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Aplicaciones de la cavitación para procesos de desalinación y purificación de aguas

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Academic year: 2020

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(1)IM -2004-II-19 APLICACIONES DE LA CAVITACION EN PROCES OS DE DES ALINIZACION Y PURIFICACION DE AGUAS. JOSE FERNANDO ESCOBAR ARIAS. JAIM E LOBOGUERRERO USCATEGUI Profesor Asesor. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería M ecánica Bogotá D.C 2004.

(2) IM -2004-II-19 APLICACIONES DE LA CAVITACION EN PROCES OS DE DES ALINIZACION Y PURIFICACION DE AGUAS. JOSE FERNANDO ESCOBAR ARIAS. Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico. JAIM E LOBOGUERRERO USCATEGUI Profesor Asesor. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería M ecánica Bogotá D.C 2004 1.

(3) IM -2004-II-19. TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION ........................................................................................................1. 2. MARCO TEORICO .....................................................................................................2 2.1. INTRODUCCION A LA DESALINIZACION.....................................................2. 2.2. PROCESOS DE DESALINIZACION ...................................................................4. 2.2.1. Cambio de fase ...............................................................................................5. 2.2.2. M embranas selectivas .....................................................................................9. 2.2.3. Enlace quimico .............................................................................................12. 2.3. COM PARACION DE PROCESOS .....................................................................13. 2.4. CAVITACION .....................................................................................................16. 2.4.1. Definición: ....................................................................................................16. 2.4.2. Etapas y tipos de cavitación:.........................................................................16. 2.4.3. Limite de succión de bombeo: ......................................................................17. 2.5. 3. SISTEM AS DE IMPULSION..............................................................................19. 2.5.1. Eyectores.......................................................................................................19. 2.5.2. Bombas centrifugas autoaspirantes...............................................................24. 2.5.3. Bombas de émbolo o pistón..........................................................................24. ALTERN ATIVAS.......................................................................................................27 3.1. ANALISIS TERM ODINAMICO:........................................................................27. 3.2. CALCULOS VOLUM ETRICOS:........................................................................28. 3.3. EQUILIBRIO .......................................................................................................29. 3.4. ESTUDIO DE ALTERNATIVAS: ......................................................................31. 3.4.1. Solución 1: Bomba Rotativa.........................................................................31. 3.4.2. Solución 2: Pistón.........................................................................................34. 3.4.3. Solución 3: Eyector.......................................................................................40. 3.4.4. Solución 4: Venturi.......................................................................................43. 3.5 3.5.1. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS...................................................................45 Comparación de los procesos de cavitación frente a los procesos convencionales ..............................................................................................45. 2.

(4) IM -2004-II-19 4. MONTAJE EXPERIMENTAL.................................................................................48 4.1. REDISEÑO DEL M ONTAJE EXISTENTE........................................................48. 4.1.1. Identificación de partes útiles y cambios requeridos:...................................48. 4.1.2. Diseño del montaje experimental: ................................................................48. 4.2. CONSTRUCCION ...............................................................................................51. 4.3. PRUEBAS ............................................................................................................52. 4.3.1. Bitácora de Pruebas: .....................................................................................53. 4.3.2. Datos Obtenidos............................................................................................53. 4.4. CONCLUSIONES DEL M ONTAJE EXPERIM ETAL:......................................54. 5. CONCLUS IONES ......................................................................................................55. 6. RECOMENDACIONES ............................................................................................56. 7. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................57. 8. ANEXOS......................................................................................................................58. 3.

