TITULO:
Necesidad del cambio tecnológico en el proceso de purificación de agua en las unidades de salud holguinera.
TITLE: The Need to Technologically Change the Process of Water Purification for Clinical Purposes at Holguín’s Public Health Institutions.AUTORES:
(1)Ing. Orlando Lorenzo Albert Disotuar. Profesor asistente Email: [email protected],[email protected] (2)MsC. Ing. Ibet Ayón Romero. Profesora auxiliar
Email: [email protected]
CENTRO DE TRABAJO:
(1)Centro Provincial de Electromedicina Holguín
Dirección del centro: Carretera central Km 774 vía Bayamo Holguín, Cuba.
(2)Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de ingeniería. Universidad de Holguín “Oscar Lucero Moya”. Cuba.
Dirección del centro: Av. XX Aniversario s/n. Piedra Blanca. Holguín.
RESUMEN: Se argumenta el análisis y evaluación de los aspectos negativos de la tecnología de purificación de agua para uso clínico utilizada actualmente en las
unidades de salud holguinera; la misma está siendo utilizada para obtener agua destilada la que se usa en los diferentes lugares que necesitan agua purificada de diferentes niveles de calidad, por lo que al evaluarla mostró la necesidad de proponer cambios que brinden el incremento de la eficiencia energética y la optimización de su utilización para la obtención de este producto.
PALABRAS CLAVES: PURIFICACIÓN DE AGUA, EFICIENCIA ENERGÉTICA, EVALUACIÓN TECNOLÓGICA, SALUD, DESTILACIÓN CONVENCIONAL, HOLGUÍN.
ABSTRACT: This article presents an analysis and evaluation of the negative aspects of the water purification technology for clinical purposes currently used at Holguin's health units. It is being used to obtain distilled water which is used in the different places that need purified waters of different quality levels. The evaluation shows the importance of changes that offer better energy efficiency and usage optimization.
KEY WORDS: WATER PURIFICATION, ENERGY EFFICIENCY, TECHNOLOGICAL EVALUATION, HEALTH, CONVENTIONAL DISTILLATION, HOLGUIN.
INTRODUCCIÓN
El Centro provincial de Electromedicina es la institución encargada de brindar servicios técnicos al equipamiento medico de las instituciones de salud del territorio; dentro de los que se encuentran los destiladores convencionales de agua. En nuestra provincia existen 109 destiladores convencionales de diferentes capacidades de destilación, que
según los datos de los fabricantes son: 5 l/h, 10 l/h, 20 l/h y 25 l/h, los cuales tienen un consumo de 3 Kw., 7,5 Kw., 15 kw. y 18 Kw. respectivamente, consumo utilizado para la generación de vapor. Todos utilizan agua para el intercambio de calor en el
condensador a una razón de pérdida de 20 litros, por cada litro de agua destilada
obtenida. De lo que se infiere que las pérdidas de agua son de 100 l/h, 200 l/h, 400 l/h y 500 l/h.
El proceso de destilación [2] es cíclico donde se pasa por los estados del agua líquido, gaseoso y se vuelve a llevar a líquido. Para el cambio de estado, de líquido a gaseoso, es necesario el consumo de energía eléctrica, lo cual suministrará la gran cantidad de energía calorífica para pasar el agua de un estado a otro; suministrándole al vapor la energía necesaria para tenerlo en estado gaseoso , a lo que se le llama calor latente [3], esto constituye la mayor parte de la energía contenida en el vapor, por lo que en el cambio de estado gaseoso a líquido se necesitan grandes cantidades de agua que, mediante la transferencia, absorben la energía calorífica acumulada en el vapor y que solo una pequeña parte de ella se aprovecha, mientras que el resto, en el mejor de los casos se recupera como agua para uso general.
Por la amplia utilización de los destiladores de agua convencionales en las unidades de salud de la provincia de Holguín y por ser los equipos médicos de mayor índice de consumo, se realiza un estudio desde el punto de vista energético y ambiental, que permita obtener una evaluación tecnológica del mismo.
