"Construcción de un Desalinizador Solar Multi-etapas para el estudio de variantes en el diseño que mejoren su rendimiento" 1 Autor - Vicente Olavarría Baeza www.gea.usm.cl INTRODUCCIÓN Casi la totalidad del agua que esta en el planeta Tierra, corresponde a agua salada del mar (figura 1). Solo una minúscula parte corresponde a agua dulce o bebible. Sin embargo de esta misma agua, gran parte se encuentra gran congelada o en aguas subterráneas, dejando solo un 0,4% del agua potable del planeta disponible en aguas superficiales, las cuales principalmente se encuentran en lagos, ríos y humedales (figura 2). Agua total en el mundo Océanos; 97,5% Agua Dulce, 2,5% Figura 1. Aguas superficiales y en la atmósfera Lagos de agua dulce, 67,4% Humedad del suelo, 12,2% Plantas y animales, 0,8% Ríos; 1,6% Atmósfera; 9,5% Humedales, 8,5% Figura 2. 2 Autor - Vicente Olavarría Baeza www.gea.usm.cl Desde siempre la presencia del agua en la superficie de la tierra ha pre derivado en la presencia de asentamientos humanos. Y la explicación de eso es obvia. No es posible vivir sin este recurso, el cuerpo humano puede soportar cierto tiempo sin comer, pero soporta mucho menos sin beber. mucho La tendencia del uso de este recurso en Chile en los últimos años, ha evidenciado que el 84% del agua que se utiliza corresponde a riego agrícola, lo % cual denota la importancia que tiene este bien en el campesinado. La industria y la minería no consumen más que el promedio mundial, mientras que el agua ería para uso domestico en nuestro país es cercano al 4% de la disponible, lo cual es la mitad del promedio mundial. (Figura 3) Consumo del agua en Chile Riego, 84% Doméstico 4% Minería, 5% Industria, 7% Figura 3. No es nueva la problemática que ocurre en el mundo con respecto al abastecimiento de agua potable para las comunidades, de hecho la UNESCO l predice que para el año 2020 la escasez de agua se convertirá en uno de los peores problemas alrededor del mundo. Existen diversos métodos conocidos para desalinizar agua de mar. Uno xisten ag de los primeros que se conoce fue realizado por el ingeniero Charles Wilson, quien en 1872 creo un desalinizador en la zona de Las Salinas, cerca de Salinas Antofagasta, para abastecer de agua a los mineros de ese lugar. Ese sistema era capaz de producir un promedio de 4 litros por metro cuadrado de superficie ducir 3 Autor - Vicente Olavarría Baeza www.gea.usm.cl permitiendo aumentar el rendimiento térmico total de la instalación. que utiliza una mezcla de agua destilada con Br-Li como fluido de trabajo. Las últimas variantes de estos métodos incluyen en uso de tecnología híbrida. Con energía mecánica esta la osmosis inversa. Gran Canaria o el proyecto Solar Thermal Desalination de la Plataforma Solar de Almería. de una amplia superficie de captación solar. se eleva la temperatura interior provocando la evaporación de la capa de agua ubicada en la superficie del estanque. En la Plataforma Solar de Almería (dependiente del CIEMAT). destacándose de dos tipos. usando para el ciclo de absorción de calor. los costos de obtención aumentan considerablemente. y mínimo consumo de energía electro-mecánica.cl . los cuales mediante sucesivas etapas (o efectos) de evaporación y condensación realizadas una por sobre otra.Vicente Olavarría Baeza www. El primero se conoce por destilación. Por el efecto invernadero. era necesaria una superficie de casi 5 mil metros cuadrados. dependiendo como consecuencia. Con cambio de fase está la compresión mecánica de vapor y con energía térmica. por lo que aun no se puede hablar de independencia energética sustentable. La desventaja de las plantas de OI es que funcionan con electricidad. Un sistema que ha sido investigado en la actualidad. que corresponde a modelos similares al creado por Wilson. se le denomina Solar Still. un ciclo de doble efecto. por medio de membranas y energías eléctrica y/o mecánica. mediante energía térmica produce un cambio de fase del agua.gea. de 14 etapas con temperatura nominal de operación de 70[ºC]. A modo de ejemplo se conoce la utilización de energía eólica en plantas de Osmosis Inversa en Instituto Tecnológico de Canarias en Pozo Izquierdo. ocasionado por la radicación solar. que una los bajos costos de las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) con los métodos investigados. es que a mayor eficiencia de los dispositivos. Su desventaja es su baja eficiencia.de vidrio y para conseguir una cantidad cercana a 20 metros cúbicos al día. que es cubierto con un vidrio con cierta inclinación. son los Desalinizadores Multi-Efectos o MED (Multi Effect Distillation). se instaló a inicios de la década de los 90’s un sistema desalinizador de múltiples efectos. está la desalinización multiefecto (MED) y la desalinización súbita multietapa. evaporando y condensando en la superficie interna de la cubierta. cayendo el agua condensada a canales de recolección. Técnicamente. Actualmente la gran industria usa una amplia variedad de métodos. La gran problemática que encierran todos estos procesos. a un desalinizador que basa su operación en energía solar. han podido demostrar que los costos de un sistema solar de desalinización MED resultan muy cercanos a las plantas convencionales de ósmosis inversa (hasta ahora las mas económicas). A lo largo de casi quince años de investigación. mientras que el segundo es la filtración.usm. Estos 4 Autor . Los procesos más importantes con energía eléctrica son la electrodiálisis. aumentando así el costo del equipo. ambos en España. debido a las mejoras en su eficiencia. Este dispositivo básicamente consiste en un estanque almacenador del agua que se quiere desalinizar. ubicando a la mayoría de ellos en prototipos pioneros de investigación para el futuro. pero actualmente están dejadas un poco de lado por la aparición al mercado de la osmosis inversa.usm. La razón por la cual el primero no es tan masivo como el segundo. destacando el trabajo doctoral del Ing. que tarde o temprano se acabarán.cl . 