(5) IM -2004-II-19. LISTA DE FIGURAS Figura 1: Distribución de agua en el mundo...........................................................................3 Figura 2: Esquema evaporación solar.....................................................................................5 Figura 3: Esquema evaporación simple..................................................................................6 Figura 4: Esquema de ESM E..................................................................................................7 Figura 5: Esquema evaporación múltiple efecto ....................................................................8 Figura 6: Esquema compresión de vapor................................................................................9 Figura 7: Esquema membranas .............................................................................................10 Figura 8: Esquema proceso osmosis inversa ........................................................................11 Figura 9: Esquema electrodiálisis .........................................................................................12 Figura 10: Limite de succión de bombeo .............................................................................18 Figura 11: Bomba de chorro o eyector .................................................................................20 Figura 12: Bomba jet o eyector. ...........................................................................................22 Figura 13: Caracteristicas del eyector (Flint & Walling) ....................................................23 Figura 14: Bomba de vacío rotativa......................................................................................24 Figura 15: Categorías de las bombas de desalojo .................................................................25 Figura 16: Bomba de pistón a) Simple Efecto, b) Doble efecto...........................................26 Figura 17: Diagrama P vs. V, del proceso de desalinización ...............................................27 Figura 18: Equilibrio.............................................................................................................29 Figura 19: Proceso con Bomba rotativa................................................................................31 Figura 20: Problemas Termodinámicos ................................................................................32 Figura 21: Esquema bomba rotativa con efectos termodinámicos .......................................32 Figura 22: Proceso con bomba de pistón..............................................................................34 Figura 23: Esquema de funcionamiento del proceso con bomba de pistón..........................35 Figura 24: Gráficas para estimar fh (a) y fc (b).....................................................................38 Figura 25: Trabajo debido a los diferenciales de presión.....................................................39 Figura 26: Proceso con eyector.............................................................................................41 Figura 27: Venturi de desalinización ....................................................................................43 Figura 28: Diseño M ontaje Citec..........................................................................................49 Figura 29: Zona del M ontaje ................................................................................................51 Figura 30: Fotografías de partes del montaje .......................................................................52.

(6) IM -2004-II-19. LISTA DE TABLAS. Tabla 1: Distribución de agua en el mundo ...........................................................................2 Tabla 2: Comparación de las características generales de producción de los procesos de desalinización ........................................................................................................15 Tabla 3: Resumen bomba rotativa ........................................................................................34 Tabla 4: Resumen Bomba de pistón.....................................................................................40 Tabla 5: Resumen Proceso con eyector................................................................................43 Tabla 6: Comparación de alternativas ..................................................................................45 Tabla 7: Comparación de procesos convencionales vs. cavitación. .....................................47 Tabla 8: Piezas útiles para el montaje experimental y cambios necesarios ..........................48 Tabla 9: Listado de partes del diseño experimental..............................................................50. 1.

(7) IM -2004-II-19. LISTA DE ANEXOS ANEXO 1: Función en M atlab para el cálculo del tamaño del Venturi:..............................58 ANEXO 2: Dimensiones convencionales de tuberia para acero y cobre .............................59 ANEXO 3: Dimensiones y áreas de los sellos 2-019 y 2-436..............................................61 ANEXO 4: Especificaciones eyectores Barnes ....................................................................62 ANEXO 5: Cálculos eyector según Schultz .........................................................................64 ANEXO 6: Descripción técnica de bomba Nash Elmo L 500 HP4. ....................................65.

