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Desarrollo de un prototipo desalinizador de agua de bajo costo, mediante la implementación de energía solar para el consumo humano Yary Lizeth Blanco Ruiz 15152041 Angela Nathalia Gutierrez Roa 15151065 Ingeniería Industrial Facultad de Ingenierías Universidad de Santander UDES Bucaramanga, Santander 2019
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Desarrollo de un prototipo desalinizador de agua de bajo costo, mediante la implementación de
energía solar para el consumo humano
Yary Lizeth Blanco Ruiz
15152041
Angela Nathalia Gutierrez Roa
15151065
Ingeniería Industrial
Facultad de Ingenierías
Universidad de Santander UDES
Bucaramanga, Santander
2019
I
Desarrollo de un prototipo desalinizador de agua de bajo costo, mediante la implementación de
energía solar para el consumo humano
Yary Lizeth Blanco Ruiz
15152041
Angela Nathalia Gutierrez Roa
15151065
Daniela Bellón Monsalve
Magister en Sistemas Energéticos Avanzados
Ingeniería Industrial
Facultad de Ingenierías
Universidad de Santander UDES
Bucaramanga, Santander
2019
II
III
IV
Tabla de Contenido
Resumen. ...................................................................................................................................... XII
Abstract. ..................................................................................................................................... XIII
Introducción. .............................................................................................................................. XIV
1. Problema de investigación. ..................................................................................................... 1
1.1. Pregunta de investigación................................................................................................. 3
1.2. Diagrama Ishikawa ........................................................................................................... 3
2. Justificación. ........................................................................................................................... 5
3. Objetivos. ................................................................................................................................ 8
3.1. Objetivo general ............................................................................................................... 8
3.2. Objetivos específicos........................................................................................................ 8
4. Marco Referencial. .................................................................................................................. 9
4.1. Antecedentes de Investigación ......................................................................................... 9
4.1.1. Internacionales .......................................................................................................... 9
4.1.2. Nacionales ............................................................................................................... 13
4.2. Marco Conceptual .......................................................................................................... 14
4.2.1. Desalinización. ........................................................................................................ 14
4.2.2. Sistema solar. .......................................................................................................... 15
4.2.3. Desalinización solar. ............................................................................................... 15
V
4.2.4. Radiación Solar. ...................................................................................................... 15
4.2.5. Ósmosis. .................................................................................................................. 15
4.2.6. Ósmosis Inversa. ..................................................................................................... 15
4.2.7. Destilación. ............................................................................................................. 16
4.2.8. Electrólisis............................................................................................................... 16
4.2.9. Balance de Energía. ................................................................................................ 16
4.2.10. Calidad del Agua. ................................................................................................ 16
4.2.11. Colector Solar. ..................................................................................................... 16
4.2.12. Presión Vacuométrica. ........................................................................................ 17
4.2.13. Presión de Saturación. ......................................................................................... 17
4.2.14. Salmuera. ............................................................................................................. 17
4.2.15. Efecto Venturi. .................................................................................................... 17
4.3. Marco Teórico ................................................................................................................ 17
4.3.1. Desalinización. ........................................................................................................ 17
4.3.2. Métodos de Desalinización. .................................................................................... 18
4.3.3. Radiación solar........................................................................................................ 30
4.3.4. Clases de Radiación Solar. ...................................................................................... 31
4.3.5. Conductividad Eléctrica. ......................................................................................... 32
4.3.6. Calidad del Agua......................................................................................................... 33
4.3.7. Ciclo Rankine.......................................................................................................... 35
VI
4.4. Marco legal de la investigación ...................................................................................... 37
5. Metodología. ......................................................................................................................... 40
5.1. Tipo de investigación ..................................................................................................... 40
5.2. Diseño metodológico...................................................................................................... 41
5.2.1. Fase 1. Análisis de tendencias. ............................................................................... 41
5.2.2. Fase 2. Diseño del prototipo. .................................................................................. 41
5.2.3. Fase 3. Construcción del prototipo desalinizador de agua. ..................................... 42
5.2.4. Fase 4. Verificación. ............................................................................................... 42
5.3. Población ........................................................................................................................ 43
5.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ........................................................... 43
5.5. Técnicas de Procesamiento y análisis de los Datos........................................................ 44
6. Discusión y análisis de resultados......................................................................................... 46
6.1. Análisis de tendencias. ................................................................................................... 46
6.1.1. Revisión de Literatura ................................................................................................. 46
6.1.2. Selección de elementos ............................................................................................... 52
6.2. Diseño del prototipo. ...................................................................................................... 53
6.2.1. Evaluación de las condiciones geográficas ............................................................. 54
6.2.2. Determinación del sistema de captación ................................................................. 58
6.2.3. Diseño del prototipo ................................................................................................ 60
6.3. Construcción del prototipo desalinizador de agua. ........................................................ 62
VII
6.3.1. Estructura y colectores ............................................................................................ 62
6.3.2. Sistema de soporte energético para las resistencias ................................................ 64
6.3.3. Condensador ........................................................................................................... 65
6.3.4. Proceso de construcción .......................................................................................... 66
6.4. Verificación. ................................................................................................................... 70
6.4.1. Balance de Energía ................................................................................................. 72
6.5. Evaluación financiera ..................................................................................................... 78
6.5.1. Costos ...................................................................................................................... 78
6.5.2. Flujos de Caja ......................................................................................................... 80
6.5.3. Valor Presente Neto (VPN) .................................................................................... 85
6.5.4. Tasa Interna de Retorno (TIR) ................................................................................ 85
7. Conclusiones. ........................................................................................................................ 87
8. Recomendaciones. ................................................................................................................ 89
9. Referencias. ........................................................................................................................... 90
VIII
Lista de Tablas
Tabla 1 .......................................................................................................................................... 32
Tabla 2 .......................................................................................................................................... 33
Tabla 3 .......................................................................................................................................... 34
Tabla 4 .......................................................................................................................................... 34
Tabla 5 .......................................................................................................................................... 37
Tabla 6 .......................................................................................................................................... 49
Tabla 7 .......................................................................................................................................... 52
Tabla 8 .......................................................................................................................................... 55
Tabla 9 .......................................................................................................................................... 59
Tabla 10 ........................................................................................................................................ 62
Tabla 11 ........................................................................................................................................ 64
Tabla 12 ........................................................................................................................................ 65
Tabla 13 ........................................................................................................................................ 70
Tabla 14 ........................................................................................................................................ 72
Tabla 15 ........................................................................................................................................ 76
Tabla 16 ........................................................................................................................................ 79
Tabla 17 ........................................................................................................................................ 80
Tabla 18 ........................................................................................................................................ 83
Tabla 19 ........................................................................................................................................ 84
Tabla 20 ........................................................................................................................................ 85
Tabla 21 ........................................................................................................................................ 86
IX
Lista de Figuras
Figura 1 ........................................................................................................................................... 4
Figura 2 ......................................................................................................................................... 12
Figura 3 ......................................................................................................................................... 19
Figura 4 ......................................................................................................................................... 20
Figura 5 ......................................................................................................................................... 21
Figura 6 ......................................................................................................................................... 23
Figura 7 ......................................................................................................................................... 25
Figura 8 ......................................................................................................................................... 26
Figura 9 ......................................................................................................................................... 27
Figura 10 ....................................................................................................................................... 28
Figura 11 ....................................................................................................................................... 29
Figura 12 ....................................................................................................................................... 30
Figura 13 ....................................................................................................................................... 31
Figura 14 ....................................................................................................................................... 36
Figura 15 ....................................................................................................................................... 58
Figura 16 ....................................................................................................................................... 61
Figura 17 ....................................................................................................................................... 61
X
Lista de Gráficos
Gráfico 1 ....................................................................................................................................... 10
XI
Lista de Diagramas
Diagrama 1 .................................................................................................................................... 68
XII
Resumen.
Título: Desarrollo de un prototipo desalinizador de agua de bajo costo, mediante la
implementación de energía solar para el consumo humano.
Autor: Yary Lizeth Blanco Ruiz, Angela Nathalia Gutierrez Roa.
Palabras clave: Desalinización, energía solar, destilador, agua potable, vapor de agua.
Descripción: Las regiones costeras de Colombia se ven constantemente afectadas por la escasez
y difícil acceso al agua potable, siendo principalmente afectadas en términos de salud, nutrición,
desarrollo económico y calidad de vida; sin embargo, estas zonas se caracterizan por poseer en
gran abundancia el agua de mar y altas radiaciones originadas de los rayos solares.
Teniendo en cuenta la problemática anterior, el presente proyecto se enfocó en diseñar y
construir un prototipo desalinizador solar, mediante el análisis de las tendencias de investigación
y el estudio de condiciones geográficas de las zonas costeras, identificando así, los elementos y
materiales que conforman el diseño del prototipo.
Seguidamente, se realizaron pruebas físico-químicas y microbiológicas al agua destilada,
permitiendo definir la calidad final de esta, generando recomendaciones para mejoras del diseño;
así mismo, se logra concluir que bajo un proceso de cloración seguido por el proceso de
evaporación y condensación se pueden separar las sales minerales y demás sustancias disueltas
en el líquido para acercarse a la obtención de un H2O potable óptimo para el consumo humano.
Por otra parte, se obtuvo la eficiencia teórica del sistema, mediante el balance de masa y energía;
el cual fue comparado con las pruebas experimentales, obteniendo un rendimiento del 50% en las
dos situaciones. Por consiguiente, el proyecto se adapta para continuar su desarrollo en una
segunda etapa.
XIII
Abstract.
Title: Development of a low-cost water desalinator prototype for human consumption, through
solar energy implementation.
Author: Yary Lizeth Blanco Ruiz, Angela Nathalia Gutierrez Roa.
Keyboards: Desalination, solar energy, distiller, drinkable water, water vapor.
Description: The coastal regions of Colombia are constantly affected by the scarcity and
difficult access to drinking water, being mainly affected in terms of health, nutrition, economic
development and quality of life; however, these areas are characterized by having a great
abundance of seawater and high radiation caused by the solar rays.
Taking into account the previous problem, this project focused on designing and building a
prototype solar desalination plant, through the analysis of research trends and the study of
geographical conditions of coastal areas, thus identifying the elements and materials that shape
the prototype design.
Subsequently, physical-chemical and microbiological tests were carried out on the distilled
water, allowing to define its final quality, generating recommendations for design improvements;
moreover, it is concluded that under a chlorination process followed by the evaporation and
condensation process, the mineral salts and other substances dissolved in the liquid can be
separated to get closer to obtaining an optimal drinking H2O for human consumption. On the
other hand, the theoretical efficiency of the system was obtained through the balance of mass and
energy; which was compared with the experimental tests, obtaining a 50% yield in both
situations. Consequently, the project is adapted to continue its development in a second stage.
XIV
Introducción.
En la actualidad, la escasez de agua potable es una de las problemáticas más apremiantes
para las regiones costeras de Colombia, la cual se origina principalmente por cambios climáticos,
la contaminación ambiental y el aumento descontrolado de la población (Romero, 2016); esto ha
ocasionado que la demanda de este recurso supere la oferta y por lo tanto no sea posible
abastecer equitativamente a toda la comunidad.
Se debe agregar, que esta limitación del recurso hídrico se da principalmente en zonas
que poseen abundante recurso de agua de mar (Zarza, 2000). Estas regiones también se
caracterizan por presentar altos niveles de radiación solar, altas temperaturas que aumentan la
deshidratación de la población y bajas precipitaciones que se ven reflejadas en el terreno árido y
desértico.
En este contexto, se realiza la presente propuesta de investigación la cual busca
desarrollar un prototipo desalinizador de agua de bajo costo, mediante el uso de energías
renovables no convencionales, que permita la obtención de agua potable apta para el consumo
humano y así, brindar una solución a las diferentes comunidades afectadas.
Para esta investigación se presentó una metodología dividida en cuatro fases que dieron
cumplimiento a los objetivos específicos propuestos; a su vez, permitieron establecer los
elementos claves que se contemplan en el diseño del prototipo y facilitan la construcción del
mismo, en donde se identificaron posibles mejoras. Finalmente, se ejecutaron pruebas de
laboratorio que evaluaron la calidad del agua resultante, mediante el análisis físico-químico y
microbiológico de este, dando como sugerencia la cloración del agua después del proceso de
destilación para cumplir con los requisitos definidos en la Resolución 2115 del 2007 del
ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial para el agua potable.
1
1. Problema de investigación.
La disponibilidad de agua infiere de manera directa en el desarrollo económico y social
de un país. Aproximadamente el 75% de la superficie del planeta tierra es agua; sin embargo, de
ese 100% de agua el 97,5% es salada y tan solo el 2,5% es dulce (Cortés, 2017). El agua dulce es
escasa, es un recurso finito y esencial para el desarrollo óptimo de las funciones vitales del ser
humano; se encuentra distribuida en glaciares, capas polares, agua subterránea y en superficies
con un 0,025% siendo esta última la única de fácil acceso (Cortés, 2017).
El aumento de la población, que incluye a más de 7.000 millones de seres humanos y los
cambios climáticos que experimentan algunas regiones en el planeta, han producido un
desequilibrio entre la demanda y el suministro de agua de calidad (Cortés, 2017). Existen 750
millones de personas en todo el mundo que no tienen acceso al agua potable, específicamente
las poblaciones vulnerables, el 90% de estas personas viven en las zonas rurales de los países
(IDA, 2018), esto ha generado un efecto negativo en la calidad de vida de las comunidades que
sufren el peso de las enfermedades relacionadas con el consumo y utilización de agua no potable
(Cortés, 2017).
En Colombia el acceso al agua se considera un derecho fundamental y se define como “el
derecho de todos de disponer de agua suficiente, salubre, aceptable, accesible y asequible para
el uso personal o doméstico” (Corte Constitucional de Colombia, 2011). Según un estudio
publicado por Global Wather Partnership (GWP), sudamérica cuenta con la mayor cantidad de
agua dulce, siendo Colombia quien ocupa el tercer lugar entre los países con más agua en el
mundo (Cataño, 2015).
2
No obstante, las regiones con climas cálidos presentan mayor limitación en el
abastecimiento de agua potable debido a su condición geográfica, especialmente las zonas
costeras que, a pesar de estar rodeadas del recurso hídrico, este no es apto para el consumo
humano; por tal motivo, las soluciones a la crisis del agua deben adaptarse al tipo de población,
al lugar donde se ubican y a los recursos que estén a su alcance.
Según la Organización Mundial de la Salud, en el mundo enferman o mueren cerca de 2.2
millones de personas al consumir agua no potabilizada y contaminada al año (OMS, 2017). En
Colombia, el 28 % de la población rural enfrenta una situación crítica por la falta de acueducto,
por lo tanto, miles de personas obtienen el agua de pozos y ríos, exponiéndose así a
enfermedades. Las principales regiones que carecen de este servicio son el Atlántico y el
Pacífico (Ávila, 2015).
Adicional a la escasez del suministro del agua, también se evidencia la baja calidad de
esta. Según un informe del Ministerio de Salud y Protección Social (MINSALUD) el 16.7% de
las regiones del país se ubican en un nivel de riesgo alto en términos de la calidad del recurso
hídrico, lo que implica graves afectaciones en la salud de las personas que la consumen; el 46.7%
se ubica en nivel de riesgo medio, el 26.6% riesgo bajo y sólo el 10% son departamentos sin
riesgo (Ministerio de Salud y Proteccion Social -MINSALUD-, 2016).
Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), existen por lo menos 25
enfermedades que pueden ser provocadas por la contaminación del líquido. En el caso de
Colombia, las enfermedades que se encuentran directamente relacionadas y con alta prioridad
son: las enfermedades diarreicas agudas (EDA), hepatitis A, cólera, fiebre, Leptospirosis,
criptosporidiosis y giardiasis. De acuerdo a lo anterior, cabe resaltar que los departamentos
ubicados en zonas costeras con la tasa más alta de mortalidad por EDA en menores de 5 años y
3
episodios con fiebre es Choco, con la tasa más alta de incidencia general de EDA es la Guajira y
con el índice más alto de riesgo de la calidad del agua para el consumo humano es Nariño
(Ministerio de Salud y Proteccion Social -MINSALUD-, 2016). Los informes de mortalidad
infantil reflejaron para el año 2016, 82 muertes de menores de 5 años por causas probables
asociadas a enfermedad diarreica aguda y desnutrición (Bonet-morón & Hahn-de-castro, 2017).
