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Diseño y construcción de un destilador solar Lizandro Vargas León
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Diseño y construcción de un destilador solar
Lizandro Vargas León
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
DE UN DESTILADOR SOLAR
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Lizandro Vargas León
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0515
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
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Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
X Simposio Peruano de Energía Solar
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DESTILADOR SOLAR
Lizandro Vargas León
Centro de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Ingeniería (CER-UNI)
RESUMEN
El desarrollo tecnológico actual se enfrenta a opciones energéticas trascendentales respecto a la
conservación del medio ambiente. Y todo indica que, el futuro estará marcado por el uso de las energías
renovables. En el pasado quedarán el petróleo, el gas, la leña y el carbón.
Las energías renovables tienen la ventaja de ser abundantes, limpias, baratas y su potencial de utilización
es cada vez más elevado.
Entre las principales desventajas que presentan tenemos la dependencia espacial, sobre todo, de la latitud
geográfica; la dependencia temporal y meteorológica, y las dificultades de almacenamiento.
La viabilidad de las energías renovables está en ascenso debido a la conjugación de factores tales como:
mayor experiencia en la investigación y desarrollo, incremento de la cooperación internacional, reducción
de los recursos requeridos para su aprovechamiento y la mayor preocupación activa de la población
mundial hacia los problemas ambientales, sobre todo en los países desarrollados. Esto se traduce en la
mayor búsqueda y uso de energías limpias, aunque sean eventualmente más caras o incómodas. Además;
las tecnologías renovables, respecto a las convencionales, son generalmente más sencillas en cuanto a
instalación, operación y mantenimiento; por tanto, son idóneas para su explotación en comunidades de
tecnología poco avanzada
En el Perú, desde hace algunas décadas, instituciones como el ex - ITINTEC y la Universidad Nacional
de Ingeniería han asumido el reto de promover y desarrollar la investigación tecnológica en el campo de
las energías renovables.
1. Alcance
El presente trabajo es un resumen de los
avances en la investigación que se está llevando
a cabo en la Facultad de Ingeniería Química y
Manufacturera de la UNI como tesis de
suficiencia profesional para optar el título de
Ingeniero Químico y cuenta con el
asesoramiento del Centro de Energías
Renovables de la UNI. En ese sentido, es
invalorable el apoyo brindado por los
ingenieros: Rafael Chero Rivas, Jefe de la
Oficina de Investigación de la FIQM y Rafael
Espinoza Paredes, Director del CER-UNI. De
la misma manera, debo agradecer el apoyo por
parte del Dr. Manfred Horn ex - Decano de la
Facultad de Ciencias.
El trabajo de investigación consiste en el diseño
y construcción de un equipo piloto de
destilación provisto de un sistema de
X Simposio Peruano de Energía Solar
calentamiento que, a diferencia de los
convencionales, utilice la energía solar.
Con ello, se espera poder evaluar la viabilidad
de su funcionamiento y su capacidad para
separar mezclas líquidas, así como plantear
algunas de sus aplicaciones, condiciones de
operación y la conveniencia económica de su
uso en el Perú.
2. Antecedentes
Aunque el estudio de las termas y cocinas
solares de uso doméstico se ha difundido
bastante, lo mismo que la destilación solar de
agua con fines de potabilización, las
investigaciones orientadas a la aplicación
industrial de la destilación solar son todavía
escasas. Unos de los pocos trabajos bien
documentados que se han publicado sobre el
tema es “Experiencias en Destilación Solar” de
Salvador Martínez, Luis; Alonso Arza, Gabino
y García López, Angel; publicado en Ingeniería
Química, España, 1980. No obstante, los
principios de captación de la radiación solar
directa para su uso como energía térmica son los
mismos que los descritos en la literatura
especializada para otras aplicaciones.
3. Descripción del Equipo
El equipo, que hemos denominado “Destilador
Solar”, consta de tres partes bien definidas : La
columna de destilación, el colector solar y el
soporte.
4.1 La columna de destilación.- Es una
columna que puede ser de vidrio o metal, de
platos perforados y con accesorio distribuidor
para la manipulación del reflujo. Como
rehervidor tiene un balón de destilación de
capacidad proporcional al tamaño del colector.