(8) IM -2004-II-19. 1. INTRODUCCION. El presente proyecto se basa en la necesidad creciente del mundo de nuevas fuentes de agua potable y procesos innovadores para su tratamiento. Teniendo en consideración que el crecimiento demográfico amenaza as fuentes que se utilizan hoy en día, provenientes principalmente de ríos y lagos, es necesario buscar métodos alternativos de purificación y suministro de este recurso. Si se considera además que el agua que abastece al mundo entero no supera un 0.003% de la distribución del agua total del planeta, pues el restante 99.7% se encuentra en gran parte en los océanos, es importante observar el porqué no se usan estos recursos y cuáles son los grandes obstáculos a vencer. Principalmente se ha encontrado que los procesos de desalinización son costosos, ya sea la energía requerida para realizar el proceso, o por costos de tipo funcional. Es por esto que este proyecto pretende estudiar un proceso alternativo a los convencionales, que al ser estudiado a fondo, pueda llegar a disminuir los costos asociados y verse favorecido en otros aspectos de tipo funcional. A lo largo de este estudio se hablará de los procesos actuales aunque de una manera superficial, pero que le dará un gran sentido al propósito de esta investigación. El nombre de este proyecto hace referencia a las aplicaciones de la cavitación, para lo cual es importante ir conociendo que es a lo que esto se refiere y que se puede esperar a lo largo de esta tesis. La cavitación es un fenómeno que se presenta única y exclusivamente en los fluidos, y consiste en una vaporización localizada debido a una reducción en la presión por efectos dinámicos. Generalmente, cuando se habla de cavitación lo que se busca es evitarla a toda costa, debido en gran parte, a sus grandes poderes destructivos. Sin embargo, lo que se desea abordar en este estudio es totalmente lo contrario, y es usarla con un fin específico: desalinización y purificación de aguas. Para aplicar la cavitación es necesario primero entenderla, ver como se genera y cuales son los factores que gobiernan su comportamiento. Esta se rige en esencia, según el tipo de fluido que se este usando y las condiciones a las que este expuesto; y al ser esto un vasto mundo, se escogerá el agua pura como líquido único para este proyecto, puesto que este es el fluido más estudiado y del cual podemos obtener mayor información al respecto. El enfoque que se plantea de aplicar la cavitación para procesos de desalinización es amplio, profundo y sin estudiar, por lo que no será propósito abarcarlo totalmente. El contenido de esta tesis comenzará por una breve introducción a los procesos de desalinización, la teoría de la cavitación y algunos sistemas de impulsión de fluidos, temas que serán de utilidad en el desarrollo exitoso del proyecto. Luego se plantearan unas posibles ideas de sus aplicaciones, que al ser comparadas, se escogerá alguna de estas para realizar un montaje experimental. Finalmente, con los resultados que se obtengan de la experimentación, se tendrán unas conclusiones y unas recomendaciones para que él que continúe el estudio pueda abordarlo con algunos beneficios a su favor.. 1.

(9) IM -2004-II-19. 2. MARCO TEORICO. 2.1 INTRODUCCION A LA DESALINIZACION La desalinización es el proceso de separación de minerales disueltos (principalmente sales) en aguas salobres o de mar para su adecuación para el consumo humano, industrial o riego. A medida que la demanda de agua potable en el mundo ha ido creciendo el uso de este proceso se ha hecho más común en diferentes partes del mundo. El desarrollo progresivo de las técnicas de desalinización permite actualmente la producción masiva de agua a un costo moderado, aportando soluciones que se adaptan fácilmente a las necesidades de cada lugar. La disposición para captar, almacenar y poner el agua a disposición de la agricultura, la industria y el consumo humano se basa principalmente en: • Ríos • Agua Subterránea • Depuración de aguas residuales • Desalinización • Embalses El uso de estás diferentes alternativas depende de los recursos hidrológicos del área, de la cuantía de las inversiones requeridas, del impacto ambiental, de las regulaciones que rigen cada lugar, entre muchos otros factores. La depuración de aguas residuales y la captación de aguas subterráneas presentan caudales muy limitados; los ríos y embalses no se encuentran en muchos lugares y escasean cada vez más, esto sin mencionar la inversión y el impacto ambiental que tienen asociados cada uno de estos recursos. Por todas estas razones la desalinización de aguas salobres o de mar despierta un gran interés, mucho más si consideramos la distribución total de agua en el mundo:. Fuente de Agua Océanos Polos, Glaciales Agua Subterránea Lagos Mares Internos Agua Salobre Atmósfera Ríos. Volumen de Porcentaj e Agua en m3 del agua total 317.000.000 97.24% 7.000.000 2.14% 2.000.000 0.61% 30.000 0.009% 25.000 0.008% 16.000 0.005% 3.100 0.001% 300 0.0001%. Volumen Total de Agua. 326.000.000. 100%. Tabla 1: Distribución de agua en el mundo1. 1. Datos Obtenidos de http://ga.water.usgs.gov. Fuente: Nace U.S. Geological Survey, 1967. Recuperado el 31 de Octubre de 2004.. 2.