La afectación a las comunidades va más allá de las enfermedades, también se perjudican
los cultivos y animales; debido a que cerca del 70% del agua extraída de los ríos y lagos se
utiliza para el riego, por lo tanto, los alimentos que consumen las personas y los animales están
contaminados por la falta de utilización de agua potable (Dinero, 2016).
Por tal motivo es de vital importancia centrar esfuerzos en la investigación y desarrollo
de sistemas de desalinización que aprovechen el agua de mar y la potabilicen para poder suplir
la necesidad de estas regiones, teniendo en cuenta factores como el costo energético, necesidad
social, recursos de las poblaciones dentro de los que se destacan la luz solar, entre otras (Mateus
Valencia, 2016).
1.1. Pregunta de investigación
¿Cómo desarrollar un prototipo desalinizador hídrico de bajo costo y fácil acceso,
mediante la utilización del recurso solar, de manera que se proporcione agua de calidad para el
consumo humano en zonas costeras?
1.2. Diagrama Ishikawa
En la Figura 1, se establecen las principales causas encontradas en diferentes áreas, por las
que se origina la escasez de agua potable en las comunidades costeras de Colombia.
4
Escasez de agua potable en comunidades
costeras de Colombia
Sequía
Contaminación Ambiental
Baja
Precipitación Altas
Temperaturas
Geografía DesérticaFalta de acueductos Falta de políticas y
recursos por parte
del Estado
Baja oferta laboral
Alta dispersión de
las poblaciones
Falta de inversión
en la región
Poblaciones marginadas,
olvidadas por los entes
gubernamentales
Aumento de la
población
Cultural
Falta de conocimiento sobre
obtención y potabilización de
agua salada
Escasez de
plantas
desanilizadoras
Acueductos
deficientes
Ausencia de
carro tanques
para suministro
del agua Largas distancias
entre los
asentamientos
para distribuir el
agua
Figura 1 Diagrama Ishikawa
Nota: * Diagrama causa y efecto que representa la problemática sobre la escasez de agua potable en comunidades costeras de
Colombia. Autores del proyecto.
5
2. Justificación.
La presente investigación busca el desarrollo de un prototipo desalinizador solar de bajo
costo, con el ánimo de proporcionar agua apta para el consumo humano a núcleos familiares de
la costa con escasez de la misma; debe decirse, que la motivación principal para esta idea, radica
en la necesidad evidenciada por diferentes organismos internacionales y medios de
comunicación, que arrojan cifras alarmantes sobre la limitada asequibilidad que existe en
regiones costeras del país para la obtención de agua potable.
El consumo de agua es una necesidad fisiológica humana básica para mantener hidratado
el cuerpo y bajo un correcto funcionamiento; los volúmenes agua estimados con base a los
valores de referencia (Organizacion Mundial de la Salud OMS, 2011), establecen que el cuerpo
humano está compuesto entre un 58% y 78% de agua, esto depende de la contextura de la
persona; es decir, que cada persona adulta consume aproximadamente 2 litros de agua diarios,
pero esta cifra varía de acuerdo al clima, el nivel de actividad, la alimentación, el peso y la edad
(Organizacion Mundial de la Salud OMS, 2011). Para una familia compuesta por 5 integrantes el
requerimiento mínimo de agua seria de 20Lt aproximadamente, solo para cubrir la necesidad de
hidratación sin tener en cuenta el agua requerida para la preparación de alimento(Bosch,
Hommann, Sadoff, & Travers, 2000).
En Colombia las cantidades de agua captada y usadas por los hogares dependen en gran
medida de la distancia al lugar del suministro de agua o del tiempo de recolección; para
poblaciones costeras como la Guajira, con una población de 1.012.926 habitantes, en la que el
45.15% se encuentra en la ruralidad donde las condiciones geográficas se caracterizadas por
paisajes desérticos y con bajas precipitaciones (UMAIC, 2017), el agua se les convierte en un
tema de vida o muerte. Después de la sequía de 2015, entre 2016 y julio de 2017, el número de
6
defunciones en niños menores de un año fue de 26 para hombres y 22 para mujeres, cifras
menores a las registradas durante el mismo periodo en el 2016 (196 hombres y 149 mujeres)
(UMAIC, 2017). Estas defunciones se encuentran principalmente en los municipios de Riohacha
(42%) y Uribía (23%) a causa de la malnutrición presentada (UMAIC, 2017). Para grupos
indígenas como como lo son los Wayuu con 300.000 personas aproximadamente que viven en
rancherías dispersas en un desierto de 15.300 kilómetros, el abastecimiento del recurso hídrico
para sus familias se convierte en una completa odisea, puesto que para poder obtener una ración
deben desplazarse por el desierto a los diversos reservorios en la región y de allí transportarlos a
cada uno de los hogares, esto implica una gran dificultad en costos, trabajo y desgaste físico
para los habitantes de estas regiones(Rojas Perdomo & Chavarro Torres, 2015).
A raíz de esta necesidad básica y primordial, este proyecto se justifica desde la normativa
colombiana sentencia T-740/11 que establece el acceso al agua como un derecho
fundamental(Corte Constitucional de Colombia, 2011); el acceso a agua potable es escaso en
muchas zonas de Colombia, especialmente en las costeras de la Alta Guajira. Adicionalmente los
altos costos que se generan para poder suplir dicha insuficiencia del recurso hídrico potable son
un tema de preocupación(Organizaciones, Roja, & No, 2017).
En este orden de ideas, el proyecto se plantea para brindar soluciones a esos núcleos
familiares, a partir del establecimiento de objetivos enfocados en construir y evaluar una
propuesta que dé respuesta a la problemática en mención, considerando un prototipo que sea de
bajo costo. Así, se busca contribuir de manera social aportando a estas regiones y comunidades
un sistema que les permita mejorar el abastecimiento de agua, al tiempo que sus condiciones de
salud, nutrición y bienestar.
7
Por último, académicamente este proyecto contribuye a la generación de una intercambio
y transferencia de conocimientos en ciencia, tecnología e innovación, para dar solución a las
necesidades más apremiantes de las comunidades en torno al agua, su correcto uso y
aprovechamiento del uso de energías renovables para su obtención, así como fomentar el diálogo
de saberes y la innovación social.
8
3. Objetivos.
3.1. Objetivo general
Desarrollar un prototipo desalinizador de agua de bajo costo, mediante el uso de energías
renovables no convencionales, que permita la obtención de agua potable apta para el consumo
humano.
3.2. Objetivos específicos
Identificar las tendencias de investigación y avances tecnológicos de los desalinizadores
de agua que integren el uso de energía solar, a través de una revisión de literatura,
estableciendo los elementos claves que deben contemplarse en el prototipo.
Diseñar un prototipo desalinizador de agua, mediante la integración de los elementos
claves previamente identificados, de manera que sirva como insumo para su posterior
construcción.
Construir el prototipo del desalinizador solar, que produzca agua potable, a partir del uso
de materiales de bajo costo.
Evaluar la eficiencia del proceso de desalinización, mediante el análisis químico de la
calidad del agua entrante y saliente, determinando así la viabilidad para su consumo
humano.
9
4. Marco Referencial.
4.1. Antecedentes de Investigación
4.1.1. Internacionales
Las primeras investigaciones acerca de la desalinización se remontan a los tiempos de
Aristóteles, siendo el proceso por evaporación el protagonista. Es hasta el siglo XVI que los
árabes retoman este tema, probando otra alternativa: la desalación por destilación. Los avances
siguieron y en el siglo XVII, Sir Francis Bacon empieza a experimentar con la desalinización por
filtración (Álvarez & Benavides, 2013).
Sin embargo, es en el siglo XVIII cuando se registra un importante descubrimiento
tecnológico en este campo: la filtración con membranas, reconociéndose también el fenómeno de
ósmosis a través de membranas naturales. En 1840 se patentó la tecnología denominada
evaporación de múltiple efecto (ME). Posteriormente, en el Sigo XX, investigadores de Estados
Unidos y Japón principalmente, desarrollaron membranas semipermeables con fines industriales,
que pronto comenzaron a ser usadas para desalación por ósmosis inversa (Álvarez & Benavides,
2013).
En la actualidad, más de 150 países en el mundo recurren a la desalación de agua de mar
para solucionar sus necesidades. El continente donde más se utiliza esta tecnología es Asia
(NewsSoliclima, 2009).
En el siguiente gráfico se presenta el ranking de los diez primeros países con mayor
capacidad de desalación en m3/día, evidenciando que Arabia Saudita es el principal productor de
agua potable con 10.759.693 m3/día.
10
Gráfico 1
Capacidad de países a nivel mundial para desalinizar agua de mar (m3/día).
Nota: * Autores del proyecto, adaptado de (NewsSoliclima, 2009).
La aplicación de las tecnologías de desalación, para suministrar de manera segura agua
dulce a la población, ha experimentado un notable crecimiento en los últimos años. Estas
tecnologías se han implementado ascendentemente para hacer frente a la sequía mundial y a la
búsqueda de nuevas fuentes de agua dulce (Teresa & Melero, 2011).
Internacionalmente, se están desarrollando un gran número de proyectos acerca de plantas
desalinizadoras; prueba de ello es que en 2007 la capacidad mundial contratada creció un 43% en
comparación en el año anterior, y a mediados de 2008 ya eran 13.869 las plantas desalinizadoras
previstas (Teresa & Melero, 2011).
En España, desde el 2003 se está ejecutando el Programa A.G.U.A. (Actuaciones para la
Gestión y la Utilización del Agua), el cual pretende garantizar una mayor equidad, obtener una
10,759,693
8,428,256 8,133,415
5,249,536
2,876,625 2,675,985 2,259,741 1,712,886 1,493,158 1,184,812 -
2,000,000
4,000,000
6,000,000
8,000,000
10,000,000
12,000,000
PAISES CON MAYOR CAPACIDAD DE
DESALACIÓN EN M3/DÍA
11
mayor eficiencia y sostenibilidad haciendo uso de las mejores tecnologías disponibles. La planta
desalinizadora del Canal de Cartagena inicio su funcionamiento en el año 2005 y ha generado el
reconocimiento que actualmente tiene España a nivel mundial en lo referente a la desalinización,
con una producción de 65 millones de litros diarios. Las empresas españolas de desalinización
como Inima (OHL), han sido los principales promotores y responsables de las construcciones de
plantas en diferentes países como México, India y China, actualmente son líderes en el sector a
escala mundial (Sanz, 2011).
En Marruecos, la empresa española Abengoa está construyendo la planta más grande del
mundo impulsada por energía solar para convertir agua de mar en agua potable. Esta generará
275.000 m3/día de agua de mar desalinizada, con el fin de producir 150.000 m3 de agua potable y
125.000 m3 para el riego de unas 13.600 hectáreas de tierra agrícola cerca de Agadir, una ciudad
en la costa occidental de Marruecos. De acuerdo con el gobierno marroquí, la energía eléctrica
para abastecer a la planta llegará a través de cables de alta tensión desde la planta solar de Noor
Ouarzazate, a casi 400 kilómetros al este de Agadir (Semana Sostenible, 2017)
Para obtener una pequeña cantidad de agua pura de una fuente de agua salada se requiere
de la utilización de grandes fuentes de energía (Circa & Jorge, 2012). En países ricos en gas o
petróleo, como Arabia Saudita, la mayoría de las grandes plantas desalinizadoras son impulsadas
por calor residual, un subproducto de las centrales termoeléctricas de petróleo; pero en aquellas
zonas donde escasean los combustibles fósiles, las plantas de desalinización solar cobran
relevancia, especialmente los ubicados en zonas costeras (Semana Sostenible, 2017). Es por eso
que en los últimos años se ha centrado la atención en el uso de energías renovables para realizar
el proceso de desalinización.
12
A nivel de Latinoamérica, la desalinización se ha venido utilizando desde finales de 1800.
Una de las primeras instalaciones fue construida en Chile. Los países que utilizan mayormente la
desalinización son Perú y Chile (FLUENCE, 2016).
En 1872, el ingeniero sueco Charles Wilson construyo la primera planta de desalación
solar en Las Salinas a 112 km de Antofagasta, Chile (López, Henríquez, Hernandéz, & Menjívar,
2013). Dicha planta era un instrumento destinado a convertir el agua salada en agua apta para el
consumo humano, usando para ello dos elementos que se encontraban en abundancia en el
desierto de Atacama: el calor solar y la fuerza del viento. Cubriendo un área de 4000 metros
cuadrados y llegando a tener una capacidad de desalinización de más de 20.000 L/día en verano
(Becerra, 2017).
En la siguiente figura se observa la primera planta desalinizadora que empleaba el
método por desalación solar y entró en servicio en el año 1878, siendo operada durante 50 años.
Figura 2 Primera Planta de desalación solar
Nota: * Primera planta desalinizadora solar que empleaba el método por desalación solar y entró
en servicio en el año 1878, siendo operada durante 50 años, adaptado de (Becerra, 2017).
13
El 12 de abril del 2018, se inauguró en Venezuela la planta desalinizadora Boca de Pozo
en el estado Nueva Esparta, la cual es la más grande del país y la tercera más grande de
Latinoamérica. Esta planta tiene la capacidad de producir 110 litros de agua por segundo y
beneficiará a más de 180 mil habitantes de los municipios de Macanao y Tubores (Puentes,
2018).
4.1.2. Nacionales
En Colombia, fue hasta el 18 de enero del año 2015 que se instaló en la Guajira la
primera planta Desalinizadora de Agua. Esta fue entregada por la Unidad Nacional para la
Gestión de Riesgos y Desastres (UNGRD) y operada por la Cruz Roja Colombiana; cuenta con
una capacidad de producción de 68 mil litros de agua al día, beneficiando a las poblaciones de
los municipios de Uribía y Manaure (Cruz Roja Colombiana, 2015).
El 5 de abril del 2016 el país recibió una planta desalinizadora para La Guajira donada
por Corea del Sur, la cual permite el suministro de 150.000 litros de agua potable al día, lo que
beneficia a 7.500 personas de la comunidad de Manaure. La donación hace parte de los acuerdos
de cooperación internacional firmados entre ambos países, con el objetivo de contribuir a la
mitigación, prevención y reducción de enfermedades, así como a la recuperación de zonas que
tienen problemas por la ausencia de fuentes de agua potable (Presidencia de la República, 2016).
Las Universidades Colombianas se han interesado en darle solución a la problemática
relaciona con la escasez del recurso hídrico que presentan especialmente algunas zonas costeras.
Diversas instituciones académicas como la Universidad Nacional de Colombia (UN),
Universidad Industrial de Santander (UIS), Universidad Santo Tomás (USTA), Universidad
EAN, entre otras, por medio de los grupos y semilleros de investigación con los que cuenta cada
14
establecimiento educativo han desarrollo diversos proyectos y artículos enfocados en la
desalinización por medio de los métodos de ósmosis inversa y desalación solar.
El proyecto más destacado denominado Drink Sea, se llevó a cabo por cuatro estudiantes
de la UIS, el cual consiste en optimizar el proceso de desalinización por ósmosis inversa
mediante la implementación de energías renovables (Arias, 2018), principalmente con la
undimotriz, que es la que permite obtener electricidad a partir del movimiento de las olas (La
Nota Económica, 2018); ahorrando un 80% de energía y disminuyendo el costo del m3 de agua
desalinizada en un 55% respecto a los métodos de desalinización convencionales; así mismo, los
estudiantes trabajan en el diseño de una planta piloto para beneficio de 2.800 personas (Arias,
2018). Adicionalmente, fueron escogidos por Hult Prize como los ganadores de la edición 2018
del Premio Hult en Colombia, una de las competencias más grandes del mundo en innovación y
emprendimiento estudiantil (La Nota Económica, 2018).
Las energías renovables vienen de recursos naturales que son reincorporados al ambiente
una vez son usados, es por eso que Bouchekima menciona el especial interés que se le están
dando a las plantas a pequeña escala que puedan ser operadas también con pequeñas cantidades
de energía (Circa & Jorge, 2012).