Encerrando el rehervidor se ha instalado una
cámara de vapor de metal que proporciona el
calor necesario para la operación. (ver figura 1)
4.2 El colector solar.- Es un colector de
concentración por reflexión del tipo cilíndrico-
parabólico que consta de dos dispositivos: el
reflector, que es un espejo curvo de aluminio
pulido; y el receptor, un sistema de tubos
concéntricos colocados en su eje focal. (ver
figura 2).
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Vista Frontal Vista Lateral Derecha
Norte
Figura 1 : LA COLUMNA DE DESTILACIÓN
Figura 2 : EL COLECTOR SOLAR
Válvula de Seguridad
Condensador de Destilado
Distribuidor Magnético
Subenfriador
Vaso de Precipitados
Columna de Platos
Balón de Destilación
Cámara de Vapor
Entrada del Vapor
Salida del Exceso
Reflector
Receptor
Base
Eje de la Parábola
Alza
Blanco
Foco
A B
CD
Plano de Apertura = Plano A,B,C,D
Los tubos del receptor son : el tubo absorbedor,
que es de acero al carbono A-36 recubierto con
pintura negra-mate resistente a la temperatura, y
el tubo cobertor fabricado con pequeños tubos
alineados uno a continuación del otro alrededor
del absorbedor. (ver figura 3)El colector solar
va unido a la columna de destilación mediante
una manguera envuelta en material aislante que
X Simposio Peruano de Energía Solar
conecta la salida del tubo absorbedor con la
entrada de la cámara de vapor. (ver figura 4)
Así también, se han colocado dispositivos para
verificar permanentemente que la orientación,
inclinación y enfoque sea el adecuado. (ver
figura 5)
4.3 El soporte.- Es una estructura metálica
diseñada para sostener, orientar, inclinar y rotar
las otras partes del equipo.
Para ello, se le ha provisto de garruchas
rodantes que permiten su desplazamiento, así
como de cojinetes y diversos accesorios de
fijación.
Finalmente, se han instalado válvulas,
termómetros y manómetros en puntos
adecuados para poder controlar el proceso.
4. Funcionamiento
Antes de operar el equipo es necesario
orientarlo de manera que el eje del reflector
conserve la dirección Norte-Sur. Para una
ubicación dada, esto puede efectuarse una sola
vez. De la misma manera, antes de iniciar la
operación debe verificarse que el ángulo de
inclinación del eje coincida con el valor del
ángulo de declinación dado por la latitud de la
zona y el día del año y, de ser necesario,
efectuar el ajuste correspondiente. Se
recomienda que dicha verificación se realice a
diario.
Si se efectúan estos preparativos, se podrá
enfocar la radiación solar directa que llega al
colector con solo rotar el colector alrededor de
su eje.
Simultáneamente se coloca en el rehervidor la
mezcla a destilar, se llena con agua el tubo
absorbedor, dejando libre la tercera parte del
mismo y se cierran los pernos de la cámara de
vapor.
Para iniciar la operación se gira el colector, de
manera que su plano de apertura se mantenga
siempre perpendicular a la radiación solar. Para
el efecto se utiliza un dispositivo de alza y
blanco fijados al colector para poder verificar la
posición correcta. (Ver figura 5)
X Simposio Peruano de Energía Solar
El alza y el blanco están fijosal colector y alineados con eleje de la parábola de una base.
Cuando el rayo de luz queatravieza el alza incide enel centro del blanco forma Linea paralela al eje de la parábolaun ángulo de 90° con elblanco y con el plano deapertura. El colectorestará enfocado.
Figura 3 : EL RECEPTOR
Figura 4 : LA MANGUERA
Figura 5 : SISTEMA DE ENFOQUE DE ALZA Y BLANCO
Tubito Elemental
Tubo Absorbedor
Tubo Cobertor
A la Cámara de Vapor
Válvula de Ingreso
Al Tubo Absorbedor
Alza
Radiación Solar Directa
Placa Paralela al Plano de Apertura (Blanco)
90°
El funcionamiento del colector se basa en la
propiedad óptica de los espejos parabólicos de
concentrar en sus focos los rayos de luz que
inciden paralelamente a sus ejes.
