UNIVERSIDAD DE CAMAGÜEY MAESTRÍA EFICIENCIA ENERGÉTICA
Tesis presentada en opción al Título Académico de Master en Eficiencia Energética.
Autor: Fernando Rafael Puente Borrero. Ing. Mecánico. Tutores: Martha Nápoles García. Dra. C.
María de Lourdes de la Cruz Aragoneses. Dra. C.
Camagüey, septiembre 2011.
ÍNDICE:
Pág. Resumen.
Introducción. 1
CAPITULO I: Análisis de la Literatura. 6
1.1. Sistemas de obtención de agua potable. 6
1.1.1. Destiladores solares. 8
1.2. Caracterización hidrogeológica de las aguas. 12
1.3. Mecanismos y leyes que rigen el funcionamiento de los destiladores solares. 16 1.4. Eficiencia energética y exergética de los destiladores solares. 19 1.5. Requisitos de calidad para la transferencia tecnológica de un destilador solar. 21
CAPITULO II: Materiales y Métodos. 23
2.1. Descripción del sistema de destilación solar RSD F8 – 250. 23
2.2. Diseño de la experimentación. 26
2.3. Evaluación de las características del agua cruda, destilada y residual. 30
2.4. Estimación de la productividad del RSD F8 – 250. 36
2.5. Cálculo de la eficiencia energética y exergética del sistema. 53
2.6. Evaluación económica y medioambiental. 63
CAPITULO III: Análisis de Resultados. 67
Conclusiones. 83
Recomendaciones. 84
Bibliografía. 85
RESUMEN
NTRODUCCIÓN
El mundo de hoy está sumido en la crisis energética de los combustibles fósiles: escasez y altos precios. Su explotación irracional ha dañado al medio ambiente, ocasionando el fenómeno global conocido como “Cambio Climático”: [...] alteración del ciclo hidrológico del agua: intensas sequías y aumento de la frecuencia e intensidad de los ciclones y tormentas tropicales (IPCC, 2007), que alteran la cantidad y calidad de las aguas, haciendo insegura su disponibilidad para la satisfacción de las necesidades humanas.
Cuba posee escasos yacimientos de combustibles fósiles, fundamentalmente, petróleo viscoso con alto contenido de azufre, difícil de refinar. El Sistema Eléctrico Nacional (SEN) funciona con crudo nacional y derivados del petróleo: diesel o fuel oil, que en parte se importan.
La tecnología que se utiliza para el abasto centralizado de agua potable a las grandes ciudades, está basada en plantas potabilizadoras de dimensiones considerables, sistemas de bombeo y acueductos, energizados por el SEN, siendo esto económicamente no viable para zonas aisladas como comunidades rurales y litoral costero. La tecnología predominante, diseñada para el abasto descentralizado de agua a estas zonas, data de cuando existía el CAME, se energiza por lo general con combustibles caros y escasos derivados del petróleo: gasolina o diesel, carece de piezas y agregados para su mantenimiento y reparación, por lo que se ha hecho obsoleta e ineficiente. Cuba posee escasos recursos financieros para hacerle frente a los altos precios de los combustibles, así como a la compra de piezas y agregados de repuesto para el mantenimiento, reparación y reposición de la tecnología; y a veces teniendo los recursos financieros, ya no existe en el mercado la tecnología que se está usando.
La obsolescencia de la tecnología, conjuntamente con la alteración del ciclo hidrológico del agua, han reducido y hecho insegura la cobertura de agua potable para las zonas aisladas ya mencionadas, poniendo en peligro la salud humana a causa de las enfermedades de origen hídrico; han afectado drásticamente actividades económicas fundamentales como la agricultura y la ganadería, además de la producción de alimentos.
la población que vive sin agua potable y sin red de saneamiento de aguas residuales” (Informe de la Cumbre Mundial sobre el Desarrollo Sostenible, 2002).
Los procesos de Investigación – Desarrollo – Innovación Tecnológica (I+D+i) endógenos y la industria nacional no satisfacen en su totalidad las necesidades que demanda el nuevo paradigma tecnológico, por lo que se hace necesario recurrir a la transferencia de tecnologías desde el extranjero.
La resolución 13/98 del CITMA sobre la transferencia de tecnologías ("Requisitos básicos para la fundamentación, evaluación y dictamen de la transferencia de tecnología, asociada con los proyectos de inversión nominales propuestos en los estudios de factibilidad.," 1998), regula metodológicamente la realización de los estudios previos de factibilidad. Dentro de estos se encuentra la evaluación de las tecnologías para lograr una transferencia exitosa.
La tecnología para el abasto descentralizado de agua a zonas aisladas: comunidades rurales y litoral costero, que existe hoy en el mercado internacional y que cumple con los requisitos del nuevo paradigma tecnológico, está constituida por sistemas de bombeo y purificación energizados con Fuentes Renovables de Energía, fundamentalmente, Solar y Eólica: fuentes con grandes potenciales en Cuba. Esta tecnología es también una solución excelente para asistir a los sistemas centralizados en casos de zonas de la gran ciudad y periferia de esta aun sin cobertura de agua potable, fallas por catástrofes naturales: sequía, después de ciclones o huracanes, por desperfectos de los acueductos: salideros que empeoran la calidad del agua, donde se puede mezclar el agua potable con albañales, que le incorporan a esta microorganismos patógenos dañinos a la salud humana.
Fuentes Renovables de Energía que se importa desde el extranjero, generalmente diseñada y desarrollada en otro contexto, distinto al cubano, se desconocen aspectos importantes como su productividad, rendimiento energético, si está apta para funcionar de forma confiable bajo las condiciones climáticas de Cuba: regímenes de precipitaciones, viento, temperatura, humedad relativa, fenómenos atmosféricos adversos: ciclones y tormentas tropicales. Es necesario conocer su resistencia a los fenómenos de corrosión en los diferentes ambientes de trabajo y sobre todo, si garantiza la potabilidad del agua.
De todo lo anterior se plantea lo siguiente:
Problema:
Es necesaria la evaluación del sistema de destilación solar de agua RSD F8 – 250, atendiendo tanto a su comportamiento en la potabilización del agua, como a su rendimiento energético y exergético, para valorar su posible transferencia tecnológica al país.
Hipótesis:
Si se realiza la evaluación técnico – económica y medio ambiental del sistema de destilación solar de agua RSD F8 – 250, se podrán comparar los indicadores de calidad del agua con relación a las normas establecidas para agua potable, así como obtener la productividad del sistema y su rendimiento energético y exergético, lo que permitirá valorar la posibilidad del proceso de transferencia tecnológica a las condiciones cubanas.
Objetivo general:
Evaluar el sistema de destilación solar de agua RSD F8 – 250, utilizando las metodologías existentes en la literatura, para considerar el proceso de transferencia tecnológica a las condiciones cubanas.
Objetivos específicos:
1. Realizar el estudio bibliográfico sobre el tema de las tecnologías potabilizadoras de agua con Fuentes Renovables de Energía.
2. Diseñar la experimentación para la ejecución del muestreo en las diferentes etapas investigativas.
3. Caracterizar el agua cruda, destilada y residual.
4. Calcular la productividad del RSD F8 – 250.
5. Analizar el comportamiento energético y exergético del sistema.
6. Verificar su resistencia a la corrosión en los diferentes ambientes de trabajo.
Métodos de investigación:
En la investigación que se presenta, se emplea fundamentalmente el método hipotético – deductivo, combinado con los métodos empíricos de observación y medición de las características del sistema RSD F8 – 250, durante las pruebas de este en condiciones reales de explotación, para verificar y validar los resultados obtenidos.
Aporte teórico:
Se comprueba la aplicabilidad de los principios o leyes de la ciencia Transferencia de Calor: Ley del Enfriamiento de Newton para la convección, Ley de Fourier para la conducción y las ecuaciones deducidas por Nusselt, Prandtl y Rohsenow, para la transferencia de calor durante la condensación, en el cálculo teórico de la productividad superficial promedio de agua destilada del RSD F8 – 250. Este cálculo, conjuntamente con el análisis termodinámico aplicado a la evaluación de la eficiencia energética y exergética, es una propuesta de metodologías para el diseño y evaluación de este tipo de sistemas.
Aporte práctico:
CAPITULO I: Análisis de la Literatura.