4.2. Marco Conceptual
4.2.1. Desalinización.
La desalinización del agua es un proceso diseñado para producir agua dulce a partir de
agua salinas (Bonilla & Venera, 2016). Los procesos de desalinización pueden basarse en
métodos de separación térmicos o de membrana. En los procesos térmicos, la separación se da
mediante la adición o la eliminación de calor y en los procesos de membrana la separación se
produce por medio de membranas selectivas (Toinga, 2012).
15
4.2.2. Sistema solar.
Se encarga de transformar la luz del sol en electricidad usando paneles solares que
contienen células fotovoltaicas, las cuales, actúan como semiconductor en forma de oblea, y a su
vez, están cubiertas de un material transparente que se activa al recibir la luz solar y genera
corriente según la intensidad de la misma. Su aplicación se extiende desde módulos de
instalaciones independientes hasta huertas solares que generan grandes cantidades de energía y
se conectan a las líneas públicas de distribución (Benito, 2012).
4.2.3. Desalinización solar.
Se basa en el uso de la energía solar térmica para evaporar el agua de mar y recuperar
agua pura (Toinga, 2012).
4.2.4. Radiación Solar.
Trasferencia de energía por ondas electromagnéticas y se produce directamente desde la
fuente hacia fuera en todas las direcciones. Estas ondas no necesitan un medio material para
propagarse, pueden atravesar el espacio interplanetario y llegar a la Tierra desde el Sol (AEMET,
2008).
4.2.5. Ósmosis.
Fenómeno que consiste en el paso del solvente desde una disolución en una zona de baja
concentración de soluto a una de alta concentración de soluto, separadas por una membrana
semipermeable (Ortega, 2001).
4.2.6. Ósmosis Inversa.
Proceso por el cual se obliga al agua a pasar a través de una membrana semi-permeable,
desde una solución más concentrada en sales disueltas u otros contaminantes a una solución
menos concentrada, mediante la aplicación de presión (Ecológicos, 2015).
16
4.2.7. Destilación.
Separación de dos o más líquidos miscibles mediante la ebullición. Los vapores obtenidos
se recuperan como producto deseable y se condensan. Los vapores condensados son ricos en
líquidos más volátiles, mientras que los fondos o líquidos remanentes, son ricos en las sustancias
menos volátiles (Valiente-barderas, 1958).
4.2.8. Electrólisis.
Reacción química donde las sustancias que se encuentran disueltas en agua, son capaces
de descomponerse o ionizarse en sus elementos moleculares y/o atómicos constituyentes. Las
disoluciones electrolíticas se caracterizan por conducir la corriente eléctrica, debido a que la
separación de sus moléculas produce estructuras químicas cargadas eléctricamente (Codelco
Educa, 2011).
4.2.9. Balance de Energía.
Se rige por el primer principio de la termodinámica, es decir, por la ley de conservación
de la energía que establece que la energía no puede crearse ni destruirse (I. Martínez, 1995). Es
el análisis de la energía en todos los momentos del proceso.
4.2.10. Calidad del Agua.
El término es relativo, puesto que su definición está relacionada con el uso del recurso.
Para decidir si un agua califica para un propósito particular, su calidad debe especificarse en
función del uso que se le va a dar (Korbut, 2010).
4.2.11. Colector Solar.
Dispositivo utilizado para reunir, absorber y transferir energía solar a un fluido que
circula por el colector (Tintaya, 2016).
17
4.2.12. Presión Vacuométrica.
Es la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Es utilizada en
aquellos casos en los que la presión es inferior a la presión atmosférica (MÜLLER, 2002).
4.2.13. Presión de Saturación.
También denominada presión de vapor, es en la cual, para una temperatura determinada,
la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio (Zavaleta, 2011).
4.2.14. Salmuera.
Solución formada por altas concentraciones de cloruro de sodio, en agua. Se utiliza como
medio de transferencia de calor cuando la temperatura es inferior a 0 ºC (Condorchem Envitech,
2016).
4.2.15. Efecto Venturi.
Líquido en movimiento dentro de un conducto cerrado que disminuye su presión al
aumentar la velocidad pasando por una zona de sección menor. En ciertas condiciones, cuando el
aumento de velocidad es muy grande, se llegan a producir presiones negativas y entonces, si en
este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del
líquido, que se mezclará con el que circula por el primer conducto (Suarez, 2006).
4.3. Marco Teórico
4.3.1. Desalinización.
Un desalinizador es un dispositivo que permite la separación de las sales minerales y
demás sustancias disueltas en el líquido (que generalmente es agua), de otra sustancia por medio
de la evaporación, en la que por acción de una fuente de energía el agua se separa, dejando las
sales minerales y demás sustancias contaminantes en el recipiente. Posteriormente el vapor de
18
agua se condensa, haciéndolo pasar por tubos que tienen superficies de menor temperatura
(Ecológicos, 2015).
4.3.2. Métodos de Desalinización.
Existen numerosos criterios para clasificar los diferentes métodos de desalinización. El
criterio que se denominara X los divide en dos grupos: i) Métodos que realizan un cambio de fase
para obtener el agua pura y ii) Métodos que funcionan sin cambio de fase. Y el criterio que se
denominara W los clasifica de acuerdo con el tipo de energía que consumen, ya sea, Energía
Térmica o Energía mecánica.
Entre los métodos que implican un cambio de fase / utilizan Energía Térmica están: i)
Destilación en Efecto Múltiple (MSD), ii) Destilación por Efecto Flash (MSF), iii) Congelación,
iv) Compresión de vapor, v) Destilación Solar.
Los métodos que no realizan un cambio de fase / utilizan Energía Mecánica incluyen: vi)
Ósmosis Inversa y, vii) Electrodiálisis.
La Compresión de Vapor admite las dos posibilidades de energía, por lo tanto, podría
estar en cualquiera de los dos grupos mencionados en el criterio W (Moya, 1997). También se
puede obtener una clasificación según la energía renovable utilizada, como se aprecia a
continuación:
19
Figura 3
Nota: * Posibles combinaciones tecnológicas de las principales energías renovables y métodos
de desalación. (Circa & Navarrete, 2012)
Destilación por Efecto Múltiple (MSD).
En este método se tiene una serie de efectos de evaporación con presiones que decrecen
secuencialmente y que producen agua destilada. Las presiones vacuométricas se deben a que el
agua se evapora a temperaturas más bajas conforme la presión disminuye. El primer efecto
(evaporador) sirve como medio de calentamiento para el segundo efecto, y así, sucesivamente.
Tantos más efectos, mayor será el rendimiento (Vásquez, 2017).
La producción de vapor en cada efecto, se aprovecha para calentar el siguiente efecto, y
así continuar a través de todos los efectos hasta que el vapor del último, se condensa en la etapa
final. El concentrado de cada efecto puede ser enviado al siguiente efecto o puede ser sacado en
20
puntos específicos del proceso. El destilado, agua dulce, se obtiene de la condensación del vapor
en cada efecto y del condensador principal (Vásquez, 2017).
La ventaja es que es más rentable porque no requiere de partes móviles a excepción de las
bombas de vacío, la operación se realiza a bajas temperaturas, lo cual reduce los problemas de
corrosión e incrustación y las diferencias de presiones son mucho menores. Es ideal para
acoplarse a centrales de generación, ya que su consumo eléctrico es bajo, así como el consumo
en químicos; es de respuesta rápida y muy flexible (Vásquez, 2017). En la siguiente figura se
puede observar el proceso de destilación por Efecto Múltiple:
Figura 4
Nota: * Destilación por Efecto Múltiple (Germán, González, & Ruiz, 2013).
Destilación por Efecto Flash
Consiste en evaporar el agua de mar en etapas a una presión menor de la presión de
saturación correspondiente a la temperatura existente. El agua de mar es precalentada mediante
unos condensadores en cada etapa, condensando así el vapor libre de sales formado por flash.
Antes de entrar en la primera cámara el agua de mar recibe el aporte de calor externo mediante
una corriente de vapor motriz externo. Al entrar en la cámara, que está a una menor presión, se
21
provoca la expansión súbita del agua de mar vaporizándose el agua pura y quedando las sales en
el fondo del depósito (Germán, González, & Ruíz, 2013).
La separación vapor-sales se efectúa mediante la evaporación por disminución de presión
(Germán, González, & Ruíz, 2013). En la siguiente figura se identifica el proceso de
desalinización de agua de mar, mediante la implementación del método de destilación por Efecto
Flash:
Figura 5
Nota: * Destilación por Efecto Flash. (Germán, González, & Ruíz, 2013).
Congelación.
Método en donde el agua de mar es llevada a un estado termodinámico en el cual el
componente con el punto de congelación más alto (el agua) se separa espontáneamente, mediante
cristalización, dentro de la misma solución salina, la cual se va gradualmente concentrando más
y más. Esta concentración creciente del agua de mar que está en fase líquida, hace disminuir su
punto de congelación. Los cristales de agua pura son “lavados” y extraídos, obteniéndose agua
pura (Ecológicos, 2015).
22
El H2O se separa primero por congelación al ir disminuyendo la temperatura y
naturalmente la sal también se empieza a cristalizar. La temperatura de trabajo típica está en el
rango comprendido entre -5ºC (punto de congelación del agua del mar) y la temperatura
ambiente (Ecológicos, 2015).
Los cristales de agua pura pueden ser extraídos mediante centrifugación. Actualmente no
existe una amplia implementación de este tipo de plantas desalinizadoras y puede decirse que su
tecnología no está aún madura (Ecológicos, 2015).
Compresión de Vapor.
La compresión de vapor se refiere al proceso de destilación en el que la evaporación del
agua se obtiene mediante la aplicación del calor suministrado por la condensación de vapor
comprimido (Ecológicos, 2015).
La compresión del vapor puede realizarse mediante dos métodos. El primer método se
denomina “Compresión Térmica” o “Termocompresión”, y consiste en utilizar un eyector de
vapor, alimentado por una fuente de vapor externa, que produce la compresión deseada mediante
el efecto Venturi originado en el eyector. El segundo método comprime el vapor mediante un
dispositivo mecánico, movido eléctricamente. Este segundo método es el que se denomina
“Compresión Mecánica” (Ecológicos, 2015).
Al ser comprimido, el vapor aumenta su temperatura varios grados centígrados. Al
terminar la compresión se pasa al intercambiador de calor de placas que constituye el evaporador
/ condensador, donde se condensa y libera calor que sirve para evaporar una parte del agua
salada que circula por el otro lado del evaporador/condensador (Ecológicos, 2015). En la
siguiente figura se observa los pasos que se siguen para la desalinización de agua por
Compresión Mecánica de Vapor:
23
Figura 6
Nota: * Compresión Mecánica de Vapor. (Green MVC, 2014)
1) Condensador
2) Bomba de circulación
3) Bomba de agua salada
4) Compresor de vapor
5) Eyector de aire
6) Bomba de destilado
7) Intercambiador de calor
8) Intercambiador de calor
9) Calentador
10) Separador de partículas
24
11) Indicador visual
12) Filtro
13) Cámara de evaporación
14) Cámara de condensado
Destilación Solar.
La energía solar contempla un coste energético nulo y una escasa inversión, sin embargo,
su baja rentabilidad reside en la escasa producción por metro cuadrado de colector, debido a que
destila solo unos litros al día, en el caso de condiciones climatológicas favorables (Vásquez,
2017).
Existen varias formas de producir agua dulce usando la energía solar, una de ellas es la
destilación por colectores. El principio básico es el del efecto invernadero. El sol calienta una
cámara de aire por medio de un cristal transparente, en cuyo fondo hay agua salada en reposo.
Dependiendo de la radiación solar y otros factores como la velocidad del viento; una fracción de
esta agua salada se evapora y se condensa en la cara interior del vidrio. Como el vidrio está
inclinado, las gotas caen en un canal que va recogiendo el condensado evitando que vuelvan a
caer en el proceso de condensación a la lámina inferior de salmuera (Vásquez, 2017).
Destilador solar de una vertiente
Es un destilador cuyo marco externo es una caja formada por una capa de espesor
considerable. Su objetivo es reducir la conducción de energía a través del fondo y de las paredes
laterales del recipiente (Vásquez, 2017).
La caja se caracteriza por tener dos divisiones. La primera división ocupa la mayor parte
de la caja y posee el fondo de color negro donde se sitúa el agua que se evaporará, y la segunda
25
división se encuentra en el lado de menor altura y se encarga de recoger el agua destilada
(Vásquez, 2017).
Adicionalmente, el destilador posee, 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 permitir fluir hasta el colector a la totalidad del condensado, sin que nada caiga dentro del
compartimiento (Vásquez, 2017). En la siguiente figura se ilustra el funcionamiento del
destilador de una sola vertiente:
Figura 7
Nota: * Destilador de una sola vertiente (Energizar, 2017).
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 llegan a un
depósito situado bajo la bandeja donde se dispone el agua para destilar (Vásquez, 2017). En la
siguiente figura se observa el funcionamiento del destilador solar de dos vertientes:
26
Figura 8
Nota: * Destilador Solar de dos vertientes (Sitio Solar, 2013).
Destilador solar de invernadero
Este modelo refleja una estructura de invernadero. Consiste en una caseta de material
semitransparente, generalmente vidrio de 5 mm de espesor en cuyo interior se encuentra un
estanque de agua de poca profundidad con el fondo de color negro y herméticamente cerrado con
vidrio transparente. El agua evaporada se condensa en las paredes del invernadero y se desliza
hacia los canales situados en la base de las paredes (Vásquez, 2017). En la siguiente figura se
presenta el funcionamiento del destilador solar de invernadero:
27
Figura 9
Nota: * Destilador solar de invernadero (Ramos, 2017).
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 (Vásquez, 2017).
El agua en estado gaseoso se condensa en una superficie transparente en posición
inclinada sobre las terrazas y se desliza hacia el receptor situado en la parte baja del destilador
(Vásquez, 2017). En la siguiente figura se representa el funcionamiento del destilador solar de
cascada:
28
Figura 10
Nota: * Destilador Solar de Cascada (Sitio Solar, 2013).
Ósmosis Inversa.
La ósmosis es un proceso natural que ocurre en plantas y animales. Resumiendo, se puede
decir que cuando dos soluciones con diferentes concentraciones se unen a través de una
membrana, existe una circulación natural de la solución menos concentrada para igualar las
concentraciones finales, con lo que la diferencia de elevación obtenida se traduce en una
diferencia de presión, llamada osmótica (Circa & Navarrete, 2012).
Sin embargo, aplicando una presión externa que sea mayor a la presión osmótica de una
disolución respecto de otra, el proceso se puede invertir, haciendo circular agua de la disolución
más concentrada y purificando la zona con menor concentración, obteniendo finalmente un agua
de pureza admisible (Circa & Navarrete, 2012). La permeabilidad de la membrana llega a ser tan
pequeña que fácilmente todas las impurezas, bacterias, virus, entre otros contaminantes, son
29
separados del agua (Vásquez, 2017). En la siguiente figura se ilustra la comparación entre el
funcionamiento de la Ósmosis y la Ósmosis Inversa:
Figura 11
Nota: * Ósmosis Inversa (Carbotecnia, 2014).
Electrodiálisis.
Este proceso permite eliminar los minerales de las aguas salobres, mediante un proceso
que busca que los iones de diferente signo se muevan hacia otras zonas, empleando campos
eléctricos con diferencias de potencial y utilizando membranas selectivas que permitan sólo el
paso de los iones en una solución electrolítica. Los iones son dirigidos a los compartimentos a
través de la atracción de los electrodos del signo contrario, dejando en recipientes paralelos el
agua pura y en el resto el agua salada más concentrada. Es un proceso que sólo puede separar
sustancias que están ionizadas y por lo tanto su utilidad y rentabilidad se enfoca únicamente en el
tratamiento de aguas salobres o reutilización de aguas residuales (Circa & Navarrete, 2012). En
la siguiente figura se observa el proceso de desalinización por medio de la electrodiálisis:
30
Figura 12
Nota: * Desalinización por electrodiálisis (Sánchez, Silva, Mendoza, & González, 2012).
