del condensado del vidrio.

Se estudió acerca si el calor que se perdía en el vidrio sería mayor que el que pierde el dispositivo. Los valores de tabla [Ref. 4] son los siguientes:

Material Conductividad

Térmica [W/(m*K)]

Temperatura transición vítrea Tg

[ºC] Cobre 398 -

Acero bajo en carbono

52 -

Sílice Vítrea 1,3 - Vidrio Sosa-Cal 1,7 -

Vidrio Borosicalatado 1,4 -

Epoxi 0,19 No tiene

(termoestable) Policarbonato 0,20 150

Acrílico amorfo 0,21 85-105 De la tabla, se observó que los valores comunes de conductividad

térmica son mayores para los vidrios que para los polímeros. Realizando una primera evaluación, según la tabla, las paredes de fibrocemento, recubiertas interiormente con resinas epóxicas son un buen aislador térmico, lo que influiría en que efectivamente se estuviera perdiendo mas calor por el vidrio que en las paredes. Este efecto seria contrario a lo esperado, ya que se pretendía que la superficie de vidrio sirviera para entrada de calor por radiación y no de salida. Una recomendación apresurada seria cambiar la cara de vidrio por una de policarbonato o de acrílico amorfo (transparente), evaluando los costos de los mismos frente a los del vidrio. Sin embargo teniendo en cuenta que los valores de conductividad del cobre y del acero en ambas bandejas son muchísimos mayores que los ya mencionados, se podría concluir primeramente que la perdida térmica por el vidrio es mínima.

Se buscó información acerca de la condensación del agua evaporada, pudiéndose detectar que para los sistemas Solar Still, existe una tendencia a aumentar la producción de agua pasada ya la hora de mayor radiación solar y cuando la temperatura ambiente comienza a disminuir. Sin corresponder al

mismo sistema que se desarrolla en esta investigación, este comportamiento no debería variar mucho del que ocur

Figura 16: Grafico de productividad v/s hora del [Ref. 5]


mismo sistema que se desarrolla en esta investigación, este comportamiento ría variar mucho del que ocurre.

Grafico de productividad v/s hora del día, para el destilador USM

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mismo sistema que se desarrolla en esta investigación, este comportamiento

, para el destilador USM-5.


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CONCLUSIONES DE ETAPAS 1 Y 2

Del trabajo realizado, se notó un gran avance en la llamada ingeniería de ajuste o ingeniería de detalle, es decir la búsqueda y perfeccionamiento de todos los pequeños errores cometidos. Se superaron las goteras y aislado térmicamente las principales fugas de calor que se dejaban notar por inspección al tacto. Las condiciones climáticas no favorecieron el mejoramiento del proyecto, sino que lo prolongaron más.

Los valores de conductividad de agua desalinizada, demostraron por dos

fuentes distintas, que se consiguió efectivamente disminuir sus parámetros y con ello también disminuir la cantidad de sólidos totales disueltos, ya que estos últimos son proporcionales a la conductividad eléctrica.

Se consideraron todos los factores teóricos y prácticos del proyecto,

como los efectos de la radiación del sol, la selección de los materiales a usar, el comportamiento de las gotas de agua en la superficie del condensador y análisis del agua destilada con agua potable.


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ETAPA 3.- DESCRIPCION DE ETAPA FINAL

En esta etapa, se llenó todo el sistema con agua de mar, que fue sacada del Muelle Vergara y transportada a la Sede JMC. Los volúmenes de trabajo implican 60 [litros] en el Estanque primario, 15 [litros] en la primera bandeja y 30 [litros] en las bandejas 2, 3 y 4 respectivamente.

Se instalaron dos datalogger, uno dentro del estanque de expansión (a

la entrada del agua caliente en el dispositivo) y otro en el codo a la salida del agua fría. Se instaló otro datalogger en un piranómetro en posición horizontal con la finalidad de censar la radiación solar directa. También se instalo un cuarto datalogger para medir la temperatura ambiental y tenerla como parámetro conocido.

Con la información obtenida en los días de evaluación, se graficaron

distintas comparaciones que se consideraron necesarias. Antes de revisar datos del Desalinizador, se observarán las curvas obtenidas de las condiciones ambientales.