5 Autor . se propusieron diversos dispositivos basados en tecnologías multiefecto. buscando poder aprovechar los recursos energéticos renovables.gea. Se investigó el estado del arte. se pudo destacar que lo que diferencia a este proyecto con los dispositivos anteriores. se debe a que necesita una fuente constante de energía para poder calentar la masa de agua necesaria para trabajar. actual Decano de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Tarapacá.antecedentes muestran como el uso de las ERNC se hará más rentable conforme se tome conciencia a nivel mundial el gran impacto medioambiental que producen las energías convencionales como las basadas en combustibles fósiles. es que se actualizarán materiales y precios. todo dentro del marco de trabajos que se realiza en el grupo de Generación de Energías Alternativas de la Universidad Técnica Federico Santa María – GEA UTFSM . Dentro del estudio que se realizó. Luego de proponer mejoras. Eduardo Gálvez Soto.para poder transferir tecnologías en métodos que usan energías renovables a las personas que las necesiten. para reducir costos de fabricación. pudiéndose determinar que hay un campo amplio en las tecnologías MED. que fueron estudiadas desde hace décadas.Vicente Olavarría Baeza www. pág.pág.pág. 30 Anexo Gráfico 2……………………………………………………………………………..7 Aportes externos…………………………………………………. 24 Análisis del agua trabajada y obtenida…………………………….…………….pág. 2 Índice………………………………………………………………………………………………. 18 Conclusiones etapas 1 y 2……………………………………………………….pág....pág..…... 27 Conclusiones……………………………………………………………………………….. 35 6 Autor .cl .. 8 Objetivos………………………………………………………………………………….…………………………..…………………pág. 8 Cursos de extensión…………………………………………...pág. ……………………………. 34 Anexo Gráfico 6……………………………………………………………. 9 Descripción del diseño……………………………………………………..……pág.…pág. 29 Anexo Gráfico 1…………………………………………………………………………….10 Etapa 1: Descripción del trabajo realizado.……………………………. 31 Anexo Gráfico 3…………………………………………………………………………..……………pág.pág. ………………………….Vicente Olavarría Baeza www. 33 Anexo Gráfico 5………………………………………………………………………….INDICE Introducción………………………………………………………………………………………. 32 Anexo Gráfico 4………………………………………………………………….gea...pág.…pág.pág... 23 Etapa 3: Descripción de etapa final……………………………….…... 28 Bibliografía y Referencias……………………………………………………………….……pág.….….………….usm.pág.…pág..pág..………….. 11 Etapa 2: Descripción del trabajo realizado.6 Resumen ejecutivo………………………………………………………………………….pág..………. pero no logra condensarse dentro del dispositivo. los que a su vez reducían la radiación solar directa. Se deberán tomar las medidas para evitar este problema. 7 Autor . Para determinar si los equipos térmicos funcionaban correctamente.Vicente Olavarría Baeza www. Se entiende que el agua se evapora.cl . permitiendo dimensionar la cantidad de materiales a usar. Este proyecto busca solucionar de una manera económica los problemas de abastecimiento de agua dulce en las zonas que lo requieran. La marcha blanca se inició con agua potable para detectar fugas. Una vez construido el dispositivo. planchas de cobre y resinas epóxicas para el sello. La segunda conecta con la canaleta bajo el segundo efecto y acumularía además el agua condensada en las superficies interiores y el vidrio inclinado. por medio del intercambiador de calor. La producción diaria promedio fue de 2. comenzaron las pruebas. así como poder determinar el efecto del sol.gea. El dispositivo consta de dos equipos. El segundo equipo es el desalinizador. sin embargo. se utilizaron datalogger en la entrada y salida del colector solar. con las constantes pruebas. El agua sería depositada en envases plásticos.usm. no son los óptimos que se buscaban. agua destilada con anticongelante. mientras que las canaletas 3 y 4 casi no dan aporte de agua. se utilizaron fibrocemento. La motivación para su realización. La interpretación de los resultados obtenidos indican que el colector alcanza temperaturas de 70[ºC] y que el intercambiador permite una variación de temperatura de 10[Cº]. Los resultados. con 4 bandejas. El diseño se realizó en computador. donde se mediría la producción diaria de cada sector. El primero es el colector solar plano que usa como fluido de trabajo. Se conectaron cuatro mangueras al dispositivo. plantea el diseño. perfiles de fierro. ya que al efectuarse durante el invierno se presentaban comúnmente neblina matinal o lluvia. donde se conseguirían los mejores rendimientos y productividad de agua. La tercera y cuarta manguera. entre otros. todos censando simultáneamente. vidrio inclinado e intercambiador de calor al interior del estanque primario. por lo mismo. construcción y operación de un sistema desalinizador de agua de mar que opera con múltiples efectos. con lo cual se podrían comparar la variación de temperatura dentro del desalinizador. que se distribuyen hacia el agua del estanque primario y por fugas de calor al exterior. así como en un termómetro para capturar datos de temperatura ambiente y en un piranómetro para radiación solar. que mojaban los equipos. Con esto. Se seleccionaron materiales que cumplieran con las características de ser fácil de conseguir en ferreterías y fáciles de trabajar. mientras que se pudo detectar que cerca de 5 litros eran evaporados al día. se enmarca en los proyectos que el grupo de Generación de Energías Alternativas –GEA. Los días de prueba fueron meteorológicamente irregulares. La primera estaría conectada a la canaleta que esta sobre el estanque primario y bajo la primera bandeja.RESUMEN EJECUTIVO El siguiente proyecto. así como días nublados. si no que el