4.3.3. Radiación solar.
La emisión de la radiación solar emerge en forma de ondas electromagnéticas que
transportan energía a la velocidad de la luz. La radiación solar es absorbida, reflejada o difundida
por las partículas sólidas en cualquier lugar del espacio y, sobre todo por la tierra, que depende
de su llegada para muchas actividades tales como el clima, la agricultura, y el movimiento socio-
económico. La radiación entrante en determinado momento toma diferentes magnitudes, debido
a que depende de ciertas variables como: la geometría de la Tierra, la distancia del sol, la
ubicación geográfica, las coordenadas astronómicas, y la composición de la atmósfera (Circa &
Navarrete, 2012).
31
4.3.4. Clases de Radiación Solar.
En la Figura 13 se observan los diferentes tipos de radiación solar existentes y las
características pertenecientes a cada tipo:
Figura 13
Nota: * Clases de Radiación Solar: a. Directa, b. Difusa, c. Reflejada (Circa & Navarrete, 2012).
Radiación Solar Directa
Viaja en línea recta desde el sol a la superficie de la tierra. Es la cantidad de radiación
solar recibida en cualquier lugar de la tierra directamente del sol sin ninguna obstrucción. En
términos prácticos, esta es la radiación que crea sombras nítidas en objetos. Esta radiación es
absorbida por algún intermediario y este mismo irradia ondas electromagnéticas similares a la
fuente principal, que es el sol; puede ser también reflejada y dispersada por toda la superficie de
la tierra o en la atmósfera (Circa & Navarrete, 2012).
Radiación Solar Difusa
32
Es generada por la dispersión del rayo solar directo debido a los gases y los aerosoles
(que incluyen las partículas de polvo, sulfato, hollín, sal marina, polen, etc.). Está compuesta por
fotones solares que llegan desde todas las direcciones del cielo, con intensidades cambiantes que
son dependientes de la dirección entrante (Circa & Navarrete, 2012).
Radiación Solar Reflejada
La radiación reflejada se propaga principalmente en el terreno y por lo tanto es más
importante en las zonas montañosas. La radiación solar reflejada de onda corta es el componente
más importante de la radiación global, ya que es la que más aporta al balance de energía de la
tierra. La cantidad de radiación reflejada por una superficie se mide por el albedo, por lo tanto,
cuando este es de 1 toda la radiación se refleja, no es absorbida, pero cuando es de 0 no se refleja
ninguna radiación, sino que se absorbe (Circa & Navarrete, 2012).
4.3.5. Conductividad Eléctrica.
La conductividad es la capacidad de una solución acuosa para conducir una corriente
eléctrica. Inicialmente, el agua destilada pura no conduce la corriente, pero, si se le disuelven
solidos minerales aumenta su capacidad de conducción. Estos sólidos al disolverse se separan en
iones positivos y negativos en equilibrio con el cuerpo (Torres, 2017).
Tabla 1
Relación del tipo de Agua y Conductividad.
Tipo de Agua Conductividad (µS/cm)
Agua Destilada 0.5 - 3.0
Nieve Derretida 2.0 - 42
Agua del Grifo 50 - 800
Máx. Agua Potable 10055
33
Tipo de Agua Conductividad (µS/cm)
Corrientes de Agua Dulce 100 - 2000
Aguas Residuales Industriales 10000
Agua de Mar 55000
Nota: * Autores del proyecto, adaptado de (Torres, 2017).
4.3.6. Calidad del Agua.
La calidad del agua se define de acuerdo con el uso que vaya a dársele. Este estudio se
enfoca en la calidad del agua para consumo humano según la Resolución 2115 del Ministerio de
Ambiente y Desarrollo Sostenible, por medio de la cual se señalan características, instrumentos
básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo
humano (Ambiente & Territorial, 2007).
Características Físicas: El agua para consumo humano no podrá sobrepasar los valores
máximos aceptables para cada una de las características físicas que se señalan a
continuación:
Tabla 2
Características Físicas del Agua.
Características Físicas Expresadas como Valor Máximo Aceptable
Color Aparente Unidades de Platino
Cobalto (UPC)
15
Olor y Sabor Aceptable o No Aceptable Aceptable
Turbiedad Unidades Nefelométricas de
Turbiedad (UNT)
2
Nota: * Autores del proyecto, adaptado de (Ambiente & Territorial, 2007).
34
Características Microbiológicas: Estas características deben encontrarse dentro de los
siguientes valores máximos aceptables desde el punto de vista microbiológico, los cuales
son establecidos teniendo en cuenta los límites de confianza del 95% y para técnicas con
habilidad de detección desde 1 Unidad Formadora de Colonia (UFC) o 1 microorganismo
en 100 cm3 de muestra:
Tabla 3
Características Microbiológicas del Agua.
Técnicas Utilizadas Coliformes Totales Escherichia Coli
Filtración por membrana 0 UFC/100 cm3 0 UFC/100 cm3
Enzima Sustrato < de 1 microorganismo en
100 cm3
< de 1 microorganismo en
100 cm3
Sustrato Definido 0 microorganismo en 100 cm3 0 microorganismo en 100 cm3
Presencia - Ausencia Ausencia en 100 cm3 Ausencia en 100 cm3
Nota: * Autores del proyecto, adaptado de (Ambiente & Territorial, 2007).
Características Químicas: Las características químicas del agua para consumo humano
en relación con los elementos, compuestos químicos y mezclas de compuestos químicos
que tienen implicaciones sobre la salud humana se señalan en la siguiente tabla:
Tabla 4
Características Químicas que tienen implicaciones sobre la salud humana.
35
Elemento, compuestos
químicos y mezclas de
compuestos químicos
Expresados como Valor máximo aceptable
(mg/L)
Carbono Orgánico Total COT 5,0
Nitritos NO2 0,1
Nitratos NO3 10
Fluoruros F 1,0
Nota: * Autores del proyecto, adaptado de (Ambiente & Territorial, 2007).
4.3.7. Ciclo Rankine.
El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas.
Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que recae
sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Continua
hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba
que nuevamente aumentará la presión, para posteriormente, ser introducido en la caldera
(Fernández, Pérez, & Renedo, 2005).
36
En la siguiente figura se observa el paso a paso que realiza el ciclo rankine para su
funcionamiento:
Figura 14
Nota: * Etapas del ciclo rankine (Fernández, Pérez & Renedo, 2005).
En la transformación 1-2 aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio
de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo.
En la transformación 2-3 se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con
lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo.
En la transformación 3-4 es una expansión adiabática (no intercambia calor con su
entorno), con lo que el vapor a alta presión realiza un trabajo en la turbina.
La transformación 4-1 consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en
el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.
Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete a algunos procesos, para
tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama p-V.
Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen
por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el área del diagrama, pero se
reduce el calor que hay que introducir al ciclo.
37
Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 haciéndolo pasar por la
caldera y después por otra turbina de baja presión.
4.4. Marco legal de la investigación
Tabla 5
Marco Legal
Tipo de norma Autor Cómo se relaciona con el
tema investigativo
Resolución No. 1096
“Por la cual se adopta el
Reglamento Técnico para el
sector de Agua Potable y
Saneamiento Básico – RAS.”
Ministerio de desarrollo
económico. Noviembre 17 de
2000.
Señala los requisitos técnicos
que deben cumplir los
diseños, las obras y
procedimientos
correspondientes al Sector de
Agua Potable y Saneamiento
Básico.
Ley 23
“Por la cual se conceden
facultades extraordinarias al
Presidente de la República
para expedir el Código de
Recursos Naturales y
protección al medio ambiente
y se dictan otras
disposiciones.”
Congreso de la república.
Diciembre 19 de 1973
El objetivo es prevenir y
controlar la contaminación
del medio ambiente y buscar
el mejoramiento,
conservación y restauración
de los recursos naturales
renovables, para defender la
salud y el bienestar de todos
los habitantes del Territorio
Nacional.
Ley 10
“Por medio de la cual se
dictan normas sobre mar
territorial, zona económica
exclusiva, plataforma
continental, y se dictan otras
disposiciones.”
Congreso de la república.
Agosto 4 de 1978
Establece las condiciones del
mar territorial, sus
dimensiones, límites y a
efectos de exploración,
explotación, conservación y
administración de los
recursos naturales vivos y no
vivos e investigación
científica y preservación del
medio marino.
Ley 99
“Por la cual se crea el
Ministerio del Medio
Congreso de la república.
Diciembre 22 de 1993
Define los principios que
debe seguir la Política
Ambiental colombiana, las
38
Tipo de norma Autor Cómo se relaciona con el
tema investigativo
Ambiente, se reordena el
Sector Público encargado de
la gestión y conservación del
medio ambiente y los
recursos naturales renovables,
se organiza el Sistema
Nacional Ambiental, SINA, y
se dictan otras disposiciones”.
funciones del ministerio de
ambiente y el SINA.
Decreto 2492
“Por el cual se adoptan
disposiciones en materia de
implementación de
mecanismos de respuesta de
la demanda”.
Ministerio de minas y
energía. Diciembre 3 de 2014
Decreta los lineamientos de
gestión eficiente de energía,
así como los planes de
expansión y participación en
el mercado mayorista en sus
áreas de distribución.
Ley 373
“Por la cual se establece el
programa para el uso
eficiente y ahorro del agua”.
Congreso de la república.
Junio 6 de 1997
Marco normativo para el
conjunto de proyectos y
acciones que deben elaborar y
adoptar las entidades
encargadas de la prestación
de los servicios de acueducto,
alcantarillado, riego y
drenaje, producción
hidroeléctrica y demás
usuarios del recurso hídrico.
Resolución No. 2115
“Por medio de la cual se
señalan características,
instrumentos básicos y
frecuencias del sistema de
control y vigilancia para la
calidad del agua para
consumo humano”.
Ministerio de la protección
social, Ministerio de
ambiente, vivienda y
desarrollo territorial. Junio 22
de 2007
Define los diferentes análisis
que se le debe realizar al agua
para verificar su calidad y las
características físicas y
químicas del agua para
consumo humano.
39
Tipo de norma Autor Cómo se relaciona con el
tema investigativo
Decreto 2811
“Por el cual se dicta el
Código Nacional de Recursos
Naturales Renovables y de
Protección al Medio
Ambiente”.
Presidencia de la república.
Diciembre 18 de 1974
Decreta el procedimiento para
la adquisición del derecho del
uso de las aguas.
Ley 1715
“Por medio de la cual se
regula la integración de las
energías renovables no
convencionales al sistema
energético nacional”.
Congreso de la república.
Mayo 13 de 2014
Promueve el desarrollo y
utilización de las fuentes
renovables de energía
mediante la financiación de
planes y proyectos que
permitan la ampliación de la
cobertura a zonas no
interconectadas
energéticamente.
Resolución 1283
“Por la cual se establece el
procedimiento y requisitos
para la expedición de la
certificación de beneficio
ambiental por nuevas
inversiones en proyectos de
fuentes no convencionales de
energías renovables –
FNCER y gestión eficiente de
la energía, para obtener los
beneficios tributarios de que
tratan los artículos 11, 12, 13
y 14 de la Ley 1715 de 2014 y
se adoptan otras
determinaciones”.
Ministerio de ambiente y
desarrollo sostenible. Agosto
3 de 2016
Establece los procedimientos
para la obtención de
certificados de Beneficio
ambiental por inversión en
proyectos de gestión eficiente
de energía renovable y
permite el acceso a beneficios
tributarios como la deducción
especial de renta y exclusión
del IVA.
Resolución UPME 0281 "Por
la cual se define el límite
máximo de potencia de la
autogeneración a pequeña
escala".
Ministerio de minas y
energía. Junio 5 de 2015
La potencia autogenerada a
pequeña escala tiene un límite
máximo de 1 MW que
corresponde a la capacidad
instalada.
Nota: *Autores del proyecto
40
5. Metodología.
5.1.Tipo de investigación
El presente proyecto es una investigación de tipo básica o fundamental la cual busca un
progreso científico, incrementando los conocimientos teóricos en materia de diseño de
desalinizadores a bajo costo (Lara Muñoz, 2011). Es un estudio formal, con un alcance limitado
a pruebas controladas de laboratorio; sin embargo, se deja abierta la posibilidad de una segunda
etapa del proyecto para ser desarrollada por los miembros del semillero GIDSE que deseen llevar
a cabo su aplicación.
Para el desarrollo, estudio y análisis de este proyecto se tienen condiciones de la región
que serán determinantes para la proposición de hipótesis respecto al diseño del prototipo
desalinizador de agua a bajo costo, mediante la implementación de energía solar apta para el
consumo humano; estos factores influyentes son las condiciones climáticas, culturales y políticas
propias de la región costera de Colombia sobre la cual se realizará el estudio.
Así mismo, se desarrolla bajo un diseño con método de investigación mixto, dado que
combinan metodologías cualitativas en el que se incluyen factores culturales, que requieren de
técnicas de estudios no cuantitativos (Hernandez Sampieri Roberto, 2014) y cuantitativas dado
que permite una percepción más exacta al evaluar características numéricas medibles como lo
son las tasas de eficiencia de los prototipos desalinizadores, las tasas de precipitaciones, las
variantes de temperatura (Hernandez Sampieri Roberto, 2014). Para el desarrollo se ejecutara
un diseño de método mixto de tipo IV que hacen referencia a una investigación exploratoria con
datos cualitativos y análisis estadísticos(Pérez, 2011) para el cumplimiento de los objetivos.
41
5.2.Diseño metodológico
El desarrollo del presente proyecto se divide en cuatro fases que dan cumplimiento al
objetivo general, tal como sigue:
5.2.1. Fase 1. Análisis de tendencias.
En esta fase se identificarán las tendencias de investigación y avances tecnológicos de los
desalinizadores que integren el uso de energía solar, a través de una revisión de literatura,
estableciendo los elementos claves que deben contemplarse en el prototipo. La fase está
compuesta por las siguientes actividades:
Realizar una revisión bibliográfica con la información suministrada en la base de datos de
la Universidad de Santander UDES, datos estadísticos a nivel mundial, nacional y
regional sobre proyectos de sostenibilidad en el uso de energías renovables para
desalinizadores de agua, de fuentes como el ministerio de ambiente, IDEAM, la OMS, el
IDA, entre otros.
Establecer los elementos claves del sistema que generen un adecuado desarrollo en todo
el proceso del proyecto.
5.2.2. Fase 2. Diseño del prototipo.
Diseñar el prototipo desalinizador de agua, considerando los elementos previamente
identificados, a fin de que sirva como insumo para su posterior construcción. Dentro de las
Actividades a realizar tenemos:
Evaluar las condiciones geográficas del entorno como la radiación solar de la zona, las
precipitaciones, la presión atmosférica, las temperaturas, con el fin de identificar las
variables a tener en cuenta al momento de adaptarlos al prototipo de realización.
42
Comparar diversos sistemas de captación solar, identificando el que ofrezca mejores
condiciones y se adapte a las condiciones ya establecidas según ponderación.
Diseño del prototipo mediante el uso de software de diseño.
5.2.3. Fase 3. Construcción del prototipo desalinizador de agua.
Mediante elementos previamente determinados que no generen altos costos en
elaboración y que cumplan con el objeto de producir agua potable de manera eficiente. Las
actividades para el desarrollo de esta etapa son las siguientes:
Identificación de los materiales que se van a aplicar en el prototipo.
Selección y compra de materiales teniendo en cuenta el costo y que se adapten a las
especificaciones del prototipo.
Fabricación de las partes requeridas según las especificaciones.
Construcción y montaje del prototipo en laboratorio.
Instalación y simulación del sistema adaptándolo a las condiciones de temperatura y
radiación propias de la región costera del país.
5.2.4. Fase 4. Verificación.
Hacer pruebas que evalúen la eficiencia del proceso de desalinización, mediante el
análisis químico de la calidad del agua entrante y saliente, determinando así la viabilidad para su
consumo humano. Para esta etapa final del estudio se desarrolló de la siguiente manera:
Realización de cálculos que permitan obtener la eficiencia teórica del prototipo.
Realización de pruebas de calidad en las que se mida el pH y pureza del agua.
Realización de pruebas de calidad en el que se establezca que el producto final es apto
para el consumo humano.
43
5.3.Población
La presente investigación posee un alcance limitado a trabajo de laboratorio, por tanto, no
llega a generar un impacto directo sobre una población específica; sin embargo, es un estudio
que permite generar futuras investigaciones que sugieran la implementación en lugares
específicos de la costa colombiana en donde no tengan facilidad de acceso a agua potable.