El Anexo Gráfico 1- será la comparación de radiación con respecto a la

temperatura ambiente. La radiación esta medida en [W/m^2], mientras que la temperatura se midió en [ºC]. Del gráfico se ve que la menor temperatura se detecta cerca de las 7:00, mientras que la mayor esta cerca de las 15:30. La temperatura no baja de los 7 [ºC] mientras que la mayor no sube mas de los 21 [ºC]. Este comportamiento es similar para los otros días de evaluación, y corresponde a las temperaturas de invierno. También se ve que la radiación solar tiene una clara influencia en el ambiente. Esta comienza a detectarse a las 7:00 (justo cuando se consiguen las menores temperaturas) y desaparece a las 18:30. El peak solar se consigue cerca de las 13:00. Todos estos factores son influentes en el rendimiento del Desalinizador, ya que en verano, los días son más largos (más tiempo con aporte de energía solar), la radiación directa aumenta (por efecto de la inclinación de la Tierra) y por ello, la temperatura ambiente aumenta. También disminuyen la cantidad de días nublados.

En el Anexo Grafico 2- puede verse la comparación entre la radiación

global y la temperatura ambiente de aproximadamente 12 días, entre el 28 de agosto y el 9 de septiembre. Puede verse que el promedio de radiación fue casi constante en el periodo de prueba, a excepción del día 2 de septiembre, que fue cuando llovió. Ese día la radiación disminuyo considerablemente, así como la temperatura ambiente.

El Anexo Grafico 3- muestra un día cualquiera de evaluación (29 de

agosto) comparando al mismo tiempo la temperatura ambiente, temperatura de entrada y salida del Colector solar. La variación de temperaturas de entrada y salida permite analizar el ∆T dentro del Desalinizador y con ello poder


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entender cuanto calor efectivamente se traspasa al agua en el Estanque acumulador primario por medio del Intercambiador de calor. Se ve que en a lo largo de todo el día, hay una diferencia cercana a los 10[Cº]. Esta diferencia aumenta casi al doble cerca de las 18:00 horas, que es cuando deja de recibirse radiación solar. La explicación de este fenómeno es que al dejar de recibir calor del Colector Solar, hay mayor transferencia de calor dentro del Estanque primario. Tal como se había observado en la Figura 16, la mayor productividad del día ocurre precisamente ese momento. Se ve también que la temperatura del colector solar es por lo menos 20 [Cº] mas que la temperatura ambiente, llegando como punto mas bajo a los 20 [ºC] en la hora mas helada del día y hasta los 70 [ºC] cerca del peak solar.

El Anexo Grafico 4- muestra la comparación de temperaturas ambiente,

de entrada salida del Colector solar a lo largo del periodo de muestra. Se observa una tendencia pareja en todos los días, a excepción del día que llovió. Al día siguiente (3 de septiembre) se quiso variar la disposición del equipo, para conseguir otros valores. Ese día se vacio el Estanque primario con la finalidad de buscar fugas y desperfectos. Al analizar los datos de ese día, se pudo apreciar que sin variar mucho la radiación (Anexo Grafico 2-) la temperatura de entrada del Desalinizador aumento considerablemente, llegando hasta los 90 [ºC] y la salida hasta los 75 [ºC]. Este aumento de casi 20 [Cº] por sobre los demás días, hacen inferir que disminuyendo el volumen de agua del Estanque primario, dejando el Intercambiador Solar a muy poca distancia de la superficie del agua salada, las temperaturas aumentarían y con ello el rendimiento del dispositivo.

Durante los siguientes días de la muestra, se cambió la disposición del

Desalinizador. Este fue cubierto con una plancha de material aislante (plumavit) que tapaba completamente la cara de vidrio, con lo cual se podrían observar diferencias entre la efectividad del dispositivo con la cara transparente y sin ella. En el grafico, no se puede detectar si existe relación entre el efecto de cubrir la cara con la variación de las temperaturas de entrada y salida del Desalinizador. Sin embargo, la diferencia puede observarse en el Anexo Grafico 5- que muestra la producción de agua durante los días de evaluación. En este gráfico, se aprecia que durante los días previos al día de lluvia, la canaleta 2 - que reúne el agua de la 2º bandeja, del escurrimiento de las paredes y de la cara de vidrio – era la que tenia mayor producción de agua destilada, mientras que la canaleta 1- que reúne el agua del Estanque primario condensada en la 1º bandeja- tenia una producción un poco menor. Las canaletas 3 y 4 no produjeron agua destilada. Se interpreto esta información como que el vapor de la 2º bandeja no asciende hasta la 3º bandeja, sino que se condensa directamente en el vidrio. Luego de la lluvia, al tapar la cara de vidrio, se noto que hubo producción de agua en las canaletas 3 y 4, sin embargo sus volúmenes eran bajísimos con respecto a las otras bandejas. Se noto además que el volumen producido en la canaleta 1 se mantuvo casi constante con respecto a la experiencia anterior. El volumen de


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la canaleta 2 fue menor al producido anteriormente. Estos antecedentes informan que al trabajar en una cámara cerrada (como sería el caso del trabajo de Gálvez las bandejas si consiguen el efecto deseado, funcionando el dispositivo como fue planteado. Pese a esto, la producción de agua es menor que la que se consigue con la cara inclinada expuesta al sol.