1.1. Sistemas de obtención de agua potable.
Las impurezas suspendidas y disueltas en el agua natural impiden que ésta sea adecuada para numerosos fines. El agua potable es la que no ofrece peligro para la salud humana cuando se usa para beber, cocinar alimentos, aseo personal y otras actividades que impliquen el contacto directo con la misma. El agua para ser potable en Cuba debe cumplir con requisitos de calidad que se establecen en la norma cubana (NC-93-02, 1985). La misma divide estos requisitos en características físicas (turbidez, olor, sabor y color), químicas y bacteriológicas.
Para hacer el agua natural potable, el hombre emplea tecnologías, las cuales selecciona atendiendo a criterios técnico – económicos y otros, tales como: productividad, eficiencia energética, fuente de energía que utiliza, vida útil, disponibilidad de piezas de repuesto, calidad del agua a tratar, precio de la tecnología en el mercado, costos de explotación, mantenimiento y reparación (Galvis A., 1998), (Galvis A., 2000), (CEPIS, 2002).
Atendiendo al principio de lograr la máxima productividad, asegurar la calidad y mínimo costo en el suministro de agua potable, las tecnologías se pueden clasificar en dos grupos:
1. Tecnologías para el abasto centralizado a gran escala: soluciones para los grandes asentamientos poblacionales que comprenden grandes plantas potabilizadoras, estaciones de bombeo y redes de acueductos y alcantarillados. La energía para los procesos se provee de sistemas centralizados y es fundamentalmente eléctrica, cuya base son los combustibles convencionales o fósiles y en menor grado fuentes renovables de energía (en Cuba, la hidráulica, biomasa cañera y ahora también la eólica).
donde se pueden mezclar el agua potable con albañales que le incorporan a esta microorganismos patógenos dañinos a la salud humana.
La calidad del agua a tratar condiciona el principio de purificación y determina la tecnología a emplear. Dentro de las impurezas indeseables están los materiales orgánicos e inorgánicos en forma de sólidos en suspensión; para su eliminación se emplean métodos de criba y sedimentación. Los olores y sabores desagradables se tratan con carbón activado o ventilación. También por este método se eliminan los desechos industriales volátiles, mientras que la dureza suele reducirse por la adición de hidróxido de calcio de conjunto con sulfato de aluminio. Los microorganismos patógenos se eliminan por cloración, ebullición, irradiación o ultra filtración ("Microsoft ® Encarta ®." 2007), (Santiago, 1997).
Para satisfacer las crecientes demandas de agua dulce a bajo costo, especialmente en las áreas desérticas y semidesérticas, se han desarrollado tecnologías para eliminar la sal del agua del mar y de las aguas salobres. Tres de los procesos incluyen la evaporación seguida de la condensación del vapor resultante, y se conocen como: Evaporación de Múltiple Efecto, Destilación por Compresión de Vapor, Evaporación Súbita ("Microsoft ® Encarta ®." 2007), (GEOHABITAD, 2007).
La Congelación es un método alternativo que se basa en los diferentes puntos de congelación del agua dulce y del agua salada. Los cristales de hielo se separan del agua salobre, se lavan para extraerles la sal y se derriten, convirtiéndose en agua dulce. En otro proceso, llamado Ósmosis Inversa, se emplea presión para hacer pasar el agua a través de una fina membrana que impide el paso de minerales. La Electrodiálisis se utiliza para desalinizar aguas salobres. Cuando la sal se disuelve en agua, se separa en iones positivos y negativos, que se extraen pasando una corriente eléctrica a través de membranas aniónicas y catiónicas ("Microsoft ® Encarta ®." 2007), (GEOHABITAD, 2007)
La Evaporación Súbita es el método más utilizado para desalinizar el agua. El agua de mar se calienta y después se bombea a un tanque de baja presión, donde se evapora parcialmente. A continuación el vapor de agua se condensa y se extrae como agua pura. El proceso se repite varias veces. El líquido restante, llamado salmuera, contiene una gran cantidad de sal, y a menudo se extrae y se procesa para obtener minerales ("Microsoft ® Encarta ®." 2007).
Tecnologías para la purificación del agua con energía solar.
térmicos o fotoeléctricos ("Microsoft ® Encarta ®." 2007). A continuación se presentan algunas de estas tecnologías, con el propósito de dar una visión del estado actual de la técnica o estado del arte, sin pretender ser exhaustivos en el tema.
Desinfección del agua con luz ultravioleta ("Información de la Luz Ultravioleta," 2005), ("Lámparas
UV y Germicidas," 2007), (Wright H. B., 2007), (Rosendahl, 2006).
Los sistemas de desinfección del agua mediante UVC (ultravioleta de onda corta), garantizan la eliminación casi absoluta de agentes patógenos. Para lograrlo, a través de este procedimiento físico, es necesario que los procesos previos del agua eliminen de forma eficaz cualquier turbiedad de la misma, ya que la luz ultravioleta debe atravesar el volumen de agua a tratar perfectamente. Un proceso previo (no es el único) podría ser: eliminación de sólidos por decantación – sedimentación, filtrado con arena, filtrado con carbón activado y eliminación de la dureza del agua.
La desinfección UVC se basa en la "radiación" o "iluminación" del volumen de agua con una o más lámparas de silicio – cuarzo, con longitudes de onda de 200 a 280 nanómetros. La UVC destruye las cadenas del ADN de los microorganismos, lo que impide la síntesis de proteínas y replicación de los mismos, ocasionando su muerte.
En Cuba, las primeras investigaciones y aplicaciones de este método se realizan en el Centro de Estudios de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER). Se reporta que la desinfección del agua con luz ultravioleta es un tratamiento físico, sin necesidad de ningún producto químico peligroso. No cambia las propiedades del agua tratada. No ejerce peligro o efectos negativos sobre el agua en caso de sobredosis de luz. Es un método simple y barato en el mantenimiento de las instalaciones, aplicable a las ya existentes. Se utiliza para aguas destinadas a diferentes usos: consumo humano, industria alimenticia, procesos industriales, laboratorios, agricultura y otros.
En noviembre del 2005 se introduce en el CITA, por el dueño de la firma RSD Rosendahl System GmBH, Wilfried Rosendahl, el sistema de luz ultravioleta compuesto por: irradiador UVC y generador fotovoltaico para la conversión de la energía solar en energía eléctrica, necesaria para el irradiador. Esta tecnología se emplea directamente en tanques, preferiblemente en aguas de pozo cristalinas (anexo 1, fig. 1.1 y 1.2).
energía eléctrica para los procesos de purificación proviene de un sistema solar fotovoltaico incorporado (anexo 1, fig. 1.3 y 1.4).
La Tecnología TRUNZ, ("Tecnología de Tratamiento de Agua TRUNZ," 2007).
Otra de las tecnologías que transforman la energía solar y eólica en energía eléctrica para la purificación de aguas es la TRUNZ WATER SYSTEM, fabricada en Suiza por la empresa Trunz Fahrzeugtechnik AG (anexo 1, fig. 1.5 y 1.6).
Se utiliza para el acondicionamiento de agua potable (producción diaria de hasta 20 000 L a partir de agua sucia, y de 4 000 a 7 000 L a partir de agua salada) y generación de electricidad con energía solar y eólica. Durante la purificación del agua combina la filtración multietapa (gruesa, ultrafiltración con membrana y carbón activado para conseguir máxima pureza bacteriológica) con la ósmosis inversa para la desalinización del agua.
1.1.1. Destiladores solares.
A principios del siglo IV antes de nuestra era, Aristóteles describe el método de evaporación del agua impura con su consiguiente condensación para convertirla en potable. Históricamente, el primer trabajo documentado sobre la destilación solar de agua fue reportado por alquimistas árabes en el siglo XVI, en el año 1551. En 1589, Della Porta describe un sistema de destilación de agua con energía solar y en 1862, Lavoisier experimenta estas técnicas mediante el uso de grandes lentes que concentran la radiación solar. La primera planta de destiladores solares se creó en el desierto de Atacama al norte de Chile, a mediados del siglo XIX por el ingeniero sueco Carlos Wilson, (Velar de Zepeda, 1998), (Tiwari G., 2003). Nuevas experiencias de finales del siglo XX comentan acerca de fiables plantas de bajo costo y de reducido mantenimiento, pero que no satisfacen las expectativas de la comunidad ya que son de baja productividad (1 – 4 L/día/m2), unido a que se necesitan grandes extensiones de destiladores (Blanco J., 1996), (GEOHABITAD, 2007).
relativamente altas (60 – 70 ºC) se remueven las partículas indeseables y las sales disueltas, y se desinfecta el agua, eliminando los microorganismos patógenos (Márquez, 2006), (Meierhofer R., 2003).