vapor se fuga al exterior. se pudieron determinar una serie de datos que permiten que el equipo este correctamente operativo para los días de verano. están debajo de las bandejas 3 y 4 respectivamente. las cuales conducirían el agua destilada producida en cada bandeja o efecto. Lo que se buscó con las pruebas. También se pudo observar que la segunda canaleta es la que transporta mas agua.5 litros de agua condensada. era detectar fugas de vapor y corregir errores de operación.realiza con la intención de realizar transferencia tecnológica de sus proyectos hacia la comunidad. gea. por medio del Programa de Iniciativas Estudiantiles Académicas (PIE-A).cl . Además. se incluyó en la malla académica la asignatura electiva Heliotecnia. con el fin de desarrollar o apoyar este proyecto.APORTES EXTERNOS Se consideró aporte externo a la ayuda brindada por personas o instituciones externas a la UTFSM. las canaletas y el intercambiador de calor. Ing. encargado del Laboratorio de Energía Solar de la UTFSM. lo cual hubiera encarecido más el proyecto. Vale mencionar que se presentó este trabajo como proyecto final del taller. CURSOS DE EXTENSION Con la intención de entender de mejor manera el uso de la energía solar. se participó en el I Taller de Propiedad Industrial (Invenciones).Vicente Olavarría Baeza www. y organizada por la Dirección General de Docencia de la UTFSM. 8 Autor . por su ayuda para construir bandejas de acero enlozado sin necesidad de desarrollar una matriz. Primeramente se agradece a Virutex Ilko S. se agradece el apoyo de CODELCO. dictada por el perito de patentes. Hernán Gómez Duff. Además en este mismo ítem. consiguiendo la nota más alta del curso (93%) por sus características innovativas.usm. dictada por el Profesor Ing. Estas bandejas sirvieron para comparar el efecto del agua de mar en el metal. que por medio del Proyecto LEC. ayudo a la adquisición de planchas de cobre electrolítico para la construcción de la bandeja de cobre.A. Pedro Sarmiento. Esta asignatura ayudó a entender de mejor manera el uso de dispositivos solares con el fin de diseñar el dispositivo requerido. pieza fundamental dentro del dispositivo. usm. Asimismo se planea obtener nuevas herramientas que motiven a la construcción de equipos solares. 2. dentro de los objetivos específicos. Investigar el uso de la energía solar en desalinizadores. Incentivar a la utilización de energías limpias a lo largo de todo Chile. 6. Además. tales como nuevas bandejas (donde se espera mejorar la absorción de calor de la condensación) y también un intercambiador de calor de bajo costo y simple diseño. Esto esta en el marco del proyecto de difusión del grupo GEA y que contempla que los estudios que se realicen puedan ser expuestos a la comunidad. están: 1. disponibles en ferreterías o tiendas afines a lo largo del país. Investigar y medir el funcionamiento de distintos aparatos térmicos de diseño y construcción propia. Crear y difundir planos de simple construcción para que las personas que lo deseen puedan construir sus propios desalinizadores solares con materiales caseros. demostrando que aún hay mucho por hacer.gea. 3. 4. el cual permita el estudio de variables para aumentar su eficiencia. Esto es de gran aporte a los investigadores que ven la energía solar como un camino viable para mejorar la calidad de vida de mucha gente a lo largo de Chile. Obtener datos que sirvan de guía a futuras investigaciones en este campo.Vicente Olavarría Baeza www. con el fin de aportar a la comunidad opciones para conseguir agua destilada en un futuro no muy lejano.cl . 9 Autor .OBJETIVOS El objetivo principal de este proyecto fue desarrollar un Desalinizador Solar Multi-etapas que sea económico y sencillo de fabricar. 10 Autor . Las flechas ascendentes representan el agua salada que se evapora del volumen de agua inferior.DESCRIPCION DEL DISEÑO. Como las bandejas son de material con buen coeficiente térmico. El segundo será el irradiar directamente las bandejas donde el proceso de multi-efectos esta ocurriendo. El primero es calentar directamente un Colector Solar Plano de 2x1 [m^2]. Figura 4.Vicente Olavarría Baeza www.usm. El Sol tendrá dos efectos directos en este novedoso diseño. transfiriendo el calor perdido en la condensación hacia dichas superficies. para condensar en las superficies superiores. El siguiente esquema del Desalinizador Solar de Múltiples Efectos (figura 4) muestra el funcionamiento básico de sus componentes. el calor transferido por conducción entra al volumen de agua superior.cl .gea. calentándolo lentamente hasta que se consigan temperaturas necesarias para que ese mismo volumen comience a evaporar y así sucesivamente. La inclinación de las superficies facilitará el escurrimiento del agua condensada y su posterior caída y acumulación en las canaletas preparadas para ese fin. esto con la finalidad de aumentar la temperatura de trabajo interior del sistema y mejorar el rendimiento de la evaporación del agua de mar. Dentro de las investigaciones realizadas. Se eligió el tamaño de este según decisión de los miembros del equipo de trabajo.) Figura 5. concreto. El procedimiento usado para fabricarlo. las cuales se eligieron de planchas de fibrocemento marca Internit. se encuentran las referidas a la transferencia de calor. La estructura principal del Desalinizador fue fabricada de perfiles angulares de acero. consistió en un diseño CAD usando el software Solid Edge versión 10. estudio de los materiales tanto poliméricos como la corrosión en metales. para dimensionar la cantidad de metros lineales de perfil a usar.ETAPA 1.usm.gea.Vicente Olavarría Baeza www. Diseño CAD previo de la estructura del Desalinizador.- DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO REALIZADO La primera etapa del proyecto era investigar acerca de los métodos existentes en la actualidad. fue de buscar algún recubrimiento firme y duradero que presentara cualidades similares a las utilizadas en trabajos anteriores de desalinización (como pizarreño. cemento asbesto.cl . 11 Autor . También de esta manera se calculó el desarrollo de las paredes de recubrimiento. La motivación para elegir ese material. etc. Con este fin los miembros del equipo de trabajo se dedicaron tanto a consultar en libros de diversas materias como a especialistas de las diversas disciplinas que involucran el proyecto. la mecánica de fluidos. revelaba que en un dispositivo similar. un quinto efecto para un volumen similar.Figura 6. según las dimensiones del dispositivo diseñado en CAD. 1]. Detalle de la bandeja diseñada. 12 Autor .usm. ya que la tesis doctoral de Eduardo Gálvez [Ref.gea. De igual manera se diseñaron las bandejas de agua de mar.Vicente Olavarría Baeza www. es inocuo. con el fin de poder apoyar correctamente las bandejas por medio de unas guías laterales de perfil angular. En el diseño de las bandejas se tomaron en cuenta un espacio por lado. además de unas pestañas laterales.cl . Figura 7. Desalinizador en su etapa de construcción. Desde un principio se estimó que el sistema tuviera cuatro efectos o bandejas superpuestas una sobre la otra. La siguiente imagen corresponde al aspecto visual de las bandejas triangulares. Figura 8. tres y cuatro. se decidió mandar a hacer a Virutex&Ilko S. tiene buena conductividad térmica (dato cualitativo según proveedor) y es de rápida fabricación.gea. la pintura se resquebraja. 13 Autor . Una de las principales desventajas del enlosado. con las bandejas ya instaladas. tres de las cuatro bandejas.Debido a problemas de costos y tiempos de fabricación.usm. cuyo material es acero enlosado. Diseño del Desalinizador Solar. el cual según catalogo resiste sin problemas el agua salada.A. es que si existe contacto con alguna superficie mas dura. de acero enlosado.Vicente Olavarría Baeza www. Con las planchas de cobre LEC se fabricó la bandeja inferior que estaría más próxima al agua en contacto con el intercambiador de calor. La primera bandeja no esta dibujada aún. La imagen muestra las bandejas dos.cl . dejando el acero sin recubrimiento y debilitando la resistencia a la corrosión. Vicente Olavarría Baeza www. Estas estructuras fueron facilitadas en el Laboratorio de Energía Solar y correspondían a implementos de experiencias anteriores. La radiación esta medida en [W/m2] 14 Autor . El diseño del Desalinizador Solar. El diseño se realizó de 45º para facilitar su construcción.gea. 2]. de latitud: 33.Se utilizaron estructuras de soporte para ambos equipos: Desalinizador Solar y Colector Solar Plano. lo cual seria 43º. Existe también una puerta en la parte posterior trasera.usm. En el laboratorio de energía solar ubicado en El Olivar. En estas se observa que se asume que la mejor posición es con el colector y el desalinizador apuntando hacia el norte. Figura 9. El diseño del dispositivo se realizó según recomendaciones [Ref. 2] de inclinación del vidrio para la zona donde se trabaja. para obtener mejores rendimientos. se recomienda para conseguir mejores rendimientos en invierno (la condición mas desfavorable) agregarle 10º mas a la inclinación. con la finalidad de poder retirar las bandejas para cualquier eventual caso.cl . contempla su cara frontal recubierta con una plancha de vidrio removible para el caso en que se quiera limpiar el interior del dispositivo. sede JMC. Estructuras de soporte facilitadas en Laboratorio de Energía Solar UTFSM. A continuación se muestran tablas con los valores nominales de radiación en función de la inclinación y el mes para el Laboratorio [Ref.03º Sur. 3 251.2 344.7 241.1 217.8 505. 15 Autor .5 223.Vicente Olavarría Baeza www.gea. se puede ver que la diferencia es de alrededor 25 [W/m2] mensuales.96 376 235.7 486.3 43º 53º 90º 330 325 246.2 236. Desalinizador Solar ya terminado en su etapa estructural.2 241. Figura 10.8 357.7 366.2 399.7 342.cl . enero febrero marzo abril mayo junio julio 23 641 533.1 238.6 184 208. Si se observa la radicación promedio anual con una inclinación de 43º. la cual ha demostrado tener buena resistencia a condiciones ambientales como lluvia y viento.7 469.1 Aquí se desprende que el promedio anual de la inclinación de 23º es la mayor.9 585.2 33 43 53 90 605.4 468.8 482.4 557.4 241. lo que complica el diseño de las bandejas.4 229 207. Esto implica que si se busca el máximo rendimiento.8 231 447 416.2 343.4 338.5 33º 328.9 643 424. Falta aun el recubrimiento de poliestireno expandido (Plumavit) que se usará como aislante térmico.2 517.5 447.180º al norte Az Incl.usm.9 559.1 290 245 186.9 335. habría que inclinarlo bastante más. agosto sept.7 501.1 462.9 514. lo que disminuirá la perdida de calor al exterior y una plancha de Cinc-Aluminio (Zincalum).2 604.4 257. Además se puede ver que en los meses de invierno con una mayor inclinación recibe mayor radiación.6 253.7 495 249. por lo que hacer un diseño más fácil hace perder solo un poco de energía.2 243. octubre noviembre diciembre Promedio Anual 23º 319.2 236.6 257.6 180º al norte Az Incl.5 554. así como el diseño del mismo desalinizador.7 485.1 365.6 416.7 222.5 502. El colector solar es de 2000[mm] x1000[mm] x100[mm]. como anticongelante. Ese porcentaje correspondería a usar 6 [litros] de anticongelante. La cantidad de agua usada fue la suma de la que llenaba el colector solar (2 litros).gea. Se adicionarán mangueras el costado del dispositivo. solo se realizó la mezcla con 1 [litro]. se realizó la adquisición de un colector solar plano. de posibles incrustaciones. La proporción recomendada es 30% del Glicol y 70% agua destilada. 