5.4.Técnicas e instrumentos de recolección de datos
Los instrumentos de recolección de datos para el desarrollo del proyecto tendrán inicio
con el análisis documental, mediante la elaboración de cuadros comparativos que permitirán
identificar el mejor método para la ejecución del prototipo. Estos datos brindaran la información
necesaria para que se efectué la fase 2 y la fase 3 donde se involucrara la técnica de observación,
la cual, facilitará reconocer los cambios que se deberán efectuar, tanto en el diseño como en la
construcción del prototipo, para que este cumpla con el objetivo general del presente proyecto,
así mismo, finalizando la fase 3 se realizaran pruebas en el laboratorio para comprobar el
funcionamiento del desalinizador. Por último, se ejecutará una observación experimental
mediante el desarrollo de pruebas químicas, físicas y microbiológicas al agua, donde se
obtendrán datos numéricos a los cuales se les aplicara un análisis estadístico para comprobar la
eficiencia del proceso de desalinización.
Las fuentes de información inicialmente serán secundarias, debido a que se obtendrá la
información de libros, trabajos de grado y artículos de revistas. A medida que avance la
ejecución el proyecto estas fuentes de información se volverán primarias ya que se tendrá un
contacto directo y los datos no habrán sido manipulados con antelación. Específicamente, para
cada fase las fuentes de información serán:
44
Fase 1: Fuente de información secundaria: Se utilizará la base de datos de la Universidad
de Santander (UDES), como también los diferentes artículos y tesis publicados por
universidades de todo el mundo. Adicionalmente, se consultará información suministrada
por entidades como la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), Ministerio de
Ambiente, Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM),
Organización Mundial de la Salud (OMS), entre otros.
Fase 2: Fuente de información secundaria: Se emplearán los cuadros comparativos
obtenidos del análisis de la información encontrada en la fase1.
Fase 3: Fuente de información primaria: Se utilizará el diseño del prototipo anteriormente
realizado y también los resultados generados por las pruebas físicas, mecánicas y
funcionales del prototipo.
Fase 4: Fuente de información primaria y secundaria: Se trabajará con los resultados
obtenidos por las pruebas experimentales de laboratorio realizadas al agua antes y
después de ser tratada por el desalinizador y se tendrán como punto de comparación las
características físicas, químicas y microbiológicas del recurso hídrico determinas por el
Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial.
5.5.Técnicas de Procesamiento y análisis de los Datos
El procesamiento de los datos cuantitativos, se realizará mediante el programa Excel,
debido a la poca cantidad de variables a estudiar y principalmente porque se emplearán
estadísticas descriptivas que sirven para organizar, describir y presentar datos cuantitativos.
La información se analizará a través de las medidas de tendencia central y la realización
de las gráficas correspondientes, para que finalmente las variables sean expresadas en
porcentajes. Estas variables serán:
45
Capacidad de producción por unidad (m3/día).
Consumo de energía solar (w/m2).
Calidad del agua (ppm).
46
6. Discusión y análisis de resultados.
6.1.Análisis de tendencias.
Los métodos de desalinización de agua son variados y pueden ser clasificados en diversos
grupos según las características de funcionamiento que presenten, por tanto, es importante
identificar cuál método es el más acertado para cumplir el objetivo deseado, considerando todos
los recursos que se posean (económicos, humanos, materiales, geográficos, entre otros).
Un elemento fundamental para el desarrollo del proyecto es la utilización de las energías
renovables, específicamente, la energía solar; así mismo, el foco espacial considerado son las
zonas costeras, debido a que son las más afectadas por la escasez de agua potable y se identifican
por tener altas emisiones de radiación solar (Avella et al., 2010). Es por esto, que se optó por
diseñar y construir un prototipo con las características de un destilador solar; adicionalmente, tal
como lo afirma Abdel Vásquez en su trabajo “Diseño de investigación del estudio de la
producción de agua apta para consumo humano utilizando un desalinizador solar en Sipacate,
Escuintla”; esta clase de desalinizador es económicamente más rentable con respecto a otros
métodos (Vásquez, 2017).
En este orden de ideas, la primera fase se enfoca en realizar una revisión bibliográfica a
nivel internacional y nacional acerca del tema de investigación, con el fin de sentar las bases para
seleccionar el método de destilación y los principales elementos que conformarán el prototipo,
garantizando que este cumpla con el principal objetivo del proyecto.
6.1.1. Revisión de Literatura
La desalación mediante la destilación ha sido el segundo método empleado para generar
agua potable, remontándose al siglo XVI, siendo el primero la evaporación (Álvarez &
47
Benavides, 2013). A partir de este instante se han seguido desarrollando innovadores métodos
para desalinizar el agua de mar; no obstante, la destilación solar sigue siendo una opción
recurrente debido a determinadas ventajas que la caracterizan tales como la facilidad en la
adquisición de los materiales que la componen, practicidad en la construcción, no es compleja de
operar y manipular, el mantenimiento que requiere es sencillo, entre otras; por lo tanto, lo
anterior se resume en que es uno de los métodos más rentables de implementar así como
económicos de producir y de maniobrar. (Hermosillo, 1989).
El destilador solar mediante el aprovechamiento de la energía solar, realiza ciclos
naturales y constantes de evaporación y condensación que ocasionan la purificación del agua,
eliminando todo tipo de contaminantes que evitan que sea potable (Lucio, 2015).
Adicionalmente, se puede construir de diversas formas y con diferentes materiales, permitiendo
que se destine a diferentes usos; también puede ser fijo o portátil, así como instalarse
permanentemente o de forma transitoria (Morales, 2015). Es por esto, que con el paso de los
siglos se han propuesto diferentes tipos de destiladores solares, los cuales se diferencian entre en
sí por el diseño, construcción y eficiencia.
El incremento de la escasez de agua potable en el mundo ha generado que se ejecuten
múltiples investigaciones y proyectos de destiladores solares, con el objetivo de suplir la
necesidad del recurso hídrico para las poblaciones en cuestión. El proyecto más importante a
nivel internacional data de 1872, en donde se construyó la primera planta de desalación solar en
Las Salinas a 112 km de Antofagasta, Chile (López, Henríquez, Hernandéz, & Menjívar, 2013).
Dicha planta era un instrumento destinado a convertir el agua salada en agua potable, usando
para ello dos elementos que se encontraban en abundancia en el desierto de Atacama: el calor
solar y la fuerza del viento (Becerra, 2017). Así mismo, se destaca en Marruecos la actual
48
construcción de la planta más grande del mundo impulsada por energía solar (Semana
Sostenible, 2017).
En relación a los proyectos a nivel Nacional, sobresalen especialmente dos: el primero se
desarrolla en la comunidad indígena wayuú Kamusuchiwou, en la Alta Guajira (Colombia), y se
basa en una planta que incluye un sistema hidráulico para extraer el agua de mar mediante
energía solar, adicional a esto, la potabilización se realiza a través de un proceso de destilación
solar que está articulado a un sistema de refrigeración para producir hielo y conservar alimentos.
Este proyecto es llevado a cabo por el Instituto de Estudios Políticos y Relaciones
Internacionales, IEPRI, de la Universidad Nacional de Colombia y Solaris S.A.S.
(COLCIENCIAS, 2014). El segundo proyecto, consiste en la construcción de un prototipo de
desalinizador solar con materiales reciclables desarrollado por estudiantes de la Universidad
Nacional, el cual, genera medio litro de agua potable en una hora para la comunidad de Cerro
Malibú del barrio Villa Fátima, en Riohacha (Betín, 2017).
Es importante mencionar que este tema ha sido abordado por diversas universidades de
todos los continentes en la realización de múltiples tesis de pregrados, postgrados y doctorados,
debido al interés creciente por darle solución a la problemática relaciona con la escasez del
recurso hídrico. Las instituciones académicas por medio de los grupos y semilleros de
investigación, han desarrollo diversos proyectos y artículos enfocados en la desalinización de
agua.
De acuerdo a lo anterior, en la siguiente tabla se presenta una breve descripción de cada
tipo de destilador solar, en donde se mencionan las principales características y elementos
diferenciadores que los conforman.
49
Tabla 6
Tipos de destiladores solares.
Destilador solar Descripción Característica Diseño
Destilador solar de
una vertiente
Es una caja cubierta por un cristal en posición
inclinada, la cual, está dividida en dos
compartimientos: el primero con fondo de color
negro donde se ubica el agua a evaporar,
ocupando la mayor parte de la caja y el
segundo recoge el agua destilada, localizándose
en el lado de menor altura.
La estructura es la más
sencilla de construir y se
enfoca en reducir la
conducción de energía a
través del fondo y de las
paredes laterales del
recipiente.
Fuente: (Sitio Solar, 2013)
Destilador solar de
dos vertientes
Se conforma por un tejado de dos vertientes.
Las gotas de agua condensadas en el panel
deslizan y llegan a un depósito ubicado por
debajo de la bandeja donde se dispone el agua
para destilar.
Diseño más conocido y
empleado.
Fuente: (Sitio Solar, 2013)
Destilador solar de
tipo invernadero
La estructura es de invernadero. Al interior de
este, se encuentra un estanque de agua de poca
profundidad y con el fondo de color negro. El
agua se condensa en las paredes del
invernadero y se desliza hasta las canaletas
ubicadas en la base.
Diseño de gran tamaño.
Fuente: (Chávez & Ventura,
2011)
50
Destilador solar Descripción Característica Diseño
Destilador solar de
cascada
Está conformado por escalones, ubicados en
diferentes niveles de la base y llenos de agua
para destilar. El agua condensa en una
superficie transparente instalada de forma
inclinada sobre los escalones y se desliza hacia
el las canaletas ubicadas en la parte baja del
destilador.
Diseño que permite una
mejor acumulación de
energía térmica.
Fuente: (Chávez & Ventura,
2011)
Destilador solar
esférico de
barredera
Se basa en una esfera de material transparente y
de una barredera que se desliza en su cara
interna, accionada por un pequeño motor. En
una bandeja ubicada en la parte central de la
esfera se coloca el agua a destilar.
Diseño más complejo de
construir y el más eficiente.
Fuente: (Chávez & Ventura,
2011)
Destilador solar
Multi-efecto
Consiste en tener varias bandejas a diferentes
temperaturas, para así transferir el flujo de
calor de la bandeja más caliente en donde se
produce el efecto de evaporación deseado a la
más fría.
Aprovecha el calor
trasferido por el vapor de
agua al condensarse, debido
a que la primera bandeja no
transfiere su calor al
ambiente, sino a la segunda
bandeja y así
sucesivamente, obteniendo
un incremento en la
eficiencia.
Fuente: (Hermosillo, 1989)
51
Destilador solar Descripción Característica Diseño
Destilador solar
con evaporador de
tela
Consiste en una tela de color negro, la cual, se
mantiene humedecida del agua a destilar
mediante un depósito que puede ser ubicado en
la parte superior o inferior. La evaporación se
realiza por la acción de la radiación solar y con
la ayuda de una cubierta de vidrio se condensa.
La tela funciona como
colector solar.
Fuente: (Hermosillo, 1989)
Nota: *Autores del proyecto, adaptado de (Luque & Romero, 2017).
52
6.1.2. Selección de elementos
Teniendo en cuenta la información recabada, el prototipo a construir es un destilador
solar de cascada o tipo escalera. Fue desarrollado con el objetivo de superar la productividad y
eficiencia térmica del destilador solar de una o dos vertientes. Debido al diseño de su estructura,
el área de captación de la energía solar es mayor y su posición inclinada permite que se lleve a
cabo más fácilmente la convección del aire húmedo en su interior, que fluye por la parte de
arriba al ser calentado por el colector y desciende al enfriarse, ocasionando que el flujo del aire
sea más espontaneo; por esto, es más sencillo la transferencia del vapor de agua desde el
evaporador hasta el condensador. Adicionalmente, se puede construir de manera que contenga
menos aire en su interior, y así, emplear menos energía del sol para mover el aire internamente
(Hermosillo, 1989).
Hay que mencionar, además que el prototipo poseerá dos vertientes, esto con el objetivo
de tener dos entradas de radiación solar, las cuales permiten un mayor aprovechamiento de los
rayos solares; así mismo, se innova en el diseño original, dado que no se ha ejecutado en la
realidad un modelo de similares características.
Producto del estudio anterior, en la siguiente tabla se enlistan los principales elementos
que conformarán el prototipo.
Tabla 7
Elementos del destilador solar de cascada
Elemento Descripción
Colector Solar Recipiente en donde se almacena el agua de
mar. Se caracteriza por estar hecho de un
material con buena absorción térmica, así
mismo que se capaz de evitar la corrosión y el
óxido, soportar las altas temperaturas y no
53
Elemento Descripción
permitir el paso de partículas externar al
interior del sistema. Si es necesario, en la base
debe haber un aislante térmico para evitar las
pérdidas de calor.
Evaporador La radiación solar al influir en la superficie
del agua, permite alcanzar la temperatura para
iniciar el proceso de evaporación,
aumentando la presión de vapor de agua.
Cámara de aire Se encarga de transferir el agua al aire para
transformarlo en vapor saturado, es decir, el
rango de vaporización del agua es igual al
rango de condensación. Se ubica entre el
evaporador y el condensador.
Condensador Es la cubierta del destilador. Debe ser de un
material transparente, para así, permitir el
paso de los rayos solares, pero sin adquirir
altas temperaturas. Se ubica a una distancia
adecuada del evaporador para garantizar la
generación de vapor en la cámara de aire. El
área debe ser igual al del evaporador y su
inclinación debe ser la más óptima para que el
agua condensada se deslice por los costados
del condensador hasta llegar al depósito
donde se va a almacenar.
Recolección del condensado Se utilizan conductos ubicados en la parte
inferior del condensador, los cuáles se
encargan de proteger el agua destilada y de
llevarlo al depósito donde será almacenado.
Nota: *Autores del proyecto, adaptado de (Lucio, 2015).
6.2.Diseño del prototipo.
Esta segunda fase consiste en evaluar las condiciones geográficas de la zona costera
elegida, para proceder con la selección del sistema de captación solar que mejor se adapte a las
54
características de la región analizada. Así mismo, se realiza el modelado del prototipo mediante
la aplicación de un software de diseño, dando un total cumplimiento a esta fase.
6.2.1. Evaluación de las condiciones geográficas
El presente estudio está enfocado en ofrecer una alternativa para suministrar agua potable
a las zonas costeras de Colombia; reconociendo que aunque el Estado y diferentes empresas
privadas tanto nacionales como internacionales han realizado diversas inversiones de gran valor
para la construcción de pozos, reservorios, molinos e incluso proyectos de desalinización
aplicando tecnología de punta, con el objetivo de suministrar agua potable a todas las
comunidades; las problemáticas persisten, tal como es el caso de la Guajira, donde la población
indígena es la más afectada por la falta de agua potable, la cual no llega aún a muchas rancherías
(Guerrero, 2018).
En este contexto, se selecciona el municipio de Uribia, denominado la capital Wayúu,
como punto focal para el presente estudio, en la medida en que posee las mejores condiciones
geográficas. Dicho municipio se caracteriza por poseer la mayor extensión territorial de todo el
departamento de la Guajira, por lo tanto, las rancherías se ubican lejanas las unas de las otras;
ocasionando una mayor dificultad en la distribución equitativa del agua potable (Rodríguez,
2018); a su vez, es una población vulnerable, tal como se establece en el boletín macro sectorial
No. 18 del año 2018, presentado por la contraloría general de la república, teniendo como base
de análisis el índice de pobreza multidimensional (IPM).
Este índice mide los hogares con privaciones en cinco dimensiones básicas de bienestar,
distintas a la carencia de ingresos (Departamento Nacional de Planeación, 2017); es decir, se
tienen en cuenta los servicios que pueden llegar a garantizarle a la población una vida de calidad,
siendo la disponibilidad de agua potable un factor importante. Con base en esto, el índice de
55
pobreza multidimensional total que posee Uribia es del 97,63% siendo el más alto en
comparación a los otros municipios del departamento; así mismo, el IPM Urbano es del 57,50%
y el IPM Rural es del 99,43% (Contraloría General de la República, 2018).