Los destiladores solares convencionales, constituidos por una bandeja térmicamente aislada en su base y laterales que contiene agua en su interior, y cubierta de vidrio bajo la que se produce el condensado y deslizamiento de este hacia canales colectores, constituyen los dispositivos más difundidos en todo el mundo. Los diseños de estos dispositivos han tenido muy pocas modificaciones en los últimos dos siglos. Tienen una producción de aproximadamente 4 L/día/m2 durante el verano y menos de 1 L/día/m2 en el invierno (Hermosillo J., 1995).
El "destilador de caseta" (fig. 1.7) consiste en los elementos siguientes (Hermosillo J., 1995), (Álvarez, 2001):
Fig. 1.7. Sección transversal del “destilador de caseta”.
1. Colector solar.
Tiene la función de captar la energía solar. Este consiste en una bandeja poco profunda de superficie relativamente grande, de color negro en su cara superior, que se coloca de forma horizontal. Dentro de esta el agua cruda ó destilando (alrededor de 2 a 3 cm de profundidad) se calienta directamente por contacto con el fondo de color negro. Se requiere un aislante térmico en las partes adecuadas, para evitar las pérdidas de calor. El material del que se construya la bandeja colectora debe ser resistente a la corrosión, aumentada precisamente por la presencia de las sales que se desean remover y las relativamente altas temperaturas del proceso.
Es la región en la que se lleva a cabo la evaporación del agua. En el destilador de caseta, el evaporador es la misma bandeja con agua que funge como colector. La superficie superior del agua en contacto con el aire (el espejo de agua) es el evaporador. Con el fin de que el agua logre temperaturas relativamente altas (60 – 70 °C), es necesario que la profundidad del agua sea pequeña, tanto como sea posible. Las altas temperaturas favorecen el proceso de evaporación al aumentar exponencialmente la presión de vapor del agua. Por otra parte, la eliminación de microorganismos requiere también de temperaturas altas. En los destiladores de caseta es posible evaporar alrededor de 0.5 cm de profundidad de agua en un día. Debido a esto, no es recomendable que la profundidad sea menor que esta distancia, para evitar que se seque el evaporador.
3. Cámara de aire.
Sobre el evaporador existe una región con aire que separa a éste del condensador. La función del evaporador es transferir agua al aire para saturarlo. La única función del aire es servir como medio de transporte para las moléculas de agua que viajan del evaporador al condensador. Los destiladores solares pequeños utilizan como medio para este "viaje" la difusión molecular. Para el proceso de difusión molecular, la distancia es un elemento de resistencia al transporte de las moléculas. Por tanto, la distancia que separa el evaporador del condensador debe ser tan pequeña como sea prácticamente posible.
4. Condensador.
horizontal, el agua condensada puede gotear hacia el evaporador, disminuyendo con ello la eficiencia del destilador; por otro lado, si el condensador está muy inclinado, la separación entre evaporador y condensador puede aumentarse inconvenientemente, porque se desfavorece el proceso de difusión molecular.
5. Elementos para la colección del condensado.
El agua destilada (destilado), que escurre a lo largo de la cubierta del condensador, debe ser recolectada de forma que no se contamine y no se vuelva a evaporar. Para ello se utilizan pequeños canales casi horizontales, colocados en la parte baja del condensador, pero protegidos adecuadamente contra la posibilidad de se mezcle con el agua impura. Estos canales colectores se conectan con tuberías que conducen el agua destilada al punto deseado, que suele ser un almacén relativamente cercano en forma tanques ó bidones.
Los materiales que se utilizan para la construcción de los elementos que conducen el destilado tienen que cumplir requisitos especiales. El agua destilada es por sí misma, inodora e insípida, sin embargo, tiene gran afinidad por los sabores y olores extraños. La mayoría de los metales, los plásticos y los materiales cerámicos, transfieren al agua destilada un sabor característico. Los únicos materiales que no alteran el sabor del destilado son: el vidrio, el acero inoxidable y algunos plásticos (silicón, acrílico, tereftalato de polietileno (PET)) cuando están completamente curados.
La destilación solar es un eficaz y útil método para la purificación de aguas de diferentes fuentes naturales (ríos, presas, pozos y de mar), con el propósito de hacerlas potables o utilizarlas con diferentes fines: industria farmacéutica y biotecnológica, cosmética, alimenticia, recargue de baterías eléctricas, y otros. Utilizándose en mayor medida en lugares aislados y costeros como sistema descentralizado familiar, mejora la calidad de vida de las personas beneficiadas.
Entre las ventajas de los destiladores solares se puede resaltar su fácil montaje, el tener una vida útil prolongada, con mínimos costos de mantenimiento y ser de fácil fabricación con materiales que abundan en el mercado y no contaminan el agua que producen.
1.2. Caracterización hidrogeológica de las aguas.
• Clasificación por su composición química.
Se basa en el principio de división por los iones predominantes y relación entre ellos. Comprende todas las aguas naturales con mineralización hasta 50 g/kg; el contenido de los iones principales se expresa en miligramos equivalentes por litro (mgeq/L).
Según O. A. Aliokin (Fernández, 1999), todas las aguas se dividen por el anión predominante en tres grandes clases:
1. Hidrocarbonatadas y carbonatadas (HCO3- + CO32-). 2. Sulfatadas (SO42-).
3. Clóricas (Cl-).
La clase de aguas hidrocarbonatadas y carbonatadas (HCO3- + CO32-), agrupa las aguas de ríos, poco mineralizadas, gran parte de las aguas subterráneas, de lagos dulces y algunos lagos con aguas algo mineralizadas. La clase clórica (Cl-), agrupa las aguas mineralizadas de los mares, aguas de lagos relícticos y aguas subterráneas de zonas salinizadas, desiertos y semidesiertos. La clase de aguas sulfatadas (SO42-), por su distribución y mineralización, ocupa un lugar intermedio entre las hidrocarbonatadas y clóricas.
Cada clase se subdivide en tres grupos por uno de los cationes predominantes: Ca2+, Mg2+, Na+; y cada grupo formado, se divide a su vez en tres tipos por la relación entre los miligramos equivalentes de los iones; en total se determinan 4 tipos:
1. Si se cumple la relación: HCO3- > (Ca2+ + Mg2+), entonces las aguas son débilmente mineralizadas.
2. Si se cumple la relación: HCO3-< (Ca2+ + Mg2+) < (HCO3- + SO42-), entonces se puede estar en presencia de aguas subterráneas, aguas de ríos y lagos de poca y mediana mineralización.
3. Si se cumple la relación: (HCO3- + SO42-) < (Ca2+ + Mg2+), entonces se puede estar en presencia de aguas fuertemente mineralizadas, mezcladas y metamorfizadas (aguas de mares y océanos, y de depósitos relícticos).
• Clasificación por el grado de contaminación salina según Simpson (Fernández, 1999).
Se puede conocer aproximadamente el grado de salinización presente en las aguas subterráneas y superficiales con relación al agua de mar. Para la determinación de este parámetro se utilizan: la relación iónica de Simpson (ecuación 1.1), donde la concentración de iones se expresa en mgeq/L, y los datos de la tabla 1.1.
;
3 2
3
− −
− + =
HCO CO
Cl
CS (1.1).
Tabla 1.1. Contaminación salina según Simpson
(Fernández, 1999).
Valores de CS. Denominación de las aguas. < 0,5 Agua normal.
[0,5; 1,8[ Agua ligeramente contaminada. [1,8; 2,8[ Agua moderadamente contaminada. [2,8; 6,6[ Agua bastante contaminada.
[6,6; 15,5[ Agua altamente contaminada. > 15,5 Agua de mar.
• Clasificación por la mineralización de las aguas según O.A. Aliokin (Fernández, 1999).
La mineralización (M) se calcula según la ecuación 1.2, sumando las concentraciones de los aniones (A) y cationes (C) expresadas en miligramos por litro (mg/L), y dividiendo entre 1000 para expresar el resultado en gramos por litro (g/L). El tipo de agua se determina según la tabla 1.2.
] / [ ; 1000
) (
L g C A
M =
∑
+ (1.2).]... / [ ; 1000
)
( 32 3 42 2 3 2 2 4
L g NH Na
Mg Ca
NO NO
SO Cl HCO CO
M
∑
+ +
+ +
− −
− −
−
− + + + + + + + + +
Tabla 1.2. Mineralización de las aguas según O.A. Aliokin (Fernández,
1999).