1]. lo cual ‘cuidaría’ el interior del sistema colector solar-tuberías-intercambiador del calor. para recolectar de forma separada el líquido y así determinar la cantidad de agua que se obtenía en cada caso. El fluido de trabajo que se usa dentro del sistema de captación térmica es agua destilada comercial que circula por convección natural. las tuberías de unión (4 litros) y el intercambiador solar (14 litros). con una inclinación mínima. es su capacidad protectora de superficies. pero ha demostrado tener buena duración y excelente rendimiento. con un total de 20 litros de agua destilada usada. el cual es fabricado artesanalmente.usm. Algunos autores [Ref.cl .Vicente Olavarría Baeza www. Esta formado por cañerías de cobre electrolítico y aletas con superficie Semi-selectiva. para aumentar la capacidad calorífica del fluido. permitiendo trabajar a una temperatura de trabajo constante de 70 [ºC] en caso de usar agua destilada como fluido de trabajo. aumentando así las temperaturas alcanzadas. El agua destilada condensada en las superficies tanto de las bandejas como en la cara de vidrio. recomiendan el uso de Etilen Glicol. Otras ventajas que presenta el uso de Etilen Glicol. la cual mejora su eficiencia de captación de radiación. Debido a dificultades económicas.Para tener una temperatura constante del fluido de trabajo. 16 Autor . y de temperaturas de trabajo hasta 130 [ºC] en caso de usar agua destilada con anticongelante. será acumulada en canaletas de las mismas planchas de cobre LEC. cl . que es el primero que se dejo operativo. que es el que servirá para recolectar el agua destilada del primer efecto. el cual permite tener un volumen de reserva de agua. en caso de algún cambio de temperatura.gea. Se ve el tubo amarillo a su costado.Vicente Olavarría Baeza www.usm. 17 Autor . Se ve claramente el estanque de expansión en el costado del dispositivo. Figura 12. para evitar colapso en las cañerías.Figura 11. Detalle del Desalinizador Solar. Desalinizador Solar ya instalado en su base definitiva. correspondía a la marcha blanca del Desalinizador. 18 Autor . Frente a cada fuga.Vicente Olavarría Baeza www. También se recubrieron las tuberías que conectan el equipo desalinizador con el colector solar.usm. Descripción de Etapa 2. El agua que el dispositivo se comenzó a evaporar era agua potable de la red del Laboratorio de Energía Solar. que no eran posibles visualizar con agua fría. Figura 13. para su sellado. Tubería de entrada del agua caliente. El recubrimiento usado fue poliestireno expandido tubular. Durante esta etapa pudieron encontrarse filtraciones de agua (goteras) y fugas de calor.gea.ETAPA 2.cl .- DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO REALIZADO La segunda etapa. ya aislada térmicamente. para evitar las fugas de calor. se drenaba el equipo. se dejaron instaladas las dos primeras bandejas (primer y segundo efecto). Descripción de Etapa 2.cl .) Figuras 14. En los laboratorios de la Universidad. La idea principal fue medir la calidad de agua obtenida hasta ese momento. Fierro 19 Autor . (Departamento de Química y Departamento de Procesos Químicos) el costo de medir 5 parámetros (PH del agua.usm.Vicente Olavarría Baeza www.Tubería de salida del agua fría (después del proceso de intercambio de calor. contenidos de Cloruros disueltos. Durante los primeros días de funcionamiento. Tanque de expansión recubierto con plumavit. por lo que se consultó tanto en la UTFSM como en laboratorios particulares. recubierto solo donde esta el estanque de acumulación primario.gea. Figura 15: Detalle lateral del dispositivo. fue acumulada en botellas. El agua obtenida en esos días. el costo de certificar agua según la norma chilena (más de 20 parámetros) seria de 2. Fuera cual fuera la elección.Vicente Olavarría Baeza www. sino solo datos que cercioraran que se estaban reduciendo las sales y otros elementos. es cierto que aun no sería necesaria la certificación del agua.5 6.total. 3]. En Laboratorio SILOB.2 0. Sede JMC: Maquina: Conductance Bridge Marca: Griffin Tipo de agua Agua Potable usada en Desalinizador Agua desalinizada conseguida Agua Destilada del Laboratorio JMC • Conductividad [micro Mho] 200 11. Cobre total y Sodio total) en un espectrofotómetro. es medir la conductividad del agua [Ref. seria de cuarenta mil pesos. • Primera experiencia de Laboratorio: Laboratorio de Química.gea.0 20 Autor . Un método simple para determinar calidad del agua.usm.000).4 3. que realiza este tipo de certificaciones para la CONAMA.4 Segunda experiencia de Laboratorio: Laboratorio Termodinámica Casa Central Maquina: Conductivity Bridge Marca: YSI modelo 31 Tipo de agua Agua Potable usada en Desalinizador Agua desalinizada conseguida Agua Destilada del Laboratorio JMC Agua Destilada comercial Conductividad [micro Mho] 200 16. A continuación se muestran los valores conseguidos con el agua desalinizada en dos laboratorios de la UTFSM. para cerciorar su veracidad.cl . Este proceso se realizó con un conductímetro. por el principio que a mayor cantidad de sales o sólidos totales disueltos (TDS) este parámetro aumenta.5 UF (aproximadamente $50. Se debió crear un sistema recolector de esta agua. Este sistema ha logrado recolectar casi la totalidad del condensado del vidrio. Se buscó información acerca de la condensación del agua evaporada.gea.20 0. Sin embargo teniendo en cuenta que los valores de conductividad del cobre y del acero en ambas bandejas son muchísimos mayores que los ya mencionados. lo cual debería aumentar el rendimiento de las bandejas.4 0. según la tabla. lo que influiría en que efectivamente se estuviera perdiendo mas calor por el vidrio que en las paredes. pudiéndose detectar que para los sistemas Solar Still. Se observó una gran cantidad de agua que escurría por el vidrio. a la canaleta número 2 correspondiente al segundo efecto (canaleta que se ubica bajo la segunda bandeja). las paredes de fibrocemento. ya que aumentaría el calor del agua dentro de ellas.21 Temperatura transición vítrea Tg [ºC] No tiene (termoestable) 150 85-105 De la tabla. ya que se pretendía que la superficie de vidrio sirviera para entrada de calor por radiación y no de salida.Vicente Olavarría Baeza www. Realizando una primera evaluación. existe una tendencia a aumentar la producción de agua pasada ya la hora de mayor radiación solar y cuando la temperatura ambiente comienza a disminuir. se verificó que la superficie de vidrio cumple su función de permitir agregar energía por medio de radiación solar. Sin corresponder al 21 Autor .Acerca del diseño del Desalinizador. 