(10) IM -2004-II-19. Distribución de agua en el mundo 97,2273%. 0,0001% 0,0010% 0,0050%. 2,1397% 0,6099%. 0,0080%. 0,0090%. Oceanos. Polos, Glaciales. Agua Subterranea. Lagos. Mares Internos. Agua Salobre. Atmosfera. Rios. Figura 1: Distribución de agua en el mundo. El desarrollo que ha alcanzado los procesos de desalación ha permitido la producción masiva a costos moderados en algunos lugares del planeta, adaptándose fácilmente a las necesidades de cada lugar. Sin embargo aún existen muchas barreras por vencer, principalmente la reducción de costos de operación y el ahorro de energía. 2 De acuerdo a la Asociación Americana de los Trabajos del Agua existen más de 12.500 plantas de desalinización en 120 países; 60 % de estas plantas se encuentran en el M edio Oriente, principalmente por los bajos costos de energía en esta parte del mundo. La planta más grande del mundo se encuentra en Arabia Saudita y produce 128 millones de galones 3 (Aprox. 485.000 m ) por día de agua potable, lo que representa un 70% del agua que se 3 consume en el país .. 2. American Water Works Association. Datos obtenidos de: GAYLE Ehrenman. October 2004. From Sea to Sink, Mechanical Engineering, Vol. 126, pag. 38. 3. 3.

(11) IM -2004-II-19. 2.2 PROCESOS DE DESALINIZACION Las principales técnicas de desalación se pueden clasificar de diferentes maneras, bien sea por el principio que aplican para efectuar el proceso, la fuente de energía que utilizan, o una división entre producto y residuos. Usualmente se subdividen según el principio que aplican, es decir que método de separación utilizan para potabilizar el agua. Para el estudio que nos ocupa es conveniente dividirlos de esta manera, y su clasificación consta de tres grandes grupos: procesos térmicos o de cambio de fase; membranas selectivas o medios mecánicos; y los procesos químicos o intercambio iónico. A continuación se nombraran los más conocidos de cada uno de los métodos: 1. Cambio de Fase • Evaporación Solar • Evaporación súbita múltiple etapa (ESM E). • Evaporación múltiple efecto (EM E). • Compresión de Vapor (CV). 2. Membranas S electivas • Osmosis Inversa (OI). • Electrodiálisis (ED). 3. Enlace Químico • Intercambio Iónico (CI). Con el paso de los años el uso de las distintas tecnologías ha ido cambiando. En la década de 1970-1980 la ESM E fue la más utilizada, seguida por la OI, EM E, CV y finalmente la ED. Luego en la década de los ochenta la Osmosis Inversa cogió fuerza y logró un importante desarrollo con la aparición de membranas de capa ultrafina. A partir de 1990 se hacen de nuevo importantes los procesos de cambio de fase mediante el desarrollo de la 4 EM E los cuales ahorran energía y hacen más económico el proceso . Actualmente el 60% de las plantas a nivel mundial son membranas selectivas de Osmosis Inversa. Otro 27% del total son de Cambio de Fase o Tratamiento térmico, principalmente de Evaporación Súbita M últiple Etapa (ESM E). Y el restante 13% se lo dividen los procesos de Intercambio Iónico (OI) y Electrodialisis (ED). La elección de un proceso u otro esta condicionado por diferentes factores, ente los cuales se encuentran: la producción necesaria para abastecer la demanda, la fuente de energía disponible para impulsar la planta de desalinización y las características físico-químicas del agua de alimentación. Los costos de tratamiento por unidad de agua producida varían ampliamente, y dependen del tipo de agua (salobre/mar) y la cantidad de energía necesaria.. 4. Información obtenida de la REF [5] :, p. 19. 4.

(12) IM -2004-II-19 A continuación se explican detalladamente cada uno de los procesos: 2.2.1. CAMBIO DE FAS E. El cambio de fase como proceso de desalación es bastante útil ya que la mayoría de los componentes químicos que se encuentra en las aguas saladas no son volátiles a las temperaturas en las que el proceso se desarrolla, y por lo tanto permanecen en la salmuera o en el agua de mar no evaporada. Dentro de estos procesos encontramos: 2.2.1.1. Evaporación S olar. La evaporación solar es el proceso más simple y más barato de destilación de agua de mar, pero su desventaja es que solo se puede producir pequeñas cantidades de agua potable 2 (Entre 4 y 5 lt/m en 1 día). El agua es puesta en una piscina donde es calentada por el sol para causar la evaporación. El vapor de agua se condensa en la cubierta de vidrio la cual lleva el agua destilada a unas canales ubicadas como se muestra en la Figura 2.. Figura 2: Esquema evaporación solar5. 2.2.1.2. Evaporación S imple (S imple Efecto). Este proceso consta de tres pasos para alcanzar el objetivo: 1. Adición de calor a una masa de agua salada con el fin de generar vapor. 2. Separación del vapor del liquido del cual proviene 3. Condensación de vapor debido a la extracción de calor.. 5. Gráfico obtenido de http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/097/htm/sec_10.htm. Recuperado el 12 de Diciembre de 2004.. 5.