Mineralización en g/L. Denominación de las aguas. < 1 Aguas dulces.
[1; 3[ Aguas poco salinizadas. [3; 10[ Aguas saladas.
[10; 50[ Muy saladas. > 50 Rasoles
• Clasificación según el pH (Fernández, 1999).
La concentración de iones hidrógeno [H+] en el agua, se define en forma logarítmica con signo negativo y se representa con el símbolo pH (poder del hidrógeno), el cual determina el grado de acidez en la misma.
pH = - log [H+], (1.3) Por el valor del pH, la clasificación más usual del agua es la propuesta por E.B. Pasoxov (tabla 1.3), (Fernández, 1999).
Tabla 1.3. Clasificación de las aguas según el pH por E.B. Pasoxov
(Fernández, 1999).
Valor del pH. Denominación de las aguas. < 3 Muy ácidas.
[3; 5[ Ácidas.
[5; 6,5[ Débilmente ácidas. [6,5; 7,5[ Neutras.
[7,5; 8,5[ Débilmente básicas. [8,5; 9,5[ Básicas.
>9,5 Muy básicas.
• Clasificación de las aguas por su dureza total según O.A. Aliokin (Fernández, 1999).
;
2 2+ + +
=Ca Mg
l
DurezaTota [mgeq/L]. (1.4) Donde: 1 mgeq/L = 20,04 mg/L de Ca = 12,16 mg/L de Mg.
La clasificación se realiza según la tabla 1.4.
Tabla 1.4. Clasificación de las aguas por su dureza total según O.A. Aliokin (Fernández, 1999).
Dureza (mgeq/L). Denominación de las aguas. < 1,5 Muy blandas.
[1,5; 3,0[ Blandas. [3,0; 6,0[ Algo duras. [6,0; 9,0[ Duras.
> 9,0 Muy duras.
Resulta importante tener caracterizadas las aguas teniendo en cuenta los criterios valorados, debido a que a partir de los mismos se evalúa la eficacia del proceso de destilación en el sistema bajo estudio, asumiendo como criterio del fabricante que tiene capacidad para tratar todo tipo de agua, aspecto este que se verifica en el trabajo.
1.3. Mecanismos y leyes que rigen el funcionamiento de los destiladores solares.
Los destiladores solares deben su nombre al proceso y tipo de energía que emplean para separar las sustancias de una mezcla, en este caso, agua impura a través de la destilación con energía solar.
La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólido en liquido o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias, ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varia en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión ("Wikipedia," 2010).
la presión atmosférica. Por otro lado la evaporación es también el cambio de estado de líquido a vapor, pero que ocurre a cualquier temperatura por debajo de la temperatura crítica del líquido, a presión menor que la del vapor saturado para la temperatura dada, solo en la superficie libre del líquido: las moléculas con mayor energía cinética logran vencer la tensión superficial, se separan de la superficie convirtiéndose en vapor. La evaporación se intensifica con el aumento de la temperatura del líquido (medida de la energía cinética promedio del movimiento browniano de sus moléculas), del área de la superficie libre del líquido y de la velocidad del viento. En un destilador solar las dos primeras interdependencias se usan como principios de diseño de estos aparatos: un destilador de caseta, como se explicó anteriormente, es un recinto cerrado de dimensiones largo y ancho mucho mayores que el alto del mismo, que contiene un recipiente de color negro mate (cuerpo negro) con las mismas características dimensionales para evaporar el agua impura (a mayor área de la superficie libre del líquido mayor será la evaporación); para aumentar la temperatura en el interior del destilador este se cierra generalmente con una cubierta de vidrio, este material permite el paso de la luz solar (componente de la radiación electromagnética de onda corta portadora de gran cantidad de energía) que es absorbida por los cuerpos en el interior del destilador, principalmente por el cuerpo negro, calentándolos, convirtiéndose los mismos en radiadores de calor (radiación electromagnética de onda larga, radiación infrarroja) que queda atrapado en el interior del destilador, debido a que el vidrio refleja este tipo de ondas. Es por eso que al vidrio se le dice técnicamente, que es un material traslúcido a la radiación electromagnética de onda corta y opaco a la radiación electromagnética de onda larga, radiación infrarroja. Para lograr que el destilador se convierta en una verdadera “trampa de calor”, su fondo y superficies laterales se aíslan térmicamente del medio ambiente, de esta forma se logra aumentar la temperatura en su interior e intensificar la evaporación del agua (a mayor temperatura del líquido mayor evaporación). El vapor de agua se condensa (cambia de estado vapor a líquido) en la superficie interior de la cubierta de vidrio por estar este a una temperatura menor, obteniéndose así agua destilada libre de impurezas como sólidos en suspensión y sales disueltas. Los microorganismos patógenos mueren por la acción combinada de la componente ultravioleta de la luz solar (en menor grado) y por la exposición prolongada a relativamente altas temperaturas (en mayor grado).
transferencia de calor, energía proveniente de la radiación solar; químicas, relacionadas con la solubilidad de las sustancias de la mezcla agua impura; y biológicas, relacionadas con el hábitat de microorganismos patógenos que se desarrollan en el agua y el efecto del consumo de agua destilada sobre la salud humana. El conocimiento de los mismos tiene doble importancia: saber la productividad específica (cantidad de agua destilada que se puede obtener en una unidad de tiempo en un metro cuadrado de superficie colectora, L/día/m2), asociada a la eficiencia energética del destilador (mientras mayor sea la productividad específica del destilador, mayor será su eficiencia), y la calidad del agua destilada (propiedades físico – químicas y bacteriológicas) para su uso como agua potable.
Predecir la productividad específica de un destilador de forma generalizada, a través de la modelación matemática, basada en las leyes de la termodinámica y la transferencia de calor (ecuaciones de balance de masa y energía) es un proceso complejo, debido a que estos sistemas funcionan en régimen no estacionario: los campos de temperaturas son variables en el tiempo y tienen carácter probabilístico, condicionado por la variabilidad aleatoria de la radiación solar, afectada por fenómenos atmosféricos del mismo carácter como la nubosidad y las precipitaciones. También es una dificultad la diversidad de diseños, siempre habría que adecuar estas ecuaciones a un diseño concreto. Para resolver este problema en la práctica se construyen modelos de destiladores y se someten a ensayos/pruebas (experimentos) para construir sus curvas características; a través de aproximaciones susecivas se logran aparatos de alta eficiencia y relativo bajo costo.
Se han realizado varios trabajos de investigación referentes a la modelación y estudio de la productividad del destilador convencional de poceta (caseta) como el mostrado en la figura 1.7 (Tiwari G., 2003); entre ellos se pueden citar: simulación asistida por computadora (Cooper, 1969); aplicación de circuitos térmicos y diagramas de sankey (Frick, 1970), análisis transiente periódico (Cooper, 1970; Nayak et al., 1980; Sodha et al., 1980; Tiwari y Bapeswar Rao, 1983; El – Sayed, 1983; Tiwari y Madhuri, 1987), métodos iterativos (de aproximaciones sucesivas) (Toure y Meukam, 1997), métodos numéricos (Lof et al., 1961; Sartori, 1987; Sharma y Mullick, 1991).
En la mayoría de estos trabajos, las ecuaciones fundamentales de transferencia de calor y masa, ya habían sido propuestas por Dunkle en el 1961 (Tiwari G., 2003).
temperatura del agua en el evaporador y a la temperatura de la superficie interior de la cubierta de vidrio, respectivamente, multiplicado por el coeficiente de transferencia de calor por convección desde la superficie libre del agua (espejo de agua) hacia la superficie interior de la cubierta de vidrio.
Este coeficiente se encuentra a partir de relaciones entre los grupos adimensionales Nu (número de Nusselt), Pr (número de Prandtl) y Gr (número de Grashof), con la conductividad térmica del vidrio y la magnitud característica d, que corresponde a la distancia promedio entre la superficie del líquido y la superficie interna de la cubierta de vidrio (condensador). Correlaciones importantes, según los
materiales, forma geométrica y dimensiones del destilador se encuentran a partir de resultados experimentales.
Por otro lado, la determinación del flujo másico horario de agua destilada (productividad específica) se estima utilizando correlaciones donde también participan los mencionados grupos adimensionales, a partir de la división del calor horario transferido por metro cuadrado durante la evaporación, entre el calor de vaporización (calor latente) del agua.
Es objetivo de este trabajo obtener las relaciones para el equipo en estudio.