MATERIALES Y METODOS.
El presente trabajo se realizó sobre una muestra de los 109 destiladores convencionales de la provincia Holguín los cuales fueron escogido de acuerdo a la norma del análisis estadístico, que posibilitó se aplicaran las ecuaciones del balance energético y las ecuaciones equivalente de contaminación ambiental debido al uso de los combustibles fósiles, que permitieron realizar un análisis teórico de los aspectos negativos de esta tecnología, los cuales sirvieron de referencia para la comparación con los aspectos reales medidos en la muestra escogida.
Métodos de la investigación
• Teórico:
– El histórico – Lógico (para facilitar el estudio de la trayectoria del tema teniendo en cuenta las investigaciones preliminares)
– El análisis - síntesis (para analizar las diferentes partes y cualidades del proceso)
– El hipotético - deductivo (para comprobar la hipótesis de trabajo)
• Empírico
– La observación (Para obtener información acerca del comportamiento de diferentes elementos en el proceso)
– La revisión documental (Para obtener las características necesarias del equipamiento utilizado
RESULTADOS DEL TRABAJO
Haciendo un análisis de la caracterización del equipamiento medico atendido por el Centro Provincial de Electromedicina de Holguín el cual tiene como objeto social la atención al equipamiento médico, en cuanto a Instalación, reparación, mantenimiento y
asesoramiento técnico, para garantizar la asistencia medica en el territorio y atiende un total de 7582 equipos médicos repartido en 9 especialidades técnicas.
Se dictaminó a través de un balance de potencial de consumo cuales son aquellas especialidades y equipos que afectan mas el consumo energético del equipamiento medico de la provincia obteniendo lo siguiente
Fig. 1.1 Consumo de energía eléctrica por especialidades
De la estructura de consumo de la energía eléctrica por especialidades se observa que las de mayor potencial de consumo son: esterilización y Imagenología, con 55,37 %, 31,33 respectivamente, lo que representa un 86,7 % del potencial de consumo de la energía eléctrica total; pero como los equipos de Imagenología altamente consumidores son los rayos x en cualquiera de sus variantes, y estos toman energía instantáneamente de la red, los consumos reales son muy pequeños comparados con los equipos de esterilización que trabajan un promedio de 6 horas diarias, los cuales son además lo de mayor consumo como se ven en la grafica anterior.
Haciendo un análisis de la especialidad de esterilización y su consumo por equipo llegamos a la siguiente tabla y figura.
En la especialidad de esterilización los equipos mayores consumidores son los
destiladores, las autoclaves y los hornos los cuales representan el 23,9 %, el 45,7 % y el 22,1 % respectivamente los cuales constituyen el 91,7 % del total del potencial de consumo de energía eléctrica de la especialidad.
Haciendo un análisis energético de los fundamentales consumidores y del promedio de tiempo de funcionamiento se decidió trabajar en los destiladores ya que los mismos trabajan jornadas completas de trabajos y una reducción del consumo en ellos, significa reducir considerablemente el consumo energético total.
1. BALANCE ENERGETICO PARA LA DESTILACION CONVENCIONAL Cuando se diseña un nuevo proceso o se analiza uno ya existente, deben tomarse en cuenta ciertas restricciones impuestas por la naturaleza y analizar las variables que influyen en dicho proceso. Por lo que haciendo un balance energético de un sistema abierto como nuestro destilador convencional obtenemos una ecuación como la siguiente.
Donde:
N F e = es el número de flujos que entran al sistema.
N F s = es el número de flujos que salen del sistema.
vj es la velocidad de la masa (M).
z.- es la altura en metro del objeto por encima del plano de referencia en el que Ep se define arbitrariamente como cero.
g.- (9.8066 m/Seg2) es la aceleración de la gravedad en la tierra a nivel del mar h.- Es la energía del proceso
W(t)= es el trabajo neto aplicado o extraído del sistema Q(t)= es el calor agregado o sustraído del sistema
El esquema muestra las un destilador convencional con sus dos partes fundamentales:
- “A”, El evaporador donde el se ponen en contacto el líquido a destilar y la fuente de calor para producir su evaporación, en este caso una resistencias eléctricas conectadas a una fuente de alimentación;
- “B”, El condensador o intercambiador de calor, en el que la corriente de fluido evaporado se enfría hasta condiciones de saturación cediendo calor a una corriente refrigerante (agua).