No se interpretó la información de la producción de agua el día después

de la lluvia, ya que ese día el Desalinizador fue abierto para su inspección, lo cual afectó tanto las temperaturas como la presión al interior.

El Anexo Grafico 6- muestra otro período de evaluación, donde fue posible contar con más dataloggers para censar simultáneamente las temperaturas de entrada y salida del Desalinizador así como las temperaturas de la 1º bandeja y el Estanque principal. La intención de esta experiencia era tener una referencia de las variaciones de temperaturas de una etapa a otra frente a las temperaturas que se conseguian del Colector solar. De su analisis se desprende que el Estanque primario mantiene más facilmente su temperatura, mientras que la del Intercambiador de calor comienza a disminuir, lo que significa que el calor que transfiere el Intercambiador se traspasa al Estanque y al exterior por perdidas. Este calor comprueba que efectivamente el agua acumulada aumenta su temperatura en cerca de 10 [Cº]. Tambien se puede observar que la tendencia de temperatura de la 1º bandeja era similar a la temperatura del Estanque primario, pero con menos valor. Se ve que el Estanque primario alcanza temperaturas que van aproximadamente desde los 35 [ºC] a 60 [ºC], mientras que la 1º Bandeja alcanza temperaturas entre los 25 [ºC] a 50 [ºC] aproximadamente.


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ANALISIS DEL AGUA TRABAJADA Y OBTENIDA

En esta etapa, se utilizo agua de mar, la cual fue parametrizada en laboratorio. Los valores fueron los siguientes:

• Tercera experiencia de Laboratorio

Laboratorio de Química, Sede JMC: Maquina: Conductance Bridge Marca: Griffin Temperatura del Laboratorio: 16[ºC] Máquina: Peachímetro Ultrabasic Marca: Denver Instrument

Tipo de agua Conductividad [micro Mho] pH

Agua de mar utilizada 11300 8,10

Agua de mar en bandeja nº1

11300 8,25

Agua desalinizada conseguida

9,6 8,93

Se midió la conductividad y el pH tanto del agua de mar usada, como de la que iba quedando en la 1º Bandeja y la que se conseguía de la condensación (agua destilada). Se apreció que el pH aumentaba en la medida que la conductividad disminuía. El agua destilada conseguida, tuvo menor conductividad que la conseguida en las dos experiencias anteriores (11,2 [micro Siemens] y 16,5 [micro Siemens]), sin embargo esta disminución no es relevante para afirmar que el agua de mar se desaliniza más que el agua potable.


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CONCLUSIONES

El Desalinizador si funcionó. Efectivamente se pudo desalinizar agua de mar con el método planteado. Sin embargo, los volúmenes de agua conseguidos fueron menores a los esperados. El proyecto inicial buscaba superar la producción de agua de Gálvez, supuestamente de 9 [litros/m^2 colector]. Sin embargo en los días de evaluación solo pudieron conseguirse cerca de 1,25 [litros/m^2 colector] promedio. Fue el día cuando se hizo inspección que se pudo detectar que el Estanque primario había bajado casi 5,5 [cm] de su capacidad original, lo que significaban un poco mas de 20 [litros] de agua. Por lo tanto hubo cerca de 14 [litros] de agua de mar que se evaporaron en ese lapsus y no pudieron ser capturados. Se estima que debe haber una gran fuga de vapor hacia el exterior, con lo cual la producción de agua disminuye con respecto a los pronósticos. Teóricamente, si fuera posible sellar completamente el Desalinizador, podrían obtenerse mayores volúmenes de agua destilada. También deberá probarse el equipo a lo largo de todo el año, buscando conseguir mejores rendimientos, con mejores condiciones meteorológicas. Durante estas pruebas, se deberá variar la cantidad de agua en el Estanque primario, ya que se demostró que esta relacionado en la productividad.

La innovación en el diseño, difiriendo del modelo de Gálvez, dio buenos

resultados. La incorporación de esta segunda cara de absorción de energía radiante permite además de poder ver al interior, condensar agua en una mayor superficie. Debe encontrarse el método para poder detectar si efectivamente el calor se mantiene dentro del equipo, o se estaría perdiendo a través de la cara de vidrio inclinado.