1.4. Eficiencia energética y exergética de los destiladores solares.
La eficiencia o rendimiento energético de un sistema (ηE) es la razón entre el beneficio obtenido y lo que se ha puesto en juego para obtenerlo en términos de energía. Se calcula dividiendo la energía de salida entre la de entrada, pudiéndose expresar en por ciento (Lapido M., 2006).
Por otro lado, la eficiencia o rendimiento exergético (ηB) mide el grado de perfección termodinámica de un sistema y se define como la razón entre el beneficio y el gasto exergético. También se expresa en por ciento (Lapido M., 2006).
El cálculo de la eficiencia se emplea, concretamente, en los casos en que se desea evaluar un equipo, comparar un modelo con otro, diseñar un nuevo modelo, o también cuando antes de realizar una instalación sea necesario efectuar un estimado teórico del comportamiento esperado.
La eficiencia térmica (eficiencia energética) de un destilador solar se define como el cociente entre el calor transferido del evaporador al condensador por el mecanismo de evaporación-condensación, dividido entre la irradiación durante el período en cuestión. (Hermosillo J., 1995).
%; 100
× ⋅ ∆ ⋅ =
A H
H m
s vap d
η (1.5).
Donde:
[ ]
kg −md es la masa de destilado obtenida en un día.
− =
∆
kg kJ
Hvap 2300 es el calor de vaporización del agua.
−
2
m kJ
Hs es la irradiación correspondiente en un día.
[ ]
2 − mA es el área del colector (evaporador).
Teórica y experimentalmente se ha demostrado que los destiladores de caseta tienen una eficiencia porcentual máxima del orden de 30 a 35%. En general, como una primera aproximación, de la ecuación anterior es posible estimar la productividad que un destilador puede tener en un lugar determinado. La productividad típica de los destiladores solares de caseta (y de casi todos) es del orden de 3 a 5 L/día/m2. Esta depende no sólo del diseño del destilador, sino también de muchos factores atmosféricos, siendo los principales: la magnitud de la irradiación solar, la temperatura ambiente y la velocidad de los vientos.
La eficiencia instantánea de un destilador es directamente proporcional a la transferencia de calor horariapor metro cuadrado durante la evaporación, o sea, a la diferencia de temperaturas promedio del agua en el evaporador y de la cubierta de vidrio, multiplicada por el coeficiente de transferencia de calor por convección (Tiwari G., 2003). Dicho autor no brinda las relaciones para estimar el coeficiente de transferencia total ni la diferencia de temperatura, por lo que se necesita en el presente trabajo hacer las determinaciones pertinentes de forma experimental.
El cálculo de la eficiencia energética del destilador, conduce a obtener las curvas características de este tipo de sistema en términos de: factor de eficiencia (F′), absorbencia – transmitancia efectiva
eff
)
(α⋅τ ′ y del coeficiente general de transferencia de calor (UL), (Tiwari y Noor, 1996). El análisis de las ecuaciones expresa que UL debe ser máximo para lograr una máxima evaporación y por ende mayor productividad del destilador.
Con relación a la eficiencia exergética del destilador solar, no se encuentra fuente bibliográfica alguna de estudios previos donde se determine la misma. Por eso en el trabajo se realiza el cálculo tanto de la eficiencia energética como exergética, para brindar un mayor criterio sobre la potencialidad del equipo en la potabilización de aguas en zonas de difícil acceso a escala familiar.
1.5. Requisitos de calidad para la transferencia tecnológica de un destilador solar.
En la literatura especializada (Oficina Nacional de Normalización (NC), 2008), no existe una norma que establezca los requisitos de calidad que debe cumplir un destilador solar como sistema para potabilizar agua. Ante tal problema se recurre a la norma ("NC-ISO 9000: 2005. Sistemas de Gestión de la Calidad — Fundamentos y Vocabulario," 2005), la cual define que los requisitos los anticipa el proveedor de la tecnología en forma de especificaciones técnicas, normas de producto (Rosendahl, 2006), y los fija o acepta el Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA), en calidad de cliente – evaluador de la tecnología, según las disposiciones o requisitos reglamentarios de la resolución 13/98 del CITMA sobre transferencia de tecnología ("Requisitos básicos para la fundamentación, evaluación y dictamen de la transferencia de tecnología, asociada con los proyectos de inversión nominales propuestos en los estudios de factibilidad.," 1998), teniendo en cuenta el nivel científico- técnico actual y las perspectivas en el plano nacional e internacional de la tecnología en cuestión. En este caso, además de lo anteriormente planteado, según los resultados de la revisión bibliográfica: (Álvarez, 2001), (Noisette, 2003), (Bermúdez J., 2003), (Fonseca S., 2005), (Ojinaga L., 2007), (Mello C., 2005), los requisitos de calidad que debe cumplir el sistema RSD F8 – 250, acordados entre proveedor y cliente, que deben ser verificados, son:
1. El agua destilada para ser potable, debe cumplir los requisitos físico – químicos y bacteriológicos de la norma cubana: NC 93-02: 1985. “Higiene Comunal. Agua Potable. Requisitos Sanitarios y Muestreo”.
2. La productividad superficial promedio (media) diaria de agua destilada debe ser mayor o igual que 4 L/día/m2 durante todo el año. Los valores mínimo y máximo de la productividad superficial diaria deben estar en el intervalo desde 2 hasta 8 L/día/m2.
3. El rendimiento o eficiencia energética promedio debe ser mayor o igual que 42,6 %
5. El sistema debe poseer autonomía en cuanto a fuente de energía para su accionamiento, la cual debe ser renovable.
6. Debe ser de fácil instalación, mantenimiento y reparación. 7. El grado de automatización debe ser alto.
8. La complejidad operacional debe ser baja.
9. El funcionamiento debe ser confiable, sin fallas frecuentes.
CAPITULO II: Materiales y Métodos.
2.1. Descripción del sistema de destilación solar de agua RSD F8 – 250.
El sistema (fig. 2.1), está compuesto por 4 unidades de destilación solar: colectores planos RSD F8-250 con evaporadores textiles, alimentados por un sistema automatizado de inyección de agua cruda, formado por: tanque elevado de 750 L con altura de carga igual a 3 m, tuberías de polietileno negro de 16 mm de diámetro interior y 16 m de longitud, sensor de radiación solar, panel de control, filtro y válvula solenoide. El sistema de destilación tiene incorporado una bomba para el reciclaje del agua residual y un panel fotovoltaico de 14 Wp de potencia para energizar por vía solar la bomba y el sistema automatizado de inyección de agua cruda.
Fig. 2.1. Foto de la instalación CITA: RSD F8 – 250. Mayo 2005.
grados (recomendado por el fabricante). Normalmente el valor de este ángulo, con el propósito de que los rayos solares incidan perpendicularmente sobre las cubiertas de vidrio el mayor tiempo posible del año, se hace igual a la latitud geográfica del lugar. La latitud geográfica de Camagüey es igual a 21 grados con 23 minutos. Un menor valor para este ángulo, recomendado por el fabricante, está dado por las particularidades de este tipo de destiladores (destiladores con evaporadores textiles), donde las velocidades de escurrimiento por gravedad del agua cruda a través del evaporador textil y la del agua destilada por la cubierta de vidrio dependen del mismo, e influyen en el rendimiento y eficacia del proceso de desinfección del agua.
A continuación, se describe el principio de funcionamiento (fig. 2.2) y se definen las características técnicas del RSD F8 – 250 (tabla 2.1).
Fig. 2.2. Sección transversal del RSD F8-250.
proporción óptima para alcanzar el máximo rendimiento durante la destilación es: 50% de agua destilada – 50% de agua residual. Esta proporción, también asegura la máxima vida útil del evaporador textil. Si el agua residual es escasa, las temperaturas en el interior del destilador podrían alcanzar valores superiores a los 90 ºC en dependencia de la radiación solar existente (hasta 120 – 125 ºC en el caso de que el evaporador se quede completamente seco), esto traería como consecuencia un deterioro prematuro del evaporador durante la desalinización del agua de mar: incrustaciones salinas que se traducirían en un bajo rendimiento y deterioro acelerado del evaporador. Si por el contrario, el residual se encuentra en exceso, entonces también su efecto se traduciría en un bajo rendimiento por evacuación del calor interno del destilador. El fondo del destilador se encuentra aislado térmicamente del medio con lana de vidrio para evitar la fuga del calor a través de este y establecer la cubierta de vidrio como vía fundamental necesaria para el intercambio de calor entre el interior del destilador y el medio ambiente.