En la siguiente tabla se presenta la información relacionada con las condiciones
geográficas de Uribia, obtenidas de la NASA y el Atlas Interactivo del IDEAM, en un periodo de
tiempo de cinco años. El propósito es poder identificar el valor de las variables que influyen
directa e indirectamente en la toma de decisiones para la ejecución de los apartados siguientes
del proyecto. Dentro de las principales variables consideradas, se destacan laradiación solar,
precipitaciones, presión atmosférica, temperatura, entre otras.
Tabla 8
Condiciones geográficas de Uribia
Parámetro Descripción Valor
máximo
Valor
mínimo
Comportamiento
Índice de
claridad de
insolación
Cantidad de
energía en forma
de radiación que
llega a un lugar
específico de la
Tierra en un día
concreto.
0,69 (sin
dimensiones).
Se presento 5
días.
0,13 (sin
dimensiones).
Se presento 1
día.
Este índice, se encuentra
generalmente en un
rango de 0,5 – 0,7 (sin
dimensiones). Así
mismo, es constante que
entre los meses de junio
y julio se presenten los
valores más altos y entre
octubre y noviembre se
visualizan
ocasionalmente los
valores más bajos. El
valor de 0,63 se
presentó durante 131
días.
Precipitación Caída de agua
desde la
atmósfera hacia
171 mm día-
1. Se
presento 1
día.
0 mm día-1.
Se presento
983 días.
El mes de octubre del
2016 fue donde se
presentó la mayor
precipitación en los
56
Parámetro Descripción Valor
máximo
Valor
mínimo
Comportamiento
la superficie
terrestre.
últimos cinco años;
además, constantemente
se presentan niveles
bajos, evidenciando en
el año 2019, un valor no
superior de 0,4 mm día-
1.
Humedad
específica a 2 m
Cantidad de
vapor de agua
contenido en el
aire.
0,0207 kg kg-
1. Se
presento 2
días.
0,0137 kg kg-
1. Se
presento 2
días.
Los meses de octubre y
noviembre presentan en
promedio los valores
más altos en los cinco
años analizados, seguido
de esos meses los
números tienden a la
bajar hasta el mes de
marzo, donde
nuevamente comienzan
a subir. La humedad
específica a 2m de
0,0179 se ha presentado
108 días.
Temperatura a
2 m
Mide la cantidad
de calor del
ambiente.
30,5 °C. Se
presento 2
días.
25 °C. Se
presento 3
días.
La temperatura en
Uribia en los últimos 5
años, se encuentra en un
rango de 27 °C a 29 °C,
siendo 28,6 °C el que se
presenta mayor número
de días (89). Por otra
parte, en el mes de
septiembre se visualiza
las temperaturas más
altas y en enero las más
bajas.
Temperatura
máxima a 2 m
Mide la cantidad
de calor del
ambiente.
36,5 °C. Se
presento 1
día.
26,9 °C. Se
presento 1
día.
Aproximadamente, en
126 días la temperatura
máxima fue de 31,1 °C.
Así mismo, se evidencia
una disminución en el
mes de diciembre,
seguidamente empieza a
subir la temperatura
57
Parámetro Descripción Valor
máximo
Valor
mínimo
Comportamiento
hasta llegar al mes de
mayo en donde se
mantiene constante
hasta septiembre.
Ocasionalmente se
presentan alzas
significativas.
Temperatura
mínima a 2m
Mide la cantidad
de calor del
ambiente.
27,8 °C. Se
presento 3
días.
22,2 °C. Se
presento 3
días.
Se evidencia
notoriamente que a
partir del mes de enero
la temperatura aún
mantiene niveles bajos
de temperatura, sin
embargo, comienza a
subir progresivamente.
También, 173 días se
caracterizan por estar a
26,6 °C.
Brillo Solar Tiempo total de
incidencia de luz
solar directa
sobre alguna
localidad, entre
el amanecer y el
atardecer.
9 horas 6 horas Se visualizo que la luz
solar directa incide en
promedio 9 horas al día
como máximo y 6 horas
al día como mínimo, así
mismo, la Guajira y el
Cesar, son los únicos
departamentos que se
ven expuestos más de 6
horas al día.
Días sin brillo
solar
Tiempo en el
que no hay
incidencia de luz
solar directa
sobre una
localidad, entre
el amanecer y el
atardecer.
0,8 días/mes 0,4 días/mes Se observa que para
Uribia los días al mes
sin brillo solar está en
un rango de 0,4 a 0,8
días, teniendo en cuenta
que las horas del brillo
solar estuvieron en
promedio en un rango
de 0,0 a 0,5 hSd, entre
todos los departamentos
del país.
Nota: *Autores del proyecto, adaptado de (IDEAM, 2014) y (NASA, 2018).
58
El último parámetro a tratar es la Irradiación Global Horizontal, la cual es la rapidez con
la que incide la radiación solar una superficie por unidad de área (Falcón, Peña, & Mavo, 2001).
Como se ilustra en la Figura 15, la irradiación solar multianual del departamento de la Guajira se
encuentra en promedio entre 5,0 – 5,5 KWh/m2/día; sin embargo, hay zonas en donde este valor
se incrementa, llegando a los 6 KWh/m2/día y también hay otras en donde decrece hasta los 4,5
KWh/m2/día. El municipio de Uribia se caracteriza por ser una de las regiones en donde la
irradiación es elevada, por lo tanto, reafirma cumplir con las principales características a tener en
cuenta para el desarrollo del proyecto, puesto que con temperaturas más altas se obtendrán
mejores resultados con respecto a la eficacia del sistema; adicionalmente, se pretende que esta
zona sirva como base para replicar el proyecto en otras regiones con similares condiciones
geográficas.
Figura 15
Nota: * Mapa de Irradiación Solar Multianual (IDEAM, 2014).
6.2.2. Determinación del sistema de captación
Los sistemas de captación solar permiten absorber la energía proveniente del sol,
convirtiéndola en calor (Energía Termosolar) mediante captación térmica o en electricidad
59
(Energía Fotovoltaica) mediante captación fotovoltaica (Rufes, 2010). La implementación del
colector solar permitirá alimentar las resistencias ubicadas en los cuatro evaporadores que tendrá
el prototipo; es por esto, que se opta por la utilización de un panel fotovoltaico, el cual, se
compone principalmente de los siguientes tres elementos:
1. Celdas fotovoltaicas, encargadas de captar la radiación solar y seguidamente
generar electricidad.
2. Reguladores de voltaje o controladores.
3. Baterías, las cuales permiten almacenar la energía solar fotovoltaica.
En este sentido, la eficiencia fotovoltaica del sistema de captación solar radica en la
selección de la celda, razón por la cual es importante realizar una adecuada elección de la misma.
Estas se fabrican a base de Silicio debido a que el material se encuentra abundantemente en la
tierra, adicionalmente, la contaminación que produce es poca, presenta una alta durabilidad en el
tiempo y cuenta con destacadas propiedades fisicoquímicas (Cepeda & Sierra, 2017). En la
siguiente tabla se presentan los tres tipos de células fotovoltaicas según el proceso de fabricación
con su respectiva eficiencia.
Tabla 9
Tipos de celdas fotovoltaicas
Célula Descripción Eficiencia Diseño
Mono-cristalinas Presenta alta pureza y una
estructura cristalina
perfecta.
14 – 17%
Fuente: (Energía Solar,
2018)
60
Célula Descripción Eficiencia Diseño
Poli-cristalinas El silicio se funde y se
vierte en un molde. A
medida que el material se
enfría, se cristaliza de una
manera imperfecta,
formando tonalidades de
colores diferentes en su
superficie.
11 – 14%
Fuente: (Energía Solar,
2018)
De película delgada
(Amorfas)
Las células de película
delgada pueden ser de
silicio, arseniuro de galio,
teluro de cadmio o de
cobre indio diselenido y
están protegidas por
medio de encapsulación
con vidrio frontal.
<10%
Fuente: (Energía Solar,
2018)
Nota: *Autores del proyecto, adaptado de (Cepeda & Sierra, 2017).
Con respecto a lo anterior, se selecciona el panel fotovoltaico monocristalino
principalmente porque es el que presenta el mayor rendimiento, a su vez, posee una vida útil más
larga con respecto a los otros, puede funcionar en condiciones de poca luz y la reducción del
rendimiento frente a temperaturas altas es menor (Cepeda & Sierra, 2017).
6.2.3. Diseño del prototipo
El último aspecto a tratar en la fase 2, consiste en el diseño del prototipo por medio de la
aplicación del software 3D MAX, debido a que permite la renderización del modelo en 3D y a
escala 1:1 (escala real); además, se simulan los materiales que se utilizarán para la construcción
de este. La Figura 16 y la Figura 17 permiten visualizar el diseño final del destilador solar
plasmando los elementos claves determinados en la primera fase.
61
Figura 16
Nota: * Prototipo del desalinizador solar, vista interna. Autores del proyecto.
Figura 17
Nota: * Prototipo del desalinizador solar, vista frontal y lateral externa. Autores del proyecto.
De acuerdo a las figuras anteriormente presentadas, se evidencia desde una vista frontal,
el diseño del prototipo del destilador solar a construir. Su estructura se compone de seis
escalones en total, de los cuales, los primeros cuatro servirán como colectores solares y los dos
últimos como recolectores del condensado con dimensiones de 10 cm de ancho por 55 cm de
62
largo; el condensador es dividido en dos láminas de 60*57 cm y se posiciona de manera que
cubra el sistema; seguidamente, se cierra completamente el prototipo posicionando dos láminas
de aluminio a los laterales y una bandeja de acero inoxidable en la parte inferior. Por último, se
incorpora un tubo de PVC en el lateral derecho, por donde saldrá el agua destilada.
6.3.Construcción del prototipo desalinizador de agua.
Una de las etapas decisivas del proyecto, es el momento de la construcción del prototipo
desalinizador. En esta fase, se determinan los materiales idóneos para la construcción del
sistema; así mimo, se realiza el proceso de selección y compra teniendo en cuenta que el material
cumpla con las características de resistencia al calor, oxidación y soporte las condiciones
climáticas a las que estará expuesto, a fin de que se mantenga un costo de elaboración y
mantenimiento bajo. El proceso de fabricación de las partes del prototipo se realiza en compañía
y seguimiento de un soldador especializado, que cuenta con las condiciones y el ambiente
propicio dentro de su empresa para realizar este tipo de fabricaciones bajo los estándares de
calidad y seguridad requeridos.
6.3.1. Estructura y colectores
Para determinar el material a utilizar en el almacenamiento del agua, se tiene en
consideración la composición del agua de mar, la cual por su alta concentración de sales acelera
el proceso de oxidación de los metales, más aún si este se encuentra sometido a altas
temperaturas; por lo tanto, para la elección del metal se tendrán presentes sus propiedades anti
corrosivas y de oxidación, así como su resistencia calórica. Bajo este parámetro se ponen a
estudio y análisis tres metales relacionados en la Tabla 10.
Tabla 10
Metales para estructura y almacenamiento
63
Metal Características Aplicación
Acero
inoxidable
AISI 316 L
Presenta Aleación austenítica de
cromo, níquel y molibdeno, debido a
esta adición, se incrementa la
resistencia a la corrosión y a
soluciones clorhídricas, adicional a
esto presenta muy buena resistencia
calórica en rangos intermitentes de
870°C a 930°C. El 316 L se distingue
por mejor soldabilidad que el 316.
Piezas que demandan alta
resistencia a la corrosión localizada
y a altas temperaturas; equipo de
las industrias química,
farmacéutica, textil, petrolera,
papel, celulosa, caucho, nylon y
tintas; cubas de fermentación;
piezas de válvulas; tanques;
agitadores y evaporadores,
condensadores; piezas expuestas al
ambiente marítimo.
Acero
inoxidable 304
Aleación austenítico más común.
Contiene entre 16 % y 24 % de cromo
y hasta 35 % de níquel, así como otras
pequeñas cantidades de carbono,
silicio y manganeso. El resto de la
composición química es
principalmente hierro. Las altas
cantidades de cromo y níquel dan al
acero inoxidable 304 buena resistencia
a la corrosión de la mayoría de los
ácidos oxidantes. Sin embargo, es
susceptible a la corrosión por las
soluciones de cloruro o por ambientes
salinos.
Electrodomésticos (refrigeradoras,
campanas, lavavajillas, etc.),
equipo comercial de procesamiento
de alimentos, tuberías,
intercambiadores de calor, entre
otros.
Aluminio Es maleable y dúctil, pero con poca
resistencia mecánica, buena resistencia
a la corrosión. La conductividad
térmica del aluminio es muy buena,
aproximadamente tres veces mayor
que la del acero. Sin embargo, el tipo
de soldadura que se requiere para el
aluminio necesita una frecuencia
mayor, lo que conllevaría con un costo
adicional en equipo especial de
soldadura. No presenta temperatura de
transición dúctil a frágil. Por ello la
tenacidad del material es mejor a bajas
temperaturas.
Transporte; como material
estructural en aviones, automóviles,
trenes de alta velocidad, metros,
tanques, superestructuras de buques
y bicicletas.
Embalaje de alimentos; papel de
aluminio, latas, tetrabriks, etc.
Carpintería metálica; puertas,
ventanas, cierres, armarios, etc.
Bienes de uso doméstico; utensilios
de cocina, herramientas, etc.
Transmisión eléctrica.
Recipientes criogénicos (hasta -
200 °C), ya que contrariamente al
acero.
64
Nota: *Autores del proyecto.
Se realiza un análisis comparativo en el que se establece como materia prima para el
prototipo al Acero Inoxidable 316 L por sus propiedades termo resistentes y anticorrosivas
proporcionadas por el molibdeno que le hacen ideal para las condiciones de exposición a la cual
va a estar sujeto. Cabe recalcar que el aluminio también es un elemento con gran resistencia
térmica, buena propiedad anticorrosiva y de excelente conductividad calórica; sin embargo, al
momento de compra de los materiales se logró evidenciar que, para el proceso de soldado del
aluminio, se requiere electrodos de argón que no son comunes en las pequeñas empresas o
industrias que realizan el proceso de fabricación de estructuras metálicas.
6.3.2. Sistema de soporte energético para las resistencias
Se realizó inicialmente la adquisición de cuatro resistencias compuestas de alambre
ferro-níquel con aislamiento interno por óxido magnético de 65 cm de largo en forma de U para
instalarlas en la parte externa de las bandejas colectoras y con una capacidad de voltaje de 110v
y 600w, logrando mantener elevada la temperatura interna del sistema aun cuando sea de noche
mediante la instalación de paneles solares que proporcionan la energía necesaria para mantener
el sistema en funcionamiento, logrando así, una evaporación más rápida en el día y la noche.
Para lograr el flujo constante de energía en el sistema se evaluaron los paneles solares
relacionados en la Tabla 11.
Tabla 11
Tipos de paneles para alimentar las 4 resistencias de 600W
TIPO DE PANEL CANTIDAD A
UTILIZAR
PRECIO
UNITARIO
PRECIO
TOTAL
Solar Monocristalino 330W -24V 8 $ 891.000 $ 7.128.000
65
TIPO DE PANEL CANTIDAD A
UTILIZAR
PRECIO
UNITARIO
PRECIO
TOTAL
Solar Monocristalino 275W -24V 9 $ 471.360 $ 4.242.240
Solar Monocristalino 150W - 12V 16 $ 339.000 $ 5.424.000
Nota: *Autores del proyecto.
Como se muestra en la anterior tabla, la mejor opción a utilizar seria el panel
monocristalino a 275W y 24V; sin embargo, las condiciones de radiación reportadas en el
departamento de la Guajira la cual se encuentra en promedio entre 6 KWh/m2/día, y en
especial para la zona de Uribía que se caracteriza por ser una de las regiones en donde la
irradiación es elevada, manejando temperaturas durante el año entre 31,1C° a 36C° (IDEAM,
2014), se reafirma así, el argumento de no utilizar las resistencias en el sistema por el alto
consumo energético que podría ser utilizado por otros servicios necesarios para la habitabilidad
de las poblaciones (NASA, 2018).