(13) IM -2004-II-19 El la Figura 3 se muestra un diagrama esquemático. El proceso consta de dos zonas principales: una en donde se evapora el fluido por medio de la adición de calor y la siguiente donde se condensa el vapor por medio del contacto con una superficie fría. Cada cámara esta conectada por un conjunto de tubos que permiten la conducción del fluido y la transferencia de calor necesaria para que el proceso se lleve a cabo.. Figura 3: Esquema evaporación simple6. En el evaporador entra el agua a tratar. Es acá donde se le agrega el calor suficiente para que alcance la temperatura de saturación a la presión a la cual se está trabajando. Una vez se alcanza este punto, el vapor empieza a fluir hacia la zona de condensación. Poniendo en contacto el vapor con agua dulce ya tratada o con un intercambiador de calor, se condensa y pasa al tanque de almacenamiento de agua potable. Constantemente se recicla el agua en el evaporador con el fin de mantener una concentración de sales disueltas dentro de los rangos óptimos. 2.2.1.3. Evaporación S úbita Múltiple Etapa (ES ME). La evaporación súbita múltiple etapa, también conocida como destilación flash (M SF en ingles), consiste en llevar a cabo la evaporación en diferentes etapas del proceso. Usando el mismo principio que en la evaporación simple (ES), el agua salada es calentada hasta formar un vapor que no contiene sales (estas son volátiles a partir de 300 ºC) el cual se condensa posteriormente, sin embargo su diferencia radica en que contiene varias etapas conectadas en paralelo y en cada una de ellas tiene diferentes presiones manométricas, por lo que la temperatura de saturación es diferente para cada punto del proceso. Por esta razón este tipo de plantas suele usar un sistema de vacío y un sistema de extracción de gases no condensables como el aire. A continuación se muestra un diagrama esquemático de cómo funciona este proceso:. 6. Gráfico obtenido de REF [5] :, p. 20.. 6.

(14) IM -2004-II-19. Figura 4: Esquema de ESME 7. En la práctica se usan alrededor de 20 etapas para este proceso, con un requerimiento de energía de 300 kJ/kg de producto. La mayoría de las plantas de este tipo, están ubicadas en el Oriente medio y su producción puede llegar hasta 105 m3/día. Las razones por las que este proceso es preferido frente a otros son las siguientes: • Funciona mucho mejor cuando la calidad del agua bruta no es buena (alta salinidad, temperatura y contaminación del agua aportada). • Su acoplamiento con plantas de potencia para formar sistemas de cogeneración es muy fácil y permite una gran variabilidad de rangos de operación en ambas plantas. • Es mucho más robusta por lo que es preferida para el uso diario. • La capacidad de las plantas M SF es mucho mayor que otras plantas destiladoras en virtud a la cantidad de etapas conectadas en cascada sin problemas de operación. Sin embargo, las plantas M SF tienen un grave inconveniente. Su consumo específico, definido como la cantidad de energía consumida para producir 1 m^3 de agua desalada, es de los más altos de los procesos estudiados. A este consumo contribuyen el consumo térmico proveniente de la planta productora de electricidad, más alto que otros procesos de destilación debido al efecto de evaporación súbita; y el consumo eléctrico debido al gran número de bombas necesarias para la circulación de los flujos de planta. Además de su alto coste de operación, su coste de instalación no es más bajo que otros procesos de desalación.. 2.2.1.4. Evaporación Múltiple Efecto (EME). La evaporación múltiple efecto es muy parecida a la evaporación súbita múltiple etapa, aunque es más costosa su instalación, es más sencilla y económica de operar. Este también es un proceso de múltiples etapas pero conectadas en serie, en donde se va transfiriendo 7. Esquema basado en REF [3] :, p.211.. 7.