En el caso de un espejo cilíndrico-parabólico,
como el del reflector, los rayos de luz que llegan
en forma perpendicular a su plano de apertura,
son reflejados y concentrados en su eje focal.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Precisamente en el eje focal del colector se
encuentra el tubo absorbedor, cuya superficie
convierte la energía radiante en energía
calorífica que se transfiere primero por
conducción a través del tubo y luego por
convección natural en el seno del agua.
Cuando la temperatura del agua alcanza el
punto de ebullición, se genera un flujo de vapor
que abandona el colector y llega por la
manguera a la cámara de vapor.
En la cámara, parte del vapor cede su calor
latente y se condensa en las paredes externas del
rehervidor para regresar, por gravedad a la
manguera y luego al absorbedor. El vapor en
exceso sale a la atmósfera por el ducto de
escape de la cámara.
En el interior del rehervidor el calor ganado por
la mezcla líquida la hace hervir y separarse de
sus componentes más volátiles mediante las
sucesivas etapas que atraviesa en la columna de
destilación.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
Longitud de O nda (nm )
Alum inio para M icroondas (44%)
Papel M etálico (66%)
ALANOD 3506 (91%)
Figura 6.- Reflectancias de algunas superficies
Eventualmente, una parte de los vapores
condensados en los topes de la columna es
extraído como producto destilado y el resto
regresa a la columna como reflujo.
La operación termina cuando se ha obtenido la
cantidad y calidad prevista de destilado. Para
ello, se gira el colector de manera que no llegue
mas radiación solar al receptor y, de ser
necesario, se cierra la válvula de suministro de
vapor.
Si las condiciones del clima lo permiten, puede
retirarse la mezcla líquida del rehervidor y
reemplazarse por una nueva carga para iniciar
un nuevo ciclo de destilación
6. Experimentos
Los experimentos se planearon en tres etapas:
a) Experimentos con prototipos pequeños
b) Experimento con el colector y la columna
definitivos pero por separado.
c) Experimentos con el equipo completo.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Debido a que no se ha concluido con la parte
experimental, presentaremos sólo unos pocos
resultados de la segunda etapa.
Determinación Experimental de la Eficiencia
del Colector :
Se colocó agua destilada en el tubo absorbedor
hasta llenar sus 2/3 partes. Luego se ajustó el
enfoque de la radiación directa haciendo girar el
colector alrededor de su eje con intervalos de
aproximadamente 4 minutos. Se registró la
temperatura medida con termómetros de líquido
en vidrio en dos puntos: en el extremo inferior
del absorbedor y a los 2/3 de dicho extremo.
Obteniéndose los resultados mostrados en la
Tabla 1.
El calor sensible colectado es : qs = mH2O CpH2O (t - to) + mAC CpAC (t - to)
donde:
mH2O = masa de agua que fue calentada
mAC = masa del tubo de acero calentada (
mAC = ρAC VAC )
Cp H2O = Capacidad calorífica del agua
líquida
Cp AC = Capacidad calorífica del acero
Tabla 1
Histograma de Temperturas
Hora Tiempo
(min)
t (ext.inf.)
(°C)
t (2/3)
(°C)
t (ambiente)
(°C)
12:51 0 33 38 28
12:54 3 38 49 28
12:58 7 42 62 28
13:01 10 45 70 27
13:04 13 48 80 28
13:07 16 52 87 28
13:11 20 56 94 28
13:16 25 62 97 28
13:20 29 67 98 28
X Simposio Peruano de Energía Solar
EXPERIMENTOS CON EL COLECTOR SEPARADOHistograma de Temperaturas del 25-04-2003
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo de Operación (min)
Tem
pera
tura
(°C
)
t (ext.inf.) (°C)
t (2/3) (°C)
t (ambiente) (°C)
Figura 7 Histograma de Temperaturas en el Colector en un Día Típico
Reemplazando valores :
qs = 1300791 J
El calor latente colectado es:
qlat = λH2O mH2Oevap
qlat = 941408 J
Por lo tanto, el calor total captado en el colector
es :
qt = qs + qlat = 1300791 + 941408
qt = 2242200 J
Pt = qt / tiempo = 2242200 J / (29*60 s)
Pt = 1288,6 W
Luego :
Pt/Aap = 1288,6 W / 4,72 m2
Pt/Aap = 273 W/m2
Finalmente, consideramos que la radiación
directa promedio de ese día era
aproximadamente Hb = 900 W/m2
Luego, la eficiencia global en el uso de la
radiación directa será :
100xHbAap
Ptnb
=
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nb = ( 273 / 900 ) x 100
nb = 30 %
7. Conclusiones
Por lo expuesto, podemos concluir que los
resultados obtenidos hasta el momento son
alentadores. Los niveles de energía térmica
obtenidos, confirman los cálculos previos y la
operación de destilación con energía solar es un
hecho.