En el instante inicial el depósito “A” se encuentra en equilibrio con el ambiente (nótese que a través del circuito de salida del fluido evaporado el depósito está en contacto con el ambiente, por lo que las presiones interior y ambiental serán iguales). Ahora si se aplica la ecuación anterior y consideramos el depósito rígido, pero no perfectamente adiabático durante el proceso de destilación, se puede decir que al poner en
funcionamiento las resistencias, el trabajo desarrollado producirá un calentamiento del líquido en “A” hasta condiciones de saturación. A partir de ese momento, un cierto caudal de vapor saturado saldrá del depósito y circulará por el circuito de salida. En el intercambiador “B” dicha corriente de vapor saturado cederá calor al líquido
refrigerante, saliendo de él como líquido saturado y siendo recogido para su utilización.
Por lo que la ecuación general se puede individualizar y queda de la siguiente forma:
Mientras el depósito contenga líquido comprimido o sub-enfriado no existirá corriente de salida. La energía creciente del líquido, al mantener la presión constante, producirá un aumento de su temperatura. Este proceso seguirá hasta alcanzar la temperatura de saturación del líquido a la presión ambiente, momento en el que se comenzará a producir el cambio de fase. El caudal de fluido que pasa de fase líquida a fase gaseosa dependerá de la potencia suministrada, de las pérdidas de calor y de las propiedades de la sustancia. Si dichas condiciones no varían, se puede suponer que el caudal de salida será constante. Por tanto, podremos integrar fácilmente la ecuación (25) para un intervalo de tiempo ?t , quedando:
Teniendo en cuenta que la variación de energía estaría en función de las masas inicial y final en el recipiente “A”; así como sus respectivas energías internas y que para este caso el balance de masa para el proceso de vaporización como todo lo que se obtiene en la salida es vapor saturado y teniendo en cuenta que no existe flujo de entrada, quedaría:
De la ecuación se puede apreciar que el primer termino de la derecha esta referido a la energía necesaria para evaporar el caudal de salida y se sabe que el balance de masa para este caso , mientras el segundo termino tiene en cuenta la energía necesaria para generar el vapor que cubrirá el espacio dejado por el caudal de salida, el cual es una energía muy pequeña en comparación con el primero y podemos despreciarlo, por lo que a ecuación nos quedaría:
De la ecuación se puede apreciar que conociendo la energía de cambio de fase o la energía necesaria para llevar la mezcla desde la fase liquida a vapor y conociendo la masa de ese vapor, se puede calcular el primer termino de la derecha; además si se calculan todas las perdidas se suman al termino anteriormente calculado se obtendría la energía necesaria para poder obtener el volumen de agua destilado.
1.1. CALCULO DE LA ENERGIA NECESARIA PARA EL CAMBIO DE FASE.
Aplicando la ecuación anterior y la relación que hay entre masa, densidad y volumen
Se puede obtener la siguiente tabla:
1.2. CALCULO DE LAS PERDIDAS POR TRANSFERENCIA A TRAVES DE LAS PAREDES.
Las perdidas del destilador a través de sus paredes de las cuales se conoce su área y que no están aisladas térmicamente y también que la temperatura en la superficie de la pared del destilador, (tc) la cual es de 100º C al nivel del mar donde se asume 1013 Pa. Pero además se conoce que en el ambiente lejano a la pared existe una temperatura media (tf) de 28º C. por lo que este cálculo se puede realizar mediante la determinación del
coeficiente de traspaso de calor el cual puede ser calculado como sigue:
Donde q serian las pérdidas por unidad de superficie en una unidad de tiempo expresada en W/M3; o lo que es lo mismo la densidad de flujo calorífico en la superficie externa del destilador y se calcula como:
1.3. CALCULO DEL CONSUMO DE AGUA Y DE ENERGIA POR ESTE CONCEPTO
Para realizar el cálculo del consumo de agua que es necesaria para convertir el vapor generado en agua destilada, hay que partir de que se conoce el gasto másico de vapor el cual es igual al gasto másico del destilado, y las entalpias del vapor y el condensado a su respectivas temperaturas, las cuales pueden ser obtenidas de las tablas [5] por lo que se puede aplicar la ecuación. A partir de aquí y conociendo además las temperaturas de entrada y salida del agua en el intercambiador o condensador y el calor especifico de la sustancia las cuales pueden ser obtenida de las tablas [5] aplicando la ecuación siguiente se determina:
Además se puede hacer el cálculo de la potencia necesaria para mover el agua utilizada por un destilador en una jornada de trabajo mediante la ecuación.
1.4. CALCULO DEL CONSUMO ANUAL DE UN DESTILADOR
Partiendo de los consumos energéticos y de agua realizado y considerando que un destilador trabaja aproximadamente 10 horas diaria y un promedio de 320 dias al mes se hace un calculo de los consumo para ese destilador anualmente. Y se muestran en la tabla siguiente.
1.5. EVALUACION AMBIENTAL
Aplicando las ecuaciones, (Vázquez, L., 1998), (Oliva, L. et al., (1988), para el cálculo de la emisión de sustancias nocivas (CO2, SO2 y NO2) al medio ambiente producida por la explotación del destilador convencional por el concepto de consumo de
combustible
Como se ha podido observar los destiladores son altos consumidores de energía y de agua esto se hace mas critico pues las perdidas se incrementan por las incrustaciones, las cuales serán en mayor o menor medida en dependencia de la calidad del agua de alimentación ya que no presentan pre tratamiento.
La presión de la línea de alimentación de agua no garantiza los requerimientos para garantizar el caudal necesario en la condensación, lo que conlleva a disminuir la
potencia del destilador incrementando las perdidas energéticas e hidráulicas del mismo.
Como puede apreciarse el consumo real de los destiladores es disminuido por diferentes causas entre ellas disminuir el consumo, lo que en realidad provoca el efecto contrario pues como se aprecia en las ilustraciones anteriores disminuye el destilado por lo que debe de aumentarse el tiempo para obtener el mismo volumen de agua destilada, lo que incrementa las perdidas energéticas e hidráulicas de estos equipos.
CONCLUSIONES
1. Se demuestra que los destiladores convencionales son altos consumidores energéticos e hidráulicos, lo que hace insostenible su utilización para obtener el agua purificada para todos los procedimientos necesarios en las instituciones de salud.
2. Existe una emanación considerable de CO2, SO2 y NO2 por concepto de la utilización de la energía eléctrica durante la explotación de los destiladores convencionales, que no satisface el desarrollo sostenible.
RECOMENDACIONES
1. Continuar con el desarrollo de este trabajo hasta lograr la disminución de los excesos de consumo de energía y agua, así como disminuir la contaminación ambiental, haciendo más eficientes los sistemas de purificación de agua utilizados en las unidades de salud de la provincia Holguín.
BIBLIOGRAFÍA
1. Explotación y materiales constructivos de generadores de vapor / L. Oliva… [et al.]. La Habana; ISPJAM, 1988. cap. 5.
2. Faires, V. M. Termodinámica. La Habana: Edición Revolucionaria, 1986. 204 p.
3. Holman, J. P. Thermodynamics. Gran Bretaña: McGraw-Hill Book, 1988. 329 p.
4. Huys J. Esterilización de productos sanitarios por vapor. España: Editorial Heart Consultancy, 1999. 293 p.
5. Krasnoschiokov, E. A. Problemas de termo transferencia. Moscú: Editorial Mir, 1975. 327 p.
6. Vázquez, L. Ciclo de conferencias sobre Energía y Medio Ambiente.
Cienfuegos: C.I.E.S, 1998. 238 p.