(15) IM -2004-II-19 calor de una etapa a otra, sin embargo la evaporación se produce de forma natural aprovechando el calor latente desprendido por la condensación del vapor, sin perder energía por el efecto de evaporación súbita8. Cada etapa tiene un punto de ebullición mas bajas por efectos de la presión, esto permite que el agua de alimentación experimente múltiples ebulliciones sin necesidad de recurrir a calor adicional a partir del primer efecto. La primera etapa se nutre de un vapor externo de un sistema recuperativo, por lo que también se presta para sistemas de cogeneración. Un condensador final recoge el agua dulce en la última etapa precalentando el agua de aportación al sistema. La capacidad suele ser más 9 reducida que las ESM E , aunque en teoría esto no debería de ser así, es bueno decir que el número de etapas casi nunca es mayor de 15 en las instalaciones debido al costo de construcción. A continuación se muestra un diagrama esquemático de una planta EM E:. Figura 5: Esquema evaporación múltiple efecto10. 2.2.1.5 Compresión de Vapor (CV) La compresión de vapor obtiene el agua destilada con el mismo proceso de evaporación múltiple efecto, pero utiliza como fuente de energía un compresor o termocompresor, para luego pasar a una zona en donde se condesa el vapor con la misma agua entrante. La evaporación se produce en la parte más baja de la cámara una vez se han eliminado los gases indeseables (aire) mediante una bomba o eyector de vacío. El vapor es extraído por el compresor, el cual lo hace circular por el interior de los tubos condensadores. Cuando el vapor se comprime aumenta su temperatura de condensación, por lo que se hace pasar por un condensador refrigerado con el agua que se esta evaporando. Se condensan los vapores y 8. La utilización de una cámara flash permite una evaporación súbita (y por lo tanto de carácter irreversible) previa a su posterior condensación. 9 Loa ESME puede llegar a producir hasta 45.000m3 /día, mientras que el rango de producción para la EME se encuentra entre 2.000 y 18.000 m3 /día. 10 Imagen modificada de la encontrada en: http://www.norlandintl.com/spanish/images/Multiple1_sp.gif. Recuperado el 10 de Diciembre de 2004.. 8.

(16) IM -2004-II-19 el agua dulce se extrae del condensador como producto del proceso. Para mantener la salinidad constante en el interior del evaporador parte de la salmuera refrigerante se envía al mar. Para compensar esta pérdida más la cantidad de agua dulce que se esta generando, es decir el producto extraído, hay que introducir agua de mar. Como el agua de mar esta a menor temperatura, se le hace pasar por un intercambiador y así se recupera gran parte de su energía calorífica.. Figura 6: Esquema compresión de vapor11. 2.2.2. MEMBRANAS S ELECTIVAS. En la naturaleza se encuentra frecuentemente la separación de sales por medio de membranas, tanto en plantas como en animales. Esto incluye los procesos de diálisis y osmosis que ocurren frecuentemente en el cuerpo humano. Comercialmente se encuentran dos procesos: 2.2.2.1 Osmosis Inversa (OI) La osmosis inversa es el proceso de la separación de una cantidad de H2O del agua salada. De forma esquemática se puede decir que cuando dos soluciones con diferentes concentraciones se unen a través de una membrana, existe una circulación natural de la solución menos concentrada para igualar las concentraciones finales, con lo que la 11. Esquema basado en REF [3] :, p.214. 9.