6.3.3. Condensador
Para la cubierta del destilador solar se utiliza un vidrio templado de 4mm de espesor, por
sus propiedades físicas de resistencia al impacto, compresión, torsión, y resistencia a altas
temperaturas; el sistema no solo estará sometido a las radiaciones de la alta Guajira, también
deberá soportar el calor latente de vaporación del agua; valor que logrará oscilar entre los
110,8°C de temperatura de saturación del vapor a los 532,1 Kcal/Kg de calor latente de
vaporización (Universidad Tecnologica Nacional, 2016). Bajo este parámetro se ponen a estudio
y análisis tres materiales para la cubierta del destilador o condensador en la Tabla 11.
Tabla 12
Materiales para la cobertura del condensador
66
Nota: *Autores del proyecto.
6.3.4. Proceso de construcción
El proceso de elaboración del desalinizador, estuvo guiado mediante la implementación
del diagrama de proceso de operaciones en el que se definieron las acciones, los tiempos, las
Material Características
Vidrio Templado
La elaboración del vidrio templado se hace mediante el
proceso de calentamiento a una temperatura de al
menos 650° C. Posteriormente, se enfría de manera
brusca con aire frío a presión; Gracias a esto el vidrio
se vuelve de 4 a 5 veces más resistente que el vidrio
común. Tienen un espesor entre los 4 mm a 19 mm. El
vidrio templado se considera de seguridad tanto por su
resistencia como por su rotura: su fragmentación en
aristas redondeadas no causa heridas o laceraciones en
el entorno. Este vidrio no se derrite o se quiebra aun si
la llama se aplica directamente o la temperatura
cambia súbitamente. El templado suele ser muy
translúcido y carece de protección solar.
Vidrio Laminado El vidrio laminado es una fusión de dos vidrios. Éstos
se unen mediante una capa plástica flexible de
polivinyl butiral. Este vidrio es más resistente contra
impactos y a la fuerza del viento. Es considerado de
seguridad, ya que el vidrio se fragmenta en una sola
pieza, impidiendo traspasar cualquier tipo de objetos.
Por otra parte, no es resistente al fuego o a los choques
térmicos. Sin embargo, para hacer una pieza más
resistente, es posible templar el vidrio antes de
laminarlo para unificar sus propiedades, las láminas de
PVB hacen que este también ofrezca gran protección
frente a los rayos UV, absorbiendo el 99,5 % de ellos.
Polimetilmetacrilato Es un termoplástico transparente llamado vidrio
acrílico, es un polímero sintético, Transparencia de
alrededor del 93%. El más transparente de los
plásticos. Alta resistencia al impacto, de unas diez a
veinte veces la del vidrio
67
entradas y salidas de material, residuos, herramientas y producto terminado de cada actividad a
ejecutar. El programa VISIO es el instrumento que se utilizó para el desarrollo del diagrama.
En la construcción de la estructura se debió tener presente la realización de dos procesos
antecesores que corresponden al corte del vidrio templado, y la elaboración de las canaletas
colectoras de agua, que ingresaron en la medida en que avanzó el montaje del sistema.
Teniendo en cuenta la información suministrada por el siguiente diagrama, se calculó el
tiempo total utilizado para la construcción del destilador solar, el cual, es de 35 horas con 8
minutos, aproximadamente; a su vez, se tiene un total de 20 operaciones y únicamente 2
inspecciones.
68
Diagrama 1
Proceso de construcción del desalinizador solar
O=1
O=2
Trazar el diseño
en el material
O=3
Cortar del material
O=4
Soldar las piezas
O=5
Armado de la
estructura
Estructura Metálica
Inspección a la
estructuraI=1
Pulir las uniones de
la estructura
O=12Colocación de
colectores
Colectores / Recolectores
O=6Trazar el diseño
en el material
O=8
O=9
O=10
O=7Cortar del material
según medida
Se suelda los
dobleces
Doblar el material
Vidrio Condensador
Acero inoxidable AISI 316 L
Residuo del material
Acero inoxidable AISI 316 L,
pulidora y disco de corte
Electrodo revestido
20 min
120 min
Humo
90 min
Herramientas
180 min
Soldador
Lija
10 min
150 min
Virutas del material
Máquina dobladora
Acero inoxidable AISI 316 L
20 min
Acero inoxidable AISI
316 L, cortadora
90 min
Residuo del material
180 min
120 min
Electrodo revestido
Humo
Perforar los
recolectores
Perforadora
O=11
Virutas de material
Soldar el niple en la
perforación
Electrodo revestido, niple
30 min
90 min
Humo
Herramientas
15 min
O=14480 min
Vidrio 4 mm, cortadora
Cortar del material
según medida
Residuo del
material
2 1
Proceso de Construcción del Desalinizador
69
O=13Medir los ángulos
de soporte del vidrio
Soldar ángulos a la
estructura
Corte de Tubería
O=16
O=17
O=18 Unir las tuberías
Metro, estructura
20 min
O=15Soldar la láminas de
vidrio en la estructura
Láminas de vidrio, electrodo revestido
120 min
Humo
90 min
Electrodo revestido
HumoTubos de PVC
Inspeccionar todo el
sistema
20 min
10 min
Teflón para uniones
I=2
Virutas
240 min
Estudiantes,especialista
21
O=19
Boquilla del filtro remineralizador
Ensamble de tuberías a
la boquilla del filtro
O=20
Recipiente
Conectar la tubería
con el recipiente
8 min
5 min
Nota: *Autores del proyecto.
70
6.4.Verificación.
La cuarta y última fase se ejecuta con el propósito de comprobar y demostrar la eficacia
del desalinizador solar, mediante la realización de pruebas de laboratorio para verificar la
composición físico-química y microbiológica del agua procesada por el sistema y así, determinar
la calidad resultante de todo el proceso de destilación.
En la siguiente tabla, se presentan los resultados obtenidos de las pruebas anteriormente
mencionadas, pertenecientes al agua de mar y al agua destilada, permitiendo un comparativo
entre estos valores y los establecidos por la resolución 2115 del 2007 del ministerio de ambiente,
vivienda y desarrollo territorial (Ambiente & Territorial, 2007).
Tabla 13
Análisis del agua
PARÁMETRO
AGUA
DE MAR
AGUA
DESTILADA
AGUA SEGÚN
LA NORMA UNIDADES
PRUEBAS FÍSICO -
QUÍMICAS
Temperatura 25 25 3,7 - 15 ºC
pH 6,1 7,11 6,5 - 9,0 Unid de pH
Conductividad 56600 390 10 µS/m
Salinidad 2,85 0,08 0,05 %
TDS 2 32020 185 500 mg/L
Color 301 71 15 PtCo
Turbiedad 8 2,97 2 NTU
Nitritos 0,15 0,014 0,1 mg NO2--N/L
Nitratos 35 3,5 10 mg NO3--N/L
Fósforo Reactivo 8,13 8,13 ≤ 0,5 mg PO4/L
Sulfatos 80 10 250 mgSO4/L
Hierro 0,58 0,11 0,3 mgFe/L
Aluminio 0,375 0,47 0,2 mgAl/L
PRUEBAS
MICROBIOLÓGICAS
Coliformes Totales 0 7 0 UFC/100 mL
2 TDS: Sólidos Totales Disueltos
Nota: * Autores del proyecto
71
Los anteriores resultados obtenidos de las pruebas físico-químicas y microbiológicas,
permiten evidenciar cambios significativos en nueve parámetros, con respecto al agua de mar en
relación al agua destilada; sin embargo, esto no indica de forma directa, que el producto
resultante sea apto para el consumo humano, debido que al comparar los valores con los
estipulados por la norma únicamente seis de los catorce parámetros están dentro de los límites
permitidos.
Por esto, se calcula el Índice de Riesgo de la Calidad del Agua (IRCA) para el consumo
humano, el cual hace referencia al grado de riesgo de ocurrencia de enfermedades relacionadas
con el no cumplimiento de las características físicas, químicas y microbiológicas del agua para
consumo humano (Ministerio de Salud y Proteccion Social -MINSALUD-, 2016). Para encontrar
el valor del IRCA, se asigna el puntaje de riesgo previamente establecido en la resolución, a cada
característica física, química y microbiológica que no dé cumplimiento a los valores aceptables,
para proceder con la aplicación de la fórmula.
IRCA por muestra
𝐼𝑅𝐶𝐴 (%)
=∑ 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑖𝑒𝑠𝑔𝑜 𝑎𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟í𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑛𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑝𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠
∑ 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑖𝑒𝑠𝑔𝑜 𝑎𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟í𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎𝑠𝑥100
Los parámetros tenidos en cuenta para realizar el análisis son turbiedad, pH, Fósforo
reactivo, Sulfatos, Nitratos, Nitritos, Aluminio, Color, Hierro y Coliformes totales, debido a que
son los analizados y que tienen un puntaje de riesgo estipulado.
𝐼𝑅𝐶𝐴 (%) =∑ 15 + 1 + 3 + 15 + 6
∑ 6 + 15 + 1 + 3 + 15 + 1,5 + 1 + 1 + 3 + 1,5𝑥100
72
𝐼𝑅𝐶𝐴 (%) =40
48𝑥100 = 83%
Según el IRCA, el agua destilada del desalinizador solar es inviable sanitariamente (80,1 –
100%). La principal razón que ocasionó la obtención de un resultado deficiente radica en que el
sistema no recibió una desinfección antes de empezar a funcionar, debido a que había sido
manipulado por diferentes personas y expuesto a diferentes ambientes durante su construcción;
no obstante, se propone efectuar un tratamiento por cloración, el cual elimina los diversos
componentes que permanezcan en el H2O, dejándola desinfectada, limpia y potable.
Por otra parte, se encuentra la eficiencia teórica del destilador solar mediante el uso de los valores
proporcionados por el balance de energía.
6.4.1. Balance de Energía
En la siguiente tabla se presentan los parámetros de diseño para la construcción del desalinizador
solar, que permitirán realizar el estudio de balance de energía.
Tabla 14
Parámetros de Diseño
Parámetro Unidad Valor
1 Latitud ° 11,7139
2 Longitud ° -72,2658
3 Declinación
solar
° 23,45
4 Constante
solar
W/m2 1367
5 Albedo
medio del
Planeta tierra
% 30
73
Parámetro Unidad Valor
6 Volumen del
agua
l 4
7 Temperatura
ambiente
K 300,956
8 Temperatura
media del
agua
K 323
9 Temperatura
del vidrio
K 308,5
10 Temperatura
de la
superficie
colectora
K 300,956
11 Velocidad del
viento
m/s 6,2733
12 Ángulo de
inclinación de
la cubierta del
vidrio
° 45
13 Espesor del
vidrio
mm 3
14 Espesor del
acero
inoxidable
mm 1,214
15 Coeficiente
de
conductividad
térmica del
acero
inoxidable
W/(m*K) 14,9
16 Constante de
Stefan
Boltzman
W/(m2*K4) 5,6697E-08
74
Parámetro Unidad Valor
17 Humedad
relativa
% 74,0744
18 Emisividad
del agua
0,91
19 Emisividad
acero
inoxidable
0,17
20 Emisividad
del vidrio
0,95
21 Densidad del
aire
kg/m3 1,2
22 Densidad del
vidrio
kg/m3 2500
23 Densidad del
agua
kg/m3 1022
24 Calor
especifico del
vidrio
J/(kg*K) 800
25 Calor
especifico del
agua
J/(kg*K) 4220
26 Calor latente
de
vaporización
kJ/kg 2257
27 Calor
especifico del
aire
kJ/(kg*K) 1,005
28 Presión total kPa 85,3
29 Presión de
vapor del
agua a la
temperatura
del vidrio
Pa 12350
30 Presión de
vapor del
agua a la
temperatura
del agua
Pa 19941
75
Parámetro Unidad Valor
31 Irradiancia
directa sobre
una superficie
inclinada
W/m2 1331
32 Factor de
reflexión de
la radiación
0,572
33 Coeficiente
de absorción
del acero
inoxidable
(absortividad
solar de
superficies)
0,33
34 Área de
captación de
la energía
solar
m2 68,4
35 Masa del
vidrio
kg 171
36 Masa de agua
en el colector
kg 5
37 Área de la
bandeja
m2 0,22
38 Calor latente
de
evaporación
del agua
kJ/kg 2500
39 Constante del
aire
J/(kg*K) 286,9
40 Volumen
específico del
agua
m3/kg 1,003
Nota: * Autores del proyecto
De acuerdo a los anteriores parámetros se obtienen los valores para determinar el balance
de masa del prototipo los cuales se muestran a continuación:
76
Tabla 15
Cálculos
Cálculos Resultado
qc: Calor perdido por
conducción (W/m2)
172,582531
hct: coeficiente de calor
convectivo
21,620
Req: Resistencia
equivalente de los
materiales
0,081
kb: Resistencia térmica
equivalente del aislante
7,829
qrv: Calor perdido por
radiación del vidrio
(W/m2)
111,704
Tdp: Temperatura de
rocío. (K)
285,826
Ts: Temperatura del
cielo (K)
289,084
qcv: Calor perdido por
convección del vidrio
(W/m2)
163,101
hcv: Coeficiente de
transferencia de calor
convectivo del vidrio
(W/m2*K)
21,62
qrw: Calor perdido por
radiación del agua
(W/m2)
89,944
qcw: Calor perdido por
convección natural del
agua (W/m2)
54,183
hr: Coeficiente de
radiación efectiva
1,214
77
Cálculos Resultado
hc: Coeficiente de
transferencia de calor
por convección natural
2,826
ht: coeficiente total de
calor por convección del
agua
3,737
qe: Calor perdido por
evaporación
0,322
he: Coeficiente de
transferencia de calor
evaporativo
0,049
q'c: Calor almacenado
por la cubierta (W/m2)
81,126
q'a: Calor almacenado
en el interior (W/m2)
64,646
qt: calor almacenado
por unidad de área
145,771
QT: Calor absorbido
por el sistema (W)
128,28
Qv: Cantidad de calor
necesario para calentar
el vidrio (W)
286,672
Qca: Cantidad de calor
necesario para calentar
el agua (W)
16,466
Qev: Cantidad de calor
necesaria para evaporar
x porcentaje de agua
(W)
154,321
QN: Calor total
necesario (W)
457,459
Q: Energía total
almacenada por el
sistema
585,737
Nota: * Autores del proyecto
La eficiencia del destilador depende de la intensidad de la energía solar que se refleja
directamente en el prototipo, esto se puede determinar en la cantidad de agua destilada ya que es la
78
misma cantidad de energía utilizada para realizar la vaporización. La eficiencia teórica del equipo es
del 50,01 %.
6.5.Evaluación financiera
La evaluación financiera se realizó mediante el cálculo de los flujos de caja que presenta
el proyecto desde el momento de la inversión hasta un lapso de diez años; de igual manera, las
investigaciones que involucran la utilización de energías renovables pueden obtener beneficios
tributarios, por tanto, estos también fueron considerados dentro del estudio. Posteriormente, se
calcula el Valor Presente Neto (VPN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR) con el objetivo de
determinar la viabilidad financiera del proyecto.
6.5.1. Costos
Inicialmente, se realiza el costeo relacionados directamente con el proceso de
construcción del prototipo, en donde se considera la mano de obra, los materiales / materia prima
y los elementos necesarios para el mantenimiento de este durante el primer año; así mismo, se
contemplan los posibles ahorros monetarios derivados de la implementación del prototipo, en los
que incurre el Estado o aquella entidad encargada actualmente de suministrar el agua potable a
las regiones que presentan escasez.
En la siguiente tabla, se evidencian los costos relacionados con la construcción del
prototipo, logrando determinar el costo total estimado, el cual es de $889.000 pesos colombianos
y así mismo, teniendo en cuenta que en el año de adquisición del desalinizador solar se brindan
los elementos necesarios para su mantenimiento, el costo se incrementa en $113.000 pesos
colombianos, dando como costo final $1.002.000 pesos colombianos.