Sin embargo, el equipo en construcción no está
terminado y faltan todavía muchas dificultades
por superar. En nuestro caso, nos hemos
enfrentado a la escasez de materiales apropiados
y con frecuencia hemos tenido que hacer
adaptaciones.
Aunque no se ha hecho aun una evaluación de
la viabilidad económica, consideramos que
quizás resulte más económico construir un
arreglo de varios colectores pequeños en lugar
de uno solo de capacidad equivalente y que un
estudio más profundo de los fenómenos de
transferencia de masa y calor implicados son
indispensables para lograr diseños más
eficientes.
Aunque el equipo ha sido pensado para destilar
mezclas binarias, nada impide su uso en la
destilación de mezclas multicomponentes o su
adaptación para la destilación continua.
Equipos similares pueden ser construidos para
atender las necesidades de procesamiento en
lugares en los que las energías convencionales
son escasas o se desea su reemplazo.
De todos modos, sentimos que estamos en el
camino correcto y que cuando se concluyan los
experimentos planeados podremos ofrecer una
información más completa.
8. Bibliografía y Referencias
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Transferencias de Masa". Tercera edición.
Editorial Hasa. USA. (1973)
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Edición. Editorial Mc Graw-Hill. USA. (1982)
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Editorial Mc Graw- Hill. USA.
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Edición. Editorial John Willey & Sons. New
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Edición. Editorial Victor López G..Lima (1993)
[8] Acosta R., José; "Energía Solar". Primera
Edición. Editorial Paraninfo. Madrid. (1983)
X Simposio Peruano de Energía Solar
[9] Kadono Nakamura, César; “Radiación Solar
en el Perú”. Tesis de Competencia Profesional.
Facultad de Ingeniería Mecánica – UNI (1972)
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Garcia L., Angel; "Experiencias en Destilación
Solar"". Revista "Ingeniería Química". Marzo.
(1985)
[11] Espinoza P., Rafael; Coz P., Andrés y
Vera E., Jorge; "Experiancias Preliminares
Sobre Concentradores Solares". Seminario
"Energía y Uso Racional de Recursos". Lima,
Julio (1981)
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Construcción y Pruebas Experimentales
Preliminares de una Cocina de Vapor Solar".
XIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecanica
Eléctrica y Ramas Afines (CONIMERA). Lima,
Agosto de 1999.
[13] Echazú, R., Cadena, C. y Saravia, L.;
"Estudio de Materiales Reflectivos para
Concentradores Solares". INENCO,
Universidad Nacional de Salta.; Buenos Aires -
Argentina (1999)
[14] Superficies Selectivas. Publicaciones
Peruanas. Superficies Selectivas;
www.quipu.uni.edu.pe/Webservicios/labfc/naci
onales.html
[15] Superficies Reflejantes. Colectores
Concentradores.; www.iteso.mx
X Simposio Peruano de Energía Solar Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para
la Descontaminación y Desinfección de Agua Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003
Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo
Cusco, 26 - 27 de abril de 2004
Ministerio de Industria y Turismo
Municipalidad Provincial del Cusco
Ministerio de Energía y Minas
Asociación Peruana de Energía Solar
(APES)
Universidad Nacional San Antonio Abad del
Cusco
Editado por: Manfred Horn
Juan Rodriguez
Patricia Vega
Auspician Salir
Universidad Nacional de Ingeniería