(17) IM -2004-II-19 diferencia de altura obtenida se traduce en una diferencia de presión, llamada presión osmótica. La energía que requiere el proceso resulta del aumento de entropía, el cual se es consecuencia de aplicar una presión externa que sea mayor a la presión osmótica de una disolución respecto de otra para invertir el proceso. Al hacer esto empieza a circular el agua de la disolución más concentrada a la zona con menor concentración, obteniendo finalmente un agua de pureza admisible, aunque no comparable a la de procesos de destilación. El proceso de ósmosis inversa es simple, por lo que en principio sólo son necesarias las membranas que filtren el contenido salino y el equipo presurizador. Pero una planta de OI es mucho más compleja que una agrupación de módulos y una o varias bombas, por ejemplo las membranas se ensucian muy fácilmente con la operación continuada y necesita un pretratamiento intensivo (mucho mayor que en los procesos de destilación). Aparte de esto también es necesario el clorado para reducir la carga orgánica y bacteriológica del agua bruta, la filtración con arena para reducir la turbidez, la acidificación para reducir el pH y limitar la formación de depósitos calcáreos y el declorado para eliminar el cloro residual, entre otros. Otra de las desventajas de la OI es el transporte masivo de agua, pues suelen cargar hasta 3 veces la cantidad del agua producida, por eso el diseño de los pozos y tubería debe ser hecho con mucho cuidado y requiere considerable inversión aunque por debajo de las otras tecnologías de destilación. Pero el uso de el uso de Osmosis inversa se ha ido imponiendo frente a las otras tecnologías puesto que posee unas grandes ventajas; el consumo eléctrico específico de una instalación de ósmosis inversa es el menor de los mencionados anteriormente (6-8 kWh/m3), pero se puede aprovechar la energía contenida en la salmuera rechazada a alta presión para rebajar esa cifra hasta por debajo de 3 kW·h/m3 . Al ser un proceso de filtración, el coste energético depende de la concentración del agua bruta, cosa que no ocurre en las tecnologías de evaporación y además de esto permite una adaptabilidad mayor que otras plantas para ampliar su capacidad de producción. A continuación se muestra un esquema del proceso de la osmosis inversa:. Figura 7: Esquema membranas. 10.

(18) IM -2004-II-19. Figura 8: Esquema proceso osmosis inversa12. El proceso comienza cuando se almacena el agua de mar en un tanque de depósito. Luego se hace pasar el agua del mar a través de unos filtros de arena para remover las partículas sólidas mayores y se le agrega un desinfectante para prevenir la actividad microbiológica en las tuberías y en el sistema. Los filtros se hallan divididos en compartimentos independientes, los cuales consisten en múltiples capas con diferentes tamaños de poro, siendo cada filtro purgado o cambiado periódicamente según la duración que tenga. Dicha limpieza se hace pasando aire desde el fondo hacia la parte superior descargando los residuos al mar. También un agente desclorante es inyectado en el agua para eliminar el desinfectante. Cerca de un cuarenta porciento del agua tratada es permeable, la cual es bombeada a través de la membrana a una presión suficiente para que la traspase. El concentrado que posteriormente queda es descargado al mar, recuperando la energía haciéndolo pasar a una turbina. M uchos avances se siguen haciendo hoy en día en este campo con el fin de reducir costos y hacer el proceso mucho más eficiente. Vinculando este proceso con fuentes de energía mucho más económicas y rentables también es otro de los campos de investigación, y muy posiblemente en un futuro este proceso alcance grandes desarrollos.. 2.2.2.2 Electrodiálisis (ED) Hasta ahora los procesos que se han mencionado son enfocados a quitar el agua de la sal, el intercambio iónico y la electrodiálisis hacen todo lo contrario, aprovechando que el porcentaje de sal es mucho menor en la solución, puede resultar mucho más práctico realizar el proceso inverso. La electrodiálisis hace uso del hecho de que muchos minerales disueltos en agua se disocian en partículas cargadas eléctricamente que se llaman iones. El 12. Grafico obtenido de: http://html.rincondelvago.com/desalacion.html. Recuperado el 15 de Diciembre de 2004.. 11.

(19) IM -2004-II-19 proceso consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por el agua salada contenida en un tanque, lo cual tiene por efecto dividir las moléculas de las sales en iones positivos que son atraídos por un cátodo y en iones negativos que se dirigen hacia un ánodo. Es un proceso que sólo puede separar sustancias que están ionizadas y por lo tanto su utilidad y rentabilidad está sólo especialmente indicada en el tratamiento de aguas salobres ó reutilización de aguas residuales, con un consumo específico y de mantenimiento comparable en muchos casos a la ósmosis inversa. En algunas ocasiones, la polaridad de los