Tabla 2.1. Características técnicas del RSD F8 – 250. (Rosendahl, 2006).
Largo del colector 2520 mm.
Ancho: 1050 mm
Altura 80 mm
Nivelación: 218 mm (12º)
Peso: 90 kg
Productividad diaria 1: 5 – 20 L/día (2 – 8 L/día/m2) Calidad del agua destilada:
Conductividad eléctrica: < 10 μS
Bacteriología: Libre de bacterias patógenas Tanque para el agua destilada ²: 45 L
Tanque para el agua no tratada ²: 45 L
Panel solar: 12V, 14 Wp (opcional)
Fuente de energía eléctrica: 230 V~/14 V = / 1 A (opcional) Batería recargable: 12V, 5 Ah
Regulador: Tipo 9090/C
2.2. Diseño de la experimentación:
2.2.1. Evaluación de las características del agua cruda, destilada y residual.
El análisis de calidad de las aguas en el laboratorio, tiene como objetivo fundamental validar el agua destilada para su uso como agua potable: verificar si las características físicas, químicas y bacteriológicas del agua destilada, que se produce con el RSD F8 – 250, cumplen los requisitos establecidos en la norma cubana (NC-93-02, 1985). También, con el propósito de saber cuan eficaz es el método en el tratamiento del agua cruda y cuando el agua residual está libre de microorganismos patógenos vivos, factor importante para la conservación: evitar que se desarrollen procesos de putrefacción, y aseguramiento de una vida útil prolongada del evaporador textil (manta de color negro), es que se realiza el análisis integral de la calidad de las aguas cruda, destilada y residual. El agua cruda a purificar se suministra desde fuentes superficiales, las presas Máximo y Cubano – Búlgara.
Durante los análisis físico-químicos se determinan las características físicas: conductividad eléctrica (C.E.), turbidez (T), color (C), y las características químicas: pH, sólidos totales disueltos (STD), carbonato (CO32-), hidrógeno carbonato (HCO3-), calcio (Ca2+), cloruro (Cl-), magnesio (Mg2+), sulfato (SO42-), sodio (Na+), amonio (NH4+), nitritos (NO2-) y nitratos (NO3-). En el estudio microbiológico se realiza el conteo de números más probables de coliformes totales y fecales.
Para los análisis físico-químicos, se toman 9 muestras al azar, en meses y horarios diferentes (tabla 2.2). Las muestras de agua cruda se toman desfasadas en una hora con relación a las de las aguas destilada y residual (tomando en cuenta el tiempo de duración de la destilación). Los análisis bacteriológicos del agua cruda se realizan solamente para las 7 primeras muestras (tabla 2.2). Para el agua destilada, se realizan 2 procesos diferentes de toma de muestras: 7 muestras al azar (tabla 2.2) y toma de muestras cada una hora, coincidentes en fecha con las muestras 5, 6 y 7 (tabla 2.2), con el propósito de verificar si a cualquier hora del día y en cualquier época del año, el agua destilada está libre de microorganismos patógenos.
Los análisis físico-químicos y bacteriológicos se realizan según la metodología: ("Standard Methods for Examinations of Water and Wastewater," SMWW. XX. Ed. 1998). En la tabla 2.3 se muestran los métodos utilizados en cada ensayo de laboratorio.
Tabla 2.2. Análisis físico-químicos y bacteriológicos: muestras.
Muestras: Fecha: Laboratorio de ensayos:
1 24/06/05 Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Camagüey. 2 12/07/05 Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Camagüey. 3 16/09/05 Centro de Hidrología y Calidad de las Aguas de Ciudad
de La Habana.
4 27/09/05 Centro de Hidrología y Calidad de las Aguas de Ciudad de La Habana.
5 02/12/05 Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Camagüey. 6 12/03/06 Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos-
UEB Camagüey.
7 02/04/06 Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos- UEB Camagüey.
8 20/07/06 Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos- UEB Camagüey.
Tabla 2.3. Métodos utilizados en los ensayos de laboratorio.
Ensayos: Métodos:
Conductividad Eléctrica : Electrométrico
Turbidez: Nefelométrico
Color: Colorimétrico
pH Electrométrico
Sólidos Totales Disueltos Electrométrico
Carbonato: Volumétrico
Hidrógeno carbonato: Volumétrico
Calcio: Volumétrico
Cloruro: Mohr (Argentométrico)
Magnesio: Volumétrico (EDTA)
Sulfato: Turbidimétrico
Sodio: Fotométrico
Amoníaco: Nessler
Nitritos: Colorimétrico NED
Nitratos: Colorimétrico (Brucina)
Coliformes totales: Fermentación por tubos múltiples (Número Más Probable)
Coliformes fecales: Fermentación por tubos múltiples (Número Más Probable)
2.2.2. Determinación de la productividad del RSD F8 – 250.
Los ensayos/pruebas, en condiciones reales de explotación, se realizan para verificar el cumplimiento de las siguientes leyes: Ley del Enfriamiento de Newton, Ley de Fourier y ecuaciones de Nusselt, Prandtl y Rohsenow, durante el cálculo de la productividad superficial promedio de agua destilada, y determinar la eficiencia energética y exergética del sistema, lo que constituye objetivos del presente trabajo.
El RSD F8 – 250 se somete a ensayos/ pruebas y mediciones, en condiciones reales de explotación, en la instalación CITA (fig. 2.1), desde el 30 de mayo del 2005 hasta el 21 de septiembre del 2006. Para determinar la productividad, eficiencia energética y exergética, así como, sus dependencias de las variables climáticas, se realizan las mediciones horarias de:
• Qad(mL/h) – caudal de agua destilada.
• Qar(mL/h) – caudal de agua residual.
,
ar ad
ac Q Q
Q = + (2.1).
• Ptot(W/m2) – irradiancia solar.
• Tamb.prom.(ºC) – temperatura ambiente promedio.
• Tref(ºC) – temperatura ambiente promedio refrescada por el viento (temperatura sensible).
• V (km/h) – velocidad del viento.
• Tad(ºC) – temperatura del agua destilada.
• Tar(ºC) – temperatura del agua residual.
• Tac(ºC) – temperatura del agua cruda.
• Tint.(ºC) - temperatura interna del destilador.
Para el balance de masa, durante el análisis termodinámico del sistema, se emplean los resultados de las mediciones de los caudales horarios de las aguas: destilada (Qad), residual (Qar) y cruda (Qac). Para el balance de energía y exergía se emplean: las temperaturas de las aguas destilada (Tad), residual (Tar) y cruda (Tac) (para las mismas se registra un sólo valor de la temperatura a la hora específica), la temperatura en el interior del destilador (Tint.) (se promedian dos valores: el
máximo y el mínimo durante la hora), la irradiancia solar (Ptot) (se promedian de forma automática por el instrumento 360 mediciones, realizadas cada 10 segundos). La temperatura ambiente promedio (Tamb.prom.), la temperatura ambiente promedio refrescada por el viento (Tref) y la velocidad del viento (V ), son variables medidas por la estación meteorológica ubicada en el área de pruebas
de los destiladores (se promedian para cada parámetro 12 mediciones, realizadas cada 5 minutos). Los valores máximos y mínimos de la temperatura ambiente se miden con un termómetro situado debajo del destilador, a la sombra que proyecta este durante el día. Se usa como medida de control del dato suministrado por la estación meteorológica (Tamb.prom.). Los valores de la entalpía y entropía del agua se determinan en función de los parámetros termodinámicos de estado: temperatura horaria y presión atmosférica (p = p0 = 101,325 kPa), según ("Water and Steam Properties (WASP) for Window. Version. 2.0.36,").
Los instrumentos de medición usados durante la investigación, se muestran a continuación: 1. Denominación: Probeta graduada.
Precisión: ± 0,005 L.
Valor de división de la escala ó resolución: 0,005 L.
Variables que se miden: volúmenes de las aguas: cruda, destilada y residual. 2. Denominación: Termómetro de agujeta.
Rango: desde -40 ºC hasta +200 ºC.
Precisión: ± 1 ºC desde -20 ºC hasta 100 ºC y ± 2 ºC para el resto del rango. Valor de división de la escala ó resolución: 0,1 ºC.
Variables que se miden: temperatura de las aguas cruda, destilada y residual, y valores máximos y mínimos de la temperatura interna del destilador y del medio ambiente.
3. Denominación: Estación meteorológica WS2300.
Rango: desde -29,9 ºC hasta 69,9 ºC (temperatura ambiente) y desde 0 km/h hasta 180 km/h (velocidad del viento).