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BIBLIOGRAFÍA.

• Solar Thermal Desalination Project Phase II Results & Final Project Report.

Eduardo Zarza, CIEMAT/PSA 1994. Edición Secretaria General Técnica del CIEMAT.

• Comparative Assesment of Different Configurations to Supply Solar

Thermal Energy to a Multi-Effect- Distillation Plant for Solar Seawater Desalination. Astrid Hublitz, Julián Blanco Galvéz. Editorial CIEMAT 2004.

• Tecnología Híbrida de Desalinización Avanzada Solar-Gas basada en

Captadores Solares Estáticos. Lourdes García Rodríguez, Julián Blanco Galvez. Editorial CIEMAT 2007.

REFERENCIAS

[1] Desalinizador solar de múltiples efectos a alta temperatura: Diseño, modelación y simulación. Eduardo Gálvez Soto. 2001. Casa Central.

[2] Energía Solar, Aplicaciones e Ingeniería. Ing. Pedro Sarmiento. 3º

Edición, Ediciones Universitarias de Valparaíso, PUCV, 1995. [3] Diseño, construcción y ensayo de un prototipo de desalinizador de

etapas múltiples. Francisco Nieto Jiménez. 1993. Sede Viña del Mar

[4] Introducción a la Ciencia en Ingeniería de los Materiales. William

D. Callister Jr. Editorial Reverté S.A. 2000. [5] Destiladores Solares (Experiencias en la UTFSM). Dr.Ing. Pedro

Roth U. Laboratorio de Energía Solar, 1980.


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Anexo Grafico 1. Datos medidos para radiacián solar directa y Temperatura ambiente v/s Hora del dia, en un dia cualquiera (7 de Septiembre en este caso)

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3

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3

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3

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3

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3

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3

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3

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3

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3

9:0

3

10

:03

11

:03

12

:03

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14

:03

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:03

23

:03

Te

mp

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tura

[ºC

]

Ra

dia

ció

n G

lob

al

[W/m

^2

]

Hora [hora:min]

Comparación de Radiación v/s Temp. Ambiente del día Domingo 7

de Sept.

Radiación Temperatura Ambiente

Anexo Grafico 2: Evaluación de la Radiaciusando los mismos días del Gráfico 1.

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200

400

600

800

1000

1200

Ra

dia

ció

n [

W/m

^2

]

Gráfico comparativo de Radiación Global v/s Temperatura ambiente


n de la Radiación solar directa y Temperatura ambiente v/s dia de evaluaci


Radiación Global Temperatura Ambiente

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v/s dia de evaluación,

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Te

mp

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tura

[ºC

]

Días



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Anexo Grafico 3: Evaluación de Temperaturas Ambiental, de Entrada y Salida del Desalinizador, con respecto al tiempo, para un día cualquiera (29 de Agosto en este caso)

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10

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50

60

70

80

0:1

0

1:3

0

2:5

0

4:1

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0

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:50

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:50

Te

mp

era

tura

[ºC

]

Hora

Temperaturas Viernes 29 de Agosto

Temp. Entrada Temp. Salida Temp. Ambiente

Anexo Grafico 4: Comparación de las temperaturas de Entrada y Salida del Desalinizador, junto a la Temperatura ambiente v/s el tiempo, para los mismos d

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Te

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[ºC

]

Gráfico de comparación Temperatura v/s día

Temp. Entrada


paración de las temperaturas de Entrada y Salida del Desalinizador, junto a la /s el tiempo, para los mismos días evaluados anteriormente.

día y hora

Gráfico de comparación Temperatura v/s día

Temp. Entrada Temp. Salida Temp. Ambiente

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paración de las temperaturas de Entrada y Salida del Desalinizador, junto a la


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Anexo Grafico 5. Cantidad de agua producida v/s día de operación para los mismos días evaluados anteriormente. La producción de agua está estratificada por cada etapa.

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500

1000

1500

2000

2500

3000

28-08-

2008

29-08-

2008

30-08-

2008

31-08-

2008

01-09-

2008

02-09-

2008

03-09-

2008

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2008

05-09-

2008

06-09-

2008

07-09-

2008

08-09-

2008

Ca

nti

da

d d

e a

gu

a [

cm^

3]

Día

Total de agua desalinizada por día

Canaleta 1 Canaleta 2 Canaleta 3 Canaleta 4


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Anexo Grafico 6: Comparación de temperaturas de Entrada, Salida, Bandeja 1 y Estanque principal, para otro periodo de evaluacion distinto al anterior.

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