4] son los siguientes: Material Cobre Acero bajo en carbono Sílice Vítrea Vidrio Sosa-Cal Vidrio Borosicalatado Epoxi Policarbonato Acrílico amorfo Conductividad Térmica [W/(m*K)] 398 52 1. Una recomendación apresurada seria cambiar la cara de vidrio por una de policarbonato o de acrílico amorfo (transparente). se observó que los valores comunes de conductividad térmica son mayores para los vidrios que para los polímeros. lo que ocasionaba que este estuviera siempre empañado. Los valores de tabla [Ref.7 1. Este efecto seria contrario a lo esperado. se podría concluir primeramente que la perdida térmica por el vidrio es mínima. Se estudió acerca si el calor que se perdía en el vidrio sería mayor que el que pierde el dispositivo.19 0. recubiertas interiormente con resinas epóxicas son un buen aislador térmico. evaluando los costos de los mismos frente a los del vidrio.cl .3 1.usm. que a su vez se unió por medio de un tubo. 5] 22 Autor . .Vicente Olavarría Baeza www. ría ocur Figura 16: Grafico de productividad v/s hora del día. este comportamiento no debería variar mucho del que ocurre.cl . USM [Ref.usm.mismo sistema que se desarrolla en esta investigación. para el destilador USM-5.gea. se notó un gran avance en la llamada ingeniería de ajuste o ingeniería de detalle. el comportamiento de las gotas de agua en la superficie del condensador y análisis del agua destilada con agua potable. es decir la búsqueda y perfeccionamiento de todos los pequeños errores cometidos.cl .Vicente Olavarría Baeza www. que se consiguió efectivamente disminuir sus parámetros y con ello también disminuir la cantidad de sólidos totales disueltos.gea. demostraron por dos fuentes distintas. Se consideraron todos los factores teóricos y prácticos del proyecto. Las condiciones climáticas no favorecieron el mejoramiento del proyecto. la selección de los materiales a usar. 23 Autor . ya que estos últimos son proporcionales a la conductividad eléctrica. Los valores de conductividad de agua desalinizada.CONCLUSIONES DE ETAPAS 1 Y 2 Del trabajo realizado. sino que lo prolongaron más. Se superaron las goteras y aislado térmicamente las principales fugas de calor que se dejaban notar por inspección al tacto. como los efectos de la radiación del sol.usm. a excepción del día 2 de septiembre. entre el 28 de agosto y el 9 de septiembre. Antes de revisar datos del Desalinizador. La temperatura no baja de los 7 [ºC] mientras que la mayor no sube mas de los 21 [ºC].gea.usm. También disminuyen la cantidad de días nublados. la temperatura ambiente aumenta. Los volúmenes de trabajo implican 60 [litros] en el Estanque primario. En el Anexo Grafico 2.cl . Del gráfico se ve que la menor temperatura se detecta cerca de las 7:00.muestra un día cualquiera de evaluación (29 de agosto) comparando al mismo tiempo la temperatura ambiente. Con la información obtenida en los días de evaluación. 15 [litros] en la primera bandeja y 30 [litros] en las bandejas 2. mientras que la temperatura se midió en [ºC].ETAPA 3.puede verse la comparación entre la radiación global y la temperatura ambiente de aproximadamente 12 días. ya que en verano. y corresponde a las temperaturas de invierno. Este comportamiento es similar para los otros días de evaluación. Se instalaron dos datalogger. Todos estos factores son influentes en el rendimiento del Desalinizador. También se ve que la radiación solar tiene una clara influencia en el ambiente. temperatura de entrada y salida del Colector solar. La radiación esta medida en [W/m^2]. uno dentro del estanque de expansión (a la entrada del agua caliente en el dispositivo) y otro en el codo a la salida del agua fría. La variación de temperaturas de entrada y salida permite analizar el ∆T dentro del Desalinizador y con ello poder 24 Autor . los días son más largos (más tiempo con aporte de energía solar). El peak solar se consigue cerca de las 13:00. Puede verse que el promedio de radiación fue casi constante en el periodo de prueba. El Anexo Gráfico 1. se observarán las curvas obtenidas de las condiciones ambientales. Esta comienza a detectarse a las 7:00 (justo cuando se consiguen las menores temperaturas) y desaparece a las 18:30.- DESCRIPCION DE ETAPA FINAL En esta etapa. que fue sacada del Muelle Vergara y transportada a la Sede JMC. También se instalo un cuarto datalogger para medir la temperatura ambiental y tenerla como parámetro conocido. Se instaló otro datalogger en un piranómetro en posición horizontal con la finalidad de censar la radiación solar directa. El Anexo Grafico 3. Ese día la radiación disminuyo considerablemente. así como la temperatura ambiente.será la comparación de radiación con respecto a la temperatura ambiente. 3 y 4 respectivamente. la radiación directa aumenta (por efecto de la inclinación de la Tierra) y por ello. se llenó todo el sistema con agua de mar. que fue cuando llovió. mientras que la mayor esta cerca de las 15:30. se graficaron distintas comparaciones que se consideraron necesarias.Vicente Olavarría Baeza www. que es cuando deja de recibirse radiación solar. hay mayor transferencia de calor dentro del Estanque primario. En este gráfico.que reúne el agua de la 2º bandeja. dejando el Intercambiador Solar a muy poca distancia de la superficie del agua salada. mientras que la canaleta 1. Ese día se vacio el Estanque primario con la finalidad de buscar fugas y desperfectos. sin embargo sus volúmenes eran bajísimos con respecto a las otras bandejas. hay una diferencia cercana a los 10[Cº].Vicente Olavarría Baeza www. se aprecia que durante los días previos al día de lluvia. El volumen de 25 Autor . hacen inferir que disminuyendo el volumen de agua del Estanque primario. Durante los siguientes días de la muestra. no se puede detectar si existe relación entre el efecto de cubrir la cara con la variación de las temperaturas de entrada y salida del Desalinizador. se cambió la disposición del Desalinizador. Las canaletas 3 y 4 no produjeron agua destilada. Se noto además que el volumen producido en la canaleta 1 se mantuvo casi constante con respecto a la experiencia anterior. Se interpreto esta información como que el vapor de la 2º bandeja no asciende hasta la 3º bandeja. con lo cual se podrían observar diferencias entre la efectividad del dispositivo con la cara transparente y sin ella. Se ve también que la temperatura del colector solar es por lo menos 20 [Cº] mas que la temperatura ambiente. Se ve que en a lo largo de todo el día. Tal como se había observado en la Figura 16. llegando como punto mas bajo a los 20 [ºC] en la hora mas helada del día y hasta los 70 [ºC] cerca del peak solar. La explicación de este fenómeno es que al dejar de recibir calor del Colector Solar. Al analizar los datos de ese día. del escurrimiento de las paredes y de la cara de vidrio – era la que tenia mayor producción de agua destilada. al tapar la cara de vidrio.que reúne el agua del Estanque primario condensada en la 1º bandeja. sino que se condensa directamente en el vidrio.tenia una producción un poco menor. la canaleta 2 . se pudo apreciar que sin variar mucho la radiación (Anexo Grafico 2-) la temperatura de entrada del Desalinizador aumento considerablemente.entender cuanto calor efectivamente se traspasa al agua en el Estanque acumulador primario por medio del Intercambiador de calor. para conseguir otros valores. Luego de la lluvia.usm. la diferencia puede observarse en el Anexo Grafico 5. El Anexo Grafico 4. de entrada salida del Colector solar a lo largo del periodo de muestra. Sin embargo.cl .que muestra la producción de agua durante los días de evaluación. Se observa una tendencia pareja en todos los días.gea. En el grafico. llegando hasta los 90 [ºC] y la salida hasta los 75 [ºC].muestra la comparación de temperaturas ambiente. Este fue cubierto con una plancha de material aislante (plumavit) que tapaba completamente la cara de vidrio. las temperaturas aumentarían y con ello el rendimiento del dispositivo. Esta diferencia aumenta casi al doble cerca de las 18:00 horas. Este aumento de casi 20 [Cº] por sobre los demás días. a excepción del día que llovió. Al día siguiente (3 de septiembre) se quiso variar la disposición del equipo. la mayor productividad del día ocurre precisamente ese momento. se noto que hubo producción de agua en las canaletas 3 y 4. 26 Autor . De su analisis se desprende que el Estanque primario mantiene más facilmente su temperatura. Se ve que el Estanque primario alcanza temperaturas que van aproximadamente desde los 35 [ºC] a 60 [ºC].Vicente Olavarría Baeza www. Pese a esto. funcionando el dispositivo como fue planteado. mientras que la del Intercambiador de calor comienza a disminuir.muestra otro período de evaluación. El Anexo Grafico 6. la producción de agua es menor que la que se consigue con la cara inclinada expuesta al sol. La intención de esta experiencia era tener una referencia de las variaciones de temperaturas de una etapa a otra frente a las temperaturas que se conseguian del Colector solar. ya que ese día el Desalinizador fue abierto para su inspección. No se interpretó la información de la producción de agua el día después de la lluvia. lo cual afectó tanto las temperaturas como la presión al interior.gea. mientras que la 1º Bandeja alcanza temperaturas entre los 25 [ºC] a 50 [ºC] aproximadamente.usm. Estos antecedentes informan que al trabajar en una cámara cerrada (como sería el caso del trabajo de Gálvez las bandejas si consiguen el efecto deseado. pero con menos valor. donde fue posible contar con más dataloggers para censar simultáneamente las temperaturas de entrada y salida del Desalinizador así como las temperaturas de la 1º bandeja y el Estanque principal. lo que significa que el calor que transfiere el Intercambiador se traspasa al Estanque y al exterior por perdidas.la canaleta 2 fue menor al producido anteriormente. Tambien se puede observar que la tendencia de temperatura de la 1º bandeja era similar a la temperatura del Estanque primario.cl . Este calor comprueba que efectivamente el agua acumulada aumenta su temperatura en cerca de 10 [Cº]. 