Precisión: ± 0,1 ºC (temperatura ambiente) y ± 0,1 km/h (velocidad del viento).
Valor de división de la escala ó resolución: 0,1 ºC (temperatura ambiente) y 0,1 km/h (velocidad del viento).
Variables que se miden: temperatura ambiente, temperatura ambiente refrescada por el viento (temperatura sensible) y velocidad del viento.
4. Denominación: Medidor de irradiancia solar: SLM018c-3 MacSolar. Rango: desde 0 W/m2 hasta 1500 W/m2.
Precisión: ± 1 W/m2.
Valor de división de la escala ó resolución: 1 W/m2. Variable que se mide: irradiancia solar.
5. Reloj (con división de la escala ó resolución igual a 1 s) para medir el tiempo.
2.3. Evaluación de las características del agua cruda, destilada y residual. 2.3.1. Agua cruda.
Tabla 2.4. Resultados de los análisis físico-químicos del agua cruda.
Notas:
1) C.E. (µs/cm) – Conductividad eléctrica. Los valores de CMD y CMA en este caso, se refieren a los valores mínimo y máximo respectivamente, que puede tomar esta característica en dependencia del tipo de agua. Esta característica no se norma en la NC 93-02: 1985, se establece según (Fernández, 1999) como referencia para la caracterización del tipo de agua.
2) T (U) – Turbidez (escala sílice, NC 93-02: 1985).
3) C (U) – Color (escala platino – cobalto, NC 93-02: 1985). 4) STD (mg/L) –Sólidos totales disueltos.
5) CMD – Concentración máxima deseable según NC -93-02: 1985. 6) CMA – Concentración máxima admisible según NC -93-02: 1985.
7) [*] – Como indicadores de contaminación se considera: el amoníaco y nitrógeno orgánico a 0,5 mg/L y el nitrito a 0.01mg/L; concentraciones cercanas a los límites propuestos indican la posibilidad de contaminación orgánica, que sería comprobada por el análisis bacteriológico. 8) El pH es: deseable de 7 a 8 y máximo admisible de 6,5 a 8,5.
9) Máximos admisibles: ácido: de 6,5 a 7; básico: de 8 a 8,5.
Características: Muestras: Promedio: CMD: CMA:
1 2 3 4 5 6 7 8 9
C.E (µs/cm) 216 486 532 232 348 346 343 347 256 345 50 500 T (U) 1,38 2,70 2,60 4,01 4,82 2,80 2,66 3,00 5 10
C (U) 20 30 5 20 20 5 15 16 5 15
pH 7,71 8,23 7,62 7,73 7,96 8,10 8,13 8,13 7,67 7,92 7…8 6,5…8,5 STD (mg/L) 215 357 398 212 345 333 305 339 244 305 500 1000
CO32- (mg/L) 0 0 0 0 15 18 15 9 0 6 100 400
HCO3- (mg/L) 104 214 250 134 214 201 189 214 159 187 100 400
Ca2+ (mg/L) 24 26 38 20 32 36 24 56 20 31 75 200
Cl- (mg/L) 28 43 34 21 21 21 18 18 18 25 200 250
Mg2+ (mg/L) 14 31 33 14 22 24 26 10 17 21 30 150
SO42- (mg/L) 29 18 17 7 9 12 12 11 9 14 200 400
Na+ (mg/L) 16 21 19 16 32 21 21 21 21 21 50 200
NH4+ (mg/L) T 0,22 0,22 T 0,01 0,15 Ausente 0 [*]
NO2- (mg/L) 0,07 0,038 0,019 0,0251 0,01 T 0,03 0,01 T 0,03 Ausente 0 [*]
10) T – traza: significa que la característica se encuentra por debajo de la concentración máxima deseable (CMD). Se denota así, ya que con el instrumento no se puede medir con mayor exactitud el valor de la característica.
Tabla 2.4. Resultados de los análisis físico-químicos del agua cruda (continuación). Características
: [mgeq/L]
Muestras:
Promedio:
1 2 3 4 5 6 7 8 9
STD 6,1443 9,8877 10,8793 5,7807 9,5844 9,4185 8,6038 9,0749 6,6119 8,4633 CO32- 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,4980 0,5976 0,4980 0,2988 0,0000 0,2103
HCO3- 1,7056 3,5096 4,1000 2,1976 3,5096 3,2964 3,0996 3,5096 2,6076 3,0595
Ca2+ 1,1976 1,2974 1,8962 0,9980 1,5968 1,7964 1,1976 2,7944 0,9980 1,5303
Cl- 0,7896 1,2126 0,9588 0,5922 0,5922 0,5922 0,5076 0,5076 0,5076 0,6956
Mg2+ 1,1508 2,5482 2,7126 1,1508 1,8084 1,9728 2,1372 0,8220 1,3974 1,7445
SO42- 0,6032 0,3744 0,3536 0,1456 0,1872 0,2496 0,2496 0,2288 0,1872 0,2866
Na+ 0,6960 0,9135 0,8265 0,6960 1,3920 0,9135 0,9135 0,9135 0,9135 0,9087
NH4+ T 0,0122 0,0122 T 0,0006 0,0083
NO2- 0,0015 0,0008 0,0004 0,0005 0,0002 T 0,0007 0,0002 T 0,0006
NO3- T 0,0190 0,0190 T T T T T T 0,0190
Nota: STD se calcula sumando las concentraciones de todos los iones.
Se procede a la clasificación del agua cruda, atendiendo a su composición química según O.A. Aliokin:
Sustituyendo los valores promedios de la tabla 2.4 (continuación) en las expresiones anteriores (epígrafe 1.2) se obtiene que:
(HCO3- + CO32-) = (3,0595 + 0,2103) = 3,2698 mgeq/L. (SO42-) = 0,2866 mgeq/L.
(Cl-) = 0,6956 mgeq/L.
3,2698 > 0,6956 > 0,2866, por lo que:
El agua cruda pertenece a la clase de las aguas Hidrocarbonatadas y Carbonatadas. (Ca2+) = 1,5303 mgeq/L.
(Mg2+) = 1,7445 mgeq/L. (Na+) = 0,9087 mgeq/L.
1,7445 > 1,5303 > 0,9087, por lo que:
El agua cruda pertenece al grupo de las aguas Magnésicas. HCO3- > (Ca2+ + Mg2+),
HCO3-< (Ca2+ + Mg2+) < (HCO3- + SO42-),
3,0595 < (1,5303 + 1,7445) = 3,2748 < (3,0595 + 0,2866) = 3,3461, se cumple la condición por lo que:
El agua cruda puede ser un agua subterránea, de río o lago de poca mineralización. Es verdaderamente agua superficial de las presas Cubano – Búlgara y Máximo.
(HCO3- + SO42-) < (Ca2+ + Mg2+),
(3,0595 + 0,2866) = 3,3461 > (1,5303 + 1,7445) = 3,2748, no se cumple la condición por lo que: El agua cruda no es un agua fuertemente mineralizada, mezclada ni metamorfizada.
Como los iones HCO3- no están ausentes, entonces el agua cruda no es un agua ácida. Por lo que se concluye que:
El agua cruda es un agua hidrocarbonatada – carbonatada, magnésica, de fuentes superficiales: ríos y lagos (presas) de poca mineralización.
Se procede a la clasificación por el grado de contaminación salina según Simpson:
Sustituyendo los valores promedios de la tabla 2.4 (continuación) en la ecuación 1.1 (epígrafe 1.2) se obtiene que:
; 5 , 0 21 , 0 2127 , 0 0595 , 3 2103 , 0 6956 , 0 < ≈ = + =
CS por lo que según la tabla 1.1 (epígrafe 1.2):
El agua cruda es un agua normal.
Se procede a la clasificación por mineralización según O.A. Aliokin:
Sustituyendo los valores promedios de la tabla 2.4 en la ecuación 1.2 (epígrafe 1.2), se obtiene que:
. / 1 3 , 0 3064 , 0 1000 22 , 0 21 21 31 18 , 1 03 , 0 14 25 187 6 1000 )
( 32 3 42 2 3 2 2 4
L g NH Na Mg Ca NO NO SO Cl HCO CO M < ≈ = + + + + + + + + + = = + + + + + + + + + =
∑
+ + + + − − − − − −Según la tabla 1.2 (epígrafe 1.2) el agua cruda es un agua dulce.