79
Tabla 16
Costos del desalinizador solar
DESCRIPCIÓN CANTIDAD UNIDAD COSTO
UNITARIO
COSTO TOTAL
Costo de Mano de Obra
Ornamentador 24 Hora $ 10.000 $ 240.000
Total $ 240.000
Costo de Materiales
Vidrio templado 2 60 x 57 cm $ 40.000 $ 80.000
Lámina de acero
inoxidable
1 1,20 x 1 m $ 380.000 $ 380.000
Lámina de aluminio 1 1 x 1m $ 50.000 $ 50.000
Tubo 1 6 m; 3/4 20” $ 80.000 $ 80.000
Electrodo Revestido 15 Unidad $ 2.000 $ 30.000
Empaque 2 Metro $ 4.500 $ 9.000
Tubo PVC 2 Metro $ 2.500 $ 5.000
Silicona 1 Unidad $ 15.000 $ 15.000
Total $ 649.000
Costo Total Estimado $ 889.000
Costo de Mantenimiento
Desinfectante 3 Litro $ 20.000 $ 60.000
Filtro Remineralizador 1 Unidad $ 53.000 $ 53.000
Total $ 113.000
Costo Total Estimado con mantenimiento $ 1.002.000
Nota: * Autores del Proyecto
En la tabla N° 17 se presentan los datos tenidos en cuenta para estimar el ahorro generado
por la implementación del prototipo. Para esta situación específica, se calcula el costo de
trasladar el recurso hídrico mediante carro tanques, hasta las regiones de la Guajira con mayor
escasez, adoptado por las diferentes entidades encargadas de realizar esta acción, por lo tanto, se
considera la mano de obra, el consumo de combustible y la adquisición del agua.
Los datos representan una estimación debido a que es muy poca la información
encontrada acerca del valor del m3 de agua, específicamente en Uribia y el costo del combustible
80
para la Guajira. Así mismo, según el artículo denominado “Diagnóstico socioambiental del
bosque seco subtropical de la cuenca del río ranchería, la guajira, Colombia”; estas zonas se
abastecen de agua mediante carro tanques en los meses de verano (10 meses), mientras que en la
temporada invernal (2 meses) lo hacen por medio de las precipitaciones, es por esto, que los
costos se calcularon únicamente para el primer periodo de tiempo mencionado (Arteta & Lazaro,
2016). A su vez, la cantidad de agua considerada anualmente se relaciona de forma directa con la
producción de agua destilada al día (0,005 m3), es decir, el costo total mensual de H2O
únicamente involucra el transporte de 0,005 m3.
Tabla 17
Costo de suministrar agua a zonas con escasez
Descripción Cantidad Unidad Costo Unitario/Mensual Costo Total/Mensual
Personal 2 Unidad $ 1.000.000 $ 2.000.000
Combustible 4 gal $ 9.263 $ 37.052
Agua 94,05 m3 $ 2.912 $ 273.874
TOTAL $ 2.310.926
TOTAL AÑO $ 23.109.256
Nota: * Autores del Proyecto
6.5.2. Flujos de Caja
En el flujo de caja se representan los ingresos y egresos que se tendrán durante un lapso
de tiempo específico en un proyecto determinado, es decir, se establece el estado de liquidez de
este (Cardona, 2017). Con base en esto y teniendo en cuenta la información anteriormente
evidenciada se construyen los flujos de caja correspondientes al proyecto. No obstante, gracias a
que se emplea la energía solar, según la ley 1715 del 2014 (Guía práctica para la aplicación de
incentivos tributarios) se pueden acceder a dos beneficios tributarios: Deducción especial del
impuesto sobre la renta (50%) y depreciación acelerada (20%), es así que, se desarrolla
81
inicialmente el flujo de caja sin beneficios y posteriormente el flujo de caja con beneficios
evidenciados en la tabla 18 y tabla 19 respectivamente, a fin de contrastar los dos escenarios.
El periodo de tiempo analizado es de diez años, luego los valores de las diferentes cuentas
son anuales. En primera instancia, se presenta la información que permite calcular el ahorro
ocasionado por la implementación del proyecto, por tanto, se toma el costo por m3/anual de agua
($36.857) originado de la división del costo total anual de suministrar agua a zonas con escasez
entre el número de viviendas que puede llegar a tener en promedio una ranchería (627), y se
incrementa para los siguientes periodos con respecto a la inflación del año 2018 (3,18 %).
Posteriormente, se determina la eficiencia del desalinizador solar, partiendo de un 100%; a
medida que pase el tiempo esta eficiencia irá en decadencia a una tasa del 2%, esto se debe
principalmente a las propiedades del acero inoxidable utilizado para la fabricación del prototipo,
especialmente la alta resistencia a la corrosión (Carbone, 2016). Finalmente, se determina la
generación del recurso hídrico por m3/anual proveniente del destilador para así, poder calcular el
ahorro que se proporciona en pesos colombianos.
En segunda instancia, se tiene en cuenta la inversión inicial y se le adiciona el costo de
mantenimiento, incurrido únicamente en el primer año de funcionamiento, luego que en los
siguientes años será asumido por el propietario; a partir de esto, se encuentra la ganancia neta
contable, a la cual se le agregan los beneficios tributarios (si aplican), obteniendo así, el flujo de
caja operativo y el flujo de caja acumulado.
Por consiguiente, teniendo en cuenta los resultados obtenidos, se evidencia que el
proyecto es financieramente viable si se accede a los beneficios tributarios, debido a que la
inversión se recupera a partir del tercer año; de lo contrario, la inversión no es recuperable antes
de los diez primeros años.
82
Los principales requisitos que debe cumplir el proyecto en relación a los beneficios
tributarios son:
Obtención de la certificación expedida por la Unidad de Planeación Minero-Energética
(UPME), en la cual la entidad avala el proyecto de Fuentes No Convencionales de
Energía (FNCE) o Gestión Eficiente de Energía (GEE) (Alberto & Marín, 2014).
Obtención de la Certificación de Incentivo Ambiental expedida por el Ministerio de
Ambiente y Desarrollo Sostenible a través de la ANLA (Alberto & Marín, 2014).
Inversiones que se realicen directamente en investigación y desarrollo en el ámbito de la
producción y utilización de energía a partir de FNCE o GEE (Alberto & Marín, 2014).
83
Tabla 18
Flujo de caja sin beneficios tributarios
FLUJO DE CAJA SIN BENEFICIOS TRIBUTARIOS PROYECTADO A 10 AÑOS (PESOS COLOMBIANOS)
AÑOS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Costo m3/año (COP) $
36.857
$
38.029
$
39.238
$
40.486
$
41.773
$
43.102
$
44.473
$
45.887
$
47.346
$
48.852
$
50.405
Desempeño del desalinizador
(%) 1 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8
Generación m3/año 1 1,8 1,764 1,728 1,692 1,656 1,62 1,584 1,548 1,512 1,476 1,44
Ahorro anual (COP) $
66.342
$
67.083
$
67.804
$
68.502
$
69.177
$
69.825
$
70.444
$
71.033
$
71.587
$
72.105
Inversión Inicial de Capital -$
889.000
Costos de mantenimiento -$
113.000
Ganancia neta contable -$
1.002.000
$
66.342
$
67.083
$
67.804
$
68.502
$
69.177
$
69.825
$
70.444
$
71.033
$
71.587
$
72.105
Incentivo renta, ley 1715
(50%)
Depreciación de activos, ley
1715 (20%)
Flujo de caja operativo -$
1.002.000
$
66.342
$
67.083
$
67.804
$
68.502
$
69.177
$
69.825
$
70.444
$
71.033
$
71.587
$
72.105
Flujo de caja acumulado -$
1.002.000
-$
935.658
-$
868.575
-$
800.771
-$
732.269
-$
663.092
-$
593.267
-$
522.822
-$
451.790
-$
380.203
-$
308.098 1 Para el año 0 la producción de agua destilada corresponde a los m3 de H2O que se obtienen al año, para los periodos siguientes se
efectúa el producto entre la generación anterior y el desempeño actual, relacionados a su vez, con el desempeño anterior.
Nota: * Autores del proyecto
84
Tabla 19
Flujo de caja con beneficio tributario
FLUJO DE CAJA CON BENEFICIOS TRIBUTARIOS PROYECTADO A 10 AÑOS
AÑOS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Costo m3/año
(COP)
$
36.857
$
38.029
$
39.238
$
40.486
$
41.773
$
43.102
$
44.473
$
45.887
$
47.346
$
48.852
$
50.405
Desempeño del
desalinizador (%)
1 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8
Generación m3/año 1,8 1,764 1,728 1,692 1,656 1,62 1,584 1,548 1,512 1,476 1,44
Ahorro anual
(COP)
$66.342 $67.083 $67.804 $68.502 $69.177 $69.825 $70.444 $71.033 $71.587 $72.105
Inversión Inicial de
Capital
-$
889.000
Costos de
mantenimiento
-$
113.000
Ganancia neta
contable
-$
1.002.000
$
66.342
$
67.083
$
67.804
$
68.502
$
69.177
$
69.825
$
70.444
$
71.033
$
71.587
$
72.105
Incentivo renta, ley
1715 (50%)
$
501.000
Depreciación de
activos, ley 1715
(20%)
$
177.800
$
177.800
$
177.800
$
177.800
$
177.800
Flujo de caja
operativo
-$
1.002.000
$
745.142
$
244.883
$
245.604
$
246.302
$
246.977
$
69.825
$
70.444
$
71.033
$
71.587
$
72.105
Flujo de caja
acumulado
-$
1.002.000
-$
256.858
-$
11.975
$
233.629
$
479.931
$
726.908
$
796.733
$
867.178
$
938.210
$
1.009.797
$
1.081.902
Nota: * Autores del proyecto
85
6.5.3. Valor Presente Neto (VPN)
El VPN es un método de evaluación financiera que estudia el valor del dinero a través del
tiempo, y representa la utilidad que se adquiere después de haber recuperado la inversión inicial;
así mismo, permite medir los resultados del proyecto a valor presente correspondientes al
momento en que se realiza el análisis (C. Martínez, 2014).
En la siguiente tabla se presenta el VPN obtenido para el presente proyecto, tanto para
cuando se aplican los beneficios tributarios como para cuando no se aplican.
Tabla 20
Valor presente neto
VPN
Sin Beneficios -$514.860
Con Beneficios $684.774
Nota: *Autores del proyecto
Teniendo en cuenta los valores monetarios obtenidos, se reafirma el comentario realizado
en el apartado de los flujos de caja acerca de la viabilidad del proyecto, en donde, si se cuentan
con los beneficios tributarios, este es financieramente rentable, de lo contrario no lo es. Por esto,
la utilidad del proyecto a valor presente es de $684.774 durante los diez primeros años
evaluados, obteniendo así una utilidad anual estimada de $97.046.
6.5.4. Tasa Interna de Retorno (TIR)
La TIR es la tasa de interés o rentabilidad que ofrece la inversión, es decir, es el
porcentaje relacionado con el beneficio o pérdida que tendrá el proyecto. También representa el
valor de la tasa de descuento que hace al VPN ser igual a cero (C. Martínez, 2014). En la tabla
86
N° 21 se evidencian las tasas obtenidas para las dos situaciones que se contemplan en el
proyecto.
Tabla 21
Tasa interna de retorno
TIR
Sin Beneficios -6%
Con Beneficios 32%
Nota: *Autores del proyecto
Con base en los resultados, se analiza que la tasa interna de retorno sin considerar los
beneficios tributarios es negativa, por lo cual, el proyecto no es rentable; por el contrario, al
contemplarse los beneficios se genera una tasa del 32%, es decir, el proyecto de inversión es
aceptado, debido a que la TIR es superior a la tasa de descuento contemplada en el VPN
(0,06%), siendo esta la tasa mínima de rentabilidad exigida por la inversión, la cual a su vez se
estipula según la visión de más de cien inversionistas, representantes de diez mercados fuertes en
energías renovables (Freyman, 2014).
87
7. Conclusiones.
El estudio y la revisión bibliográfica sobre las diversas tecnologías que son utilizadas a
nivel mundial, en el proceso de aprovechamiento del agua de mar para suplir la evidente escasez
de agua dulce y potable que presenta la humanidad de esta era, encuentra una solución a través
de la destilación solar, el cual es un proceso económico y de mayor accesibilidad para
poblaciones como la región de Uribía en la alta Guajira en Colombia, en donde las condiciones
de escasez del recurso hídrico potable son limitadas y la radiación de la zona, se adaptan de
manera óptima al diseño del sistema.
Con base en la revisión de los diferentes tipos de desalinizadores y teniendo presente las
condiciones climáticas y geográficas del foco de la investigación, se determina experimentar
realizando una fusión entre un destilador de dos vertientes, conjugado con un destilador tipo
cascada, esto, debido a los resultados encontrados en otras investigaciones en donde se evidencia
que son tipos de destiladores que presentan resultados favorables, a fin de poder aprovechar las
ventajas de cada uno de ellos a nivel de rendimiento y eficiencia.
En la elaboración y construcción del prototipo, se evaluaron los materiales a utilizar
propendiendo por los que fuesen de menor corrosión y de mayor conductividad calórica,
teniendo como resultado según el cuadro comparativo realizado en la ¡Error! No se encuentra
l origen de la referencia. al acero inoxidable 316L como la mejor opción para el sistema, en
segunda instancia, se elaboró un diagrama de procesos presentado para facilitar el montaje y
ensamblaje de las partes del sistema, a fin de poder mejorar y optimizar los tiempos de
construcción.
El análisis financiero realizado para el proyecto determina la rentabilidad en términos de
inversión, con base en los resultados, se observa que la tasa interna de retorno sin beneficios
88
tributarios es negativa, por lo que no sería rentable; sin embargo, al contemplarse los beneficios
se genera una tasa del 32%, es decir, el proyecto de inversión es aceptado, debido a que la TIR
calculada es mayor a la tasa de descuento prevista en el VPN (0,06%), evidenciando que el
proyecto es financieramente viable si se accede a los beneficios, debido a que la inversión se
recuperaría a partir del tercer año.
En términos de eficiencia, se concluye que esta depende de la intensidad de energía solar
reflejada directamente en el prototipo, según las pruebas efectuadas al sistema bajo una
exposición de radiación durante 3 días/4 horas a una temperatura de 22C°, se puede determinar
que la cantidad de agua destilada es la misma cantidad de energía utilizada para realizar la
vaporización. La eficiencia teórica del equipo es del 50,01 %. Sin embargo, el proyecto no
cumple con el propósito de generar agua potable bajo los parámetros establecidos en le
Resolución 2115 del 2007 del ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial (Ambiente
& Territorial, 2007), debido que a calcular el IRCA se obtiene un resultado del 83%, es decir, se
considera inviable sanitariamente. La principal razón que ocasionó la obtención de un resultado
deficiente radica, en la manipulación que recibió el sistema en donde fue expuesto a diversas
personas y ambientes; no obstante, se propone efectuar un tratamiento por cloración, el cual
elimina los diversos componentes que permanezcan en el H2O, dejándola desinfectada, limpia y
potable.
Para concluir, el proyecto requiere mayor tiempo para su desarrollo y ejecución teniendo
en cuenta que en la medida que se fueron evidenciando posibles mejoras, estas se fueron
ejecutando en el camino; sin embargo, parte de la inviabilidad del proyecto radica en la falta de
experiencia y en el alcance del proyecto, el cual da para una segunda etapa.
89
8. Recomendaciones.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en cada una de las fases del proyecto de
investigación, se realizan recomendaciones para futuras investigaciones con características
similares, con el propósito de aumentar el rendimiento del prototipo y obtener mejores resultados
en la pureza del agua:
Se sugiere la utilización de aislantes térmicos que dividan las secciones del sistema, a fin
de evitar la disipación de calor en este.
Se recomienda anexar al prototipo un sistema que caliente el agua antes de ser ingresada al
destilador, provocando un proceso de condensación más rápido, debido al cambio de temperatura.
Para evitar el estancamiento de agua en la bandeja colectora, se sugiere que esta se instale con
una inclinación tipo vertiente hacia el desagüe que conecta con la tubería de paso al filtro.
Se podría contemplar la utilización de un mecanismo tipo cisterna en el que se controle el llenado
las canaletas con el agua de mar.
Se considera que el agua debe pasar por un proceso de cloración después de realizarse la
desalinización, a fin de eliminar cualquier clase de componente nocivo para la salud.
Se debe realizar una limpieza y desinfección adecuada a las bandejas antes de iniciar el proceso
de destilación, para eliminar todo tipo de impurezas y residuos de óxido que puedan tener por
exposición constante a la sal del mar.
90
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