10 8. se utilizo agua de mar. 27 Autor .ANALISIS DEL AGUA TRABAJADA Y OBTENIDA En esta etapa.93 Se midió la conductividad y el pH tanto del agua de mar usada. como de la que iba quedando en la 1º Bandeja y la que se conseguía de la condensación (agua destilada).Vicente Olavarría Baeza www.usm. tuvo menor conductividad que la conseguida en las dos experiencias anteriores (11. la cual fue parametrizada en laboratorio. Se apreció que el pH aumentaba en la medida que la conductividad disminuía.gea.6 pH 8.2 [micro Siemens] y 16.cl .25 8.5 [micro Siemens]). Sede JMC: Maquina: Conductance Bridge Marca: Griffin Temperatura del Laboratorio: 16[ºC] Máquina: Peachímetro Ultrabasic Marca: Denver Instrument Tipo de agua Agua de mar utilizada Agua de mar en bandeja nº1 Agua desalinizada conseguida Conductividad [micro Mho] 11300 11300 9. El agua destilada conseguida. Los valores fueron los siguientes: • Tercera experiencia de Laboratorio Laboratorio de Química. sin embargo esta disminución no es relevante para afirmar que el agua de mar se desaliniza más que el agua potable. los volúmenes de agua conseguidos fueron menores a los esperados. Por lo tanto hubo cerca de 14 [litros] de agua de mar que se evaporaron en ese lapsus y no pudieron ser capturados.25 [litros/m^2 colector] promedio. La incorporación de esta segunda cara de absorción de energía radiante permite además de poder ver al interior. dio buenos resultados.cl . El proyecto inicial buscaba superar la producción de agua de Gálvez. ya que se demostró que esta relacionado en la productividad. buscando conseguir mejores rendimientos.Vicente Olavarría Baeza www. condensar agua en una mayor superficie. si fuera posible sellar completamente el Desalinizador. Teóricamente.gea.5 [cm] de su capacidad original.usm. Debe encontrarse el método para poder detectar si efectivamente el calor se mantiene dentro del equipo. lo que significaban un poco mas de 20 [litros] de agua. difiriendo del modelo de Gálvez. La innovación en el diseño. o se estaría perdiendo a través de la cara de vidrio inclinado. Fue el día cuando se hizo inspección que se pudo detectar que el Estanque primario había bajado casi 5. se deberá variar la cantidad de agua en el Estanque primario. Sin embargo en los días de evaluación solo pudieron conseguirse cerca de 1. con lo cual la producción de agua disminuye con respecto a los pronósticos. 28 Autor . Sin embargo. Se estima que debe haber una gran fuga de vapor hacia el exterior.CONCLUSIONES El Desalinizador si funcionó. También deberá probarse el equipo a lo largo de todo el año. supuestamente de 9 [litros/m^2 colector]. Durante estas pruebas. con mejores condiciones meteorológicas. Efectivamente se pudo desalinizar agua de mar con el método planteado. podrían obtenerse mayores volúmenes de agua destilada. Editorial CIEMAT 2007. Editorial CIEMAT 2004. Lourdes García Rodríguez. Laboratorio de Energía Solar.A. Francisco Nieto Jiménez. 1993.gea. Julián Blanco Galvéz. Diseño. Pedro Roth U. Casa Central.Distillation Plant for Solar Seawater Desalination. William D.BIBLIOGRAFÍA. construcción y ensayo de un prototipo de desalinizador de etapas múltiples. Edición Secretaria General Técnica del CIEMAT. 3º Edición. Eduardo Zarza. CIEMAT/PSA 1994. 1980. Sede Viña del Mar Introducción a la Ciencia en Ingeniería de los Materiales. Dr. [2] [3] [4] [5] 29 Autor . • Solar Thermal Desalination Project Phase II Results & Final Project Report. Pedro Sarmiento. Tecnología Híbrida de Desalinización Avanzada Solar-Gas basada en Captadores Solares Estáticos.Ing. • • REFERENCIAS [1] Desalinizador solar de múltiples efectos a alta temperatura: Diseño. Destiladores Solares (Experiencias en la UTFSM).usm. Comparative Assesment of Different Configurations to Supply Solar Thermal Energy to a Multi-Effect. Julián Blanco Galvez. Aplicaciones e Ingeniería. 2001. modelación y simulación. Callister Jr. 1995. Editorial Reverté S. Astrid Hublitz. 2000. Energía Solar. PUCV.Vicente Olavarría Baeza www. Eduardo Gálvez Soto. Ing. Ediciones Universitarias de Valparaíso.cl . cl .Vicente Olavarría Baeza www. 1000 900 Radiación Global [W/m^2] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0:03 1:03 2:03 3:03 4:03 5:03 6:03 7:03 8:03 9:03 10:03 11:03 12:03 13:03 14:03 15:03 16:03 17:03 18:03 19:03 20:03 21:03 22:03 23:03 25 20 15 10 5 0 Temperatura [ºC] Hora [hora:min] Radiación Temperatura Ambiente Anexo Grafico 1.gea. Ambiente del día Domingo 7 de Sept. Datos medidos para radiacián solar directa y Temperatura ambiente v/s Hora del dia.usm. en un dia cualquiera (7 de Septiembre en este caso) 30 Autor .Comparación de Radiación v/s Temp. usm.cl Temperatura [ºC] . evaluaci usando los mismos días del Gráfico 1. 31 Autor .Vicente Olavarría Baeza www.Gráfico comparativo de Radiación Global v/s Temperatura ambiente Radiación Global Temperatura Ambiente 1200 1000 800 600 400 200 0 30 25 20 15 10 5 0 Días Radiación [W/m^2] Anexo Grafico 2: Evaluación de la Radiaci n Radiación solar directa y Temperatura ambiente v/s dia de evaluación.gea. Ambiente Anexo Grafico 3: Evaluación de Temperaturas Ambiental.Vicente Olavarría Baeza www. Entrada Temp.Temperaturas Viernes 29 de Agosto 80 Temperatura [ºC] 70 60 50 40 30 20 10 0 10:50 12:10 13:30 14:50 16:10 17:30 18:50 20:10 21:30 22:50 0:10 1:30 2:50 4:10 5:30 6:50 8:10 9:30 Hora Temp.usm. con respecto al tiempo.cl . Salida Temp. para un día cualquiera (29 de Agosto en este caso) 32 Autor . de Entrada y Salida del Desalinizador.gea. Ambiente Anexo Grafico 4: Comparación de las temperaturas de Entrada y Salida del Desalinizador.usm. junto a la paración Temperatura ambiente v/s el tiempo. Salida Temp.Vicente Olavarría Baeza www. para los mismos d /s días evaluados anteriormente. 33 Autor . Entrada Temp.gea.Gráfico de comparación Temperatura v/s día 100 90 Temperatura [ºC] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 día y hora Temp.cl . cl .gea.Total de agua desalinizada por día 3000 2500 Cantidad de agua [cm^3] 2000 1500 1000 500 0 28-082008 29-082008 30-082008 31-082008 01-092008 02-092008 Día 03-092008 04-092008 05-092008 06-092008 07-092008 08-092008 Canaleta 1 Canaleta 2 Canaleta 3 Canaleta 4 Anexo Grafico 5. La producción de agua está estratificada por cada etapa. 34 Autor .Vicente Olavarría Baeza www. Cantidad de agua producida v/s día de operación para los mismos días evaluados anteriormente.usm. Bandeja 1 y Estanque principal.Anexo Grafico 6: Comparación de temperaturas de Entrada.usm. Salida.Vicente Olavarría Baeza www.gea.cl . 35 Autor . para otro periodo de evaluacion distinto al anterior.