Clasificación del agua cruda según el pH:
El pH promedio según la tabla 2.4 es igual a 7,92. Según la tabla 1.3 (epígrafe 1.2) este valor se encuentra en el intervalo [7,5; 8,5[; por lo que el agua cruda se considera débilmente básica.
Clasificación del agua cruda por su dureza total según O. A. Aliokin:
Según la tabla 1.4 (epígrafe 1.2), teniendo en cuenta que 3,0 < 3,27 < 6,0, el agua cruda es algo dura.
Los resultados de los análisis bacteriológicos de laboratorio del agua cruda se muestran en la tabla 2.5. Estos resultados son positivos: agua cruda infectada bacteriológicamente.
Tabla 2.5. Resultados de los análisis bacteriológicos del agua cruda.
Tipo de análisis: Muestras:
1 2 3 4 5 6 7
NMP de Coli-Totales/ 100 mL de H2O 700 62 240 840 240 230 700
NMP de Coli-Fecales/ 100 mL de H2O 700 62 700
2.3.2. Agua destilada.
En la tabla 2.6 (anexo 2) se muestran los resultados de los análisis físico – químicos de laboratorio, realizados a las 9 muestras (epígrafe 2.2.1, tabla 2.2) del agua destilada.
Aplicando la misma metodología anterior para la clasificación del agua cruda, según las características hidrogeológicas de origen del agua, aunque el agua destilada se obtiene como resultado del proceso de destilación solar en el F8 - 250: proceso artificial, no relacionado con el ciclo hidrológico, se puede tener una visión del efecto de transformación que sufre el agua cruda al convertirse en agua destilada dentro de este aparato.
Se obtiene que el agua destilada es:
• por su composición química: agua de la clase clórica, del grupo de las magnésicas, parecida
a las aguas del tipo fuertemente mineralizadas, mezcladas y metamorfizadas por la relación entre sus iones, pero con una marcada diferencia: fuerte reducción de las concentraciones de los iones con relación al agua cruda.
• por el grado de contaminación salina: agua ligeramente contaminada. • por su mineralización: continúa siendo agua dulce.
• según el pH: neutra (pH igual a 7,25). • por su dureza total: muy blanda.
Los resultados de los análisis bacteriológicos de laboratorio del agua destilada se muestran en las tablas 2.8 y 2.9 (anexo 2). Estos resultados son negativos: agua destilada libre de microorganismos patógenos.
2.3.3. Agua residual.
En la tabla 2.10 (anexo 2) se muestran los resultados de los análisis físico – químicos de laboratorio, realizados a las 9 muestras (epígrafe 2.2.1, tabla 2.2) del agua residual.
Aplicando la misma metodología anterior, que para las aguas cruda y destilada, se obtiene que el agua residual es:
• por su composición química: agua hidrocarbonatada – carbonatada, magnésica, igual que el
agua cruda, pero fuertemente mineralizada.
El agua residual pertenece a la clase de las aguas Hidrocarbonatadas y Carbonatadas. Se reduce débilmente la concentración de iones hidrocarbonatos y carbonatos (HCO3- + CO32-) en un 0,4 %, mientras que los iones sulfato (SO42-) y cloruro (Cl-) aumentan en un 33,9 % y 61,3 % respectivamente. Se mantiene la misma clase de agua que la del agua cruda, y también la misma relación entre las concentraciones de iones: (HCO3- + CO32-) > (Cl-) > (SO42-).
El agua residual pertenece al grupo de las aguas Magnésicas, igual que el agua cruda. Aumenta la concentración de iones: magnesio (Mg2+) y sodio (Na+) en un 15,2 % y 34,6 % respectivamente con relación al agua cruda, se reduce el calcio (Ca2+) en un 3,6 %.
El agua residual pertenece al tipo de aguas fuertemente mineralizadas, mezcladas y metamorfizadas.
• por el grado de contaminación salina: agua normal igual que el agua cruda, pero más
contaminada con sales de cloro.
• por su mineralización: continúa siendo agua dulce pero más mineralizada (concentrada,
aumento en un 6,5%).
• según el pH: débilmente básica (pH igual a 8,18, aumenta en un 3,3% con relación al pH del
agua cruda).
• por su dureza total: algo dura, más que el agua cruda (aumento en un 6,4%).
En la tabla 2.11 (anexo 2) se muestra, fundamentalmente, el aumento de las concentraciones de iones en el agua residual.
directa de la variación de las características microbiológicas del agua cruda y de los factores: temperatura del agua residual y radiación solar.
2.4. Estimación de la productividad del RSD F8 – 250.
Durante la estimación de la productividad superficial promedio de agua destilada, el RSD F8 – 250 se somete a ensayos/pruebas y mediciones en condiciones reales de explotación, desde el 30 de mayo del 2005 hasta el 21 de septiembre del 2006, en la instalación CITA (fig. 2.1), para luego comparar con los resultados del cálculo teórico, basado en las leyes que rigen el funcionamiento de un destilador solar.
2.4.1.Cálculo de la productividad real del sistema RSD F8 – 250.
En lo adelante, los 4 destiladores de la instalación CITA (fig. 2.1), se designan de izquierda a derecha con las letras y números: D1, D2, D3, D4.
Las mediciones horarias de los días estudiados de cada mes se promedian, para de esta forma, caracterizar cada mes con una curva de producción promedio horaria de agua destilada, correspondiente al día promedio del mes en cuestión (anexo 3, fig. 2.3 y tabla 2.14 (año 2005), fig. 2.5 y tabla 2.16 (año 2006)).
Los sumarios de estadísticas (anexo 3, fig. 2.4 y tabla 2.15 (año 2005), fig. 2.6 y tabla 2.17 (año 2006)), correspondientes al estudio del comportamiento de la productividad promedio diaria de agua destilada del RSD F8 – 250, se determinan con el software STATGRAPHICS Plus 5.0. Del análisis por separado de los mismos, es imposible revelar alguna regularidad en el comportamiento de la productividad de agua destilada del sistema. Los años 2005 y 2006 fueron un ejemplo del desorden del clima en Cuba. El 2005 fue un año de extrema sequía, mientras que el 2006, un año de ciclones y tormentas tropicales intensas, donde el comportamiento normal de la radiación solar es perturbado debido al cambio climático. Para atenuar este efecto, aumentando la cantidad de datos, se decide unir los dos años. En la fig. 2.7 y tabla 2.18 (anexo 3) se muestra este resultado. Todas las muestras de datos se ajustan a la distribución normal, excepto en los meses de enero y febrero.
Propuesta de modelo de regresión para el pronóstico de la productividad diaria en función de las variables climáticas.
Para pronosticar la productividad diaria, Qad(mL/dia), en función de las variables climáticas que
.
887 , 121 2012
, 15 . 6626 , 18 . 6869 , 23 23 ,
1093 tot amb iny
ad P T V t
Q = + × − × + × − ×
,
% 1473 , 79
2 =
R , (mL/día) (2.2). Donde:
tot
P (W/m2) – irradiancia solar.
. amb
T (ºC) – temperatura ambiente.
V (km/h) – velocidad del viento.
. iny
t (s) – tiempo de inyección de agua cruda. Se regula en el panel del control automático del sistema.
Durante los análisis de regresión para obtener el modelo se utilizaron los datos del año 2006, donde se midieron las variables climáticas y se varió el tiempo de inyección de agua cruda. Los intervalos de variación de las variables fueron los siguientes:
ad
Q Є [622,5; 13590,5] mL/dia.
tot
P Є [67; 571] W/m2.
. amb
T Є [18,7; 34] ºC.
V Є [0,6; 18,1] km/h.
. iny
t Є [1,25; 15] s.
Como las variables climáticas varían durante el día, se deben tomar sus valores promedios para el pronóstico. Estos datos se suministran por el Instituto de Meteorología.
2.4.2.Cálculo de las propiedades termofísicas.
Para aplicar las leyes y ecuaciones de la Transferencia de Calor (Ley del Enfriamiento de Newton, Ley de Fourier y ecuaciones de Nusselt, Prandtl y Rohsenow) al calculo de la productividad teórica del RSD F8 -250, se procede a:
• Calcular los coeficientes de transferencia de calor durante el proceso de destilación solar de
agua, específicamente: la conductividad térmica de la cubierta de vidrio, el coeficiente promedio de transferencia de calor por convección con cambio de fase (condensación), desde el vapor de agua a la cubierta de vidrio y el coeficiente promedio de transferencia de calor por convección forzada, desde la cubierta de vidrio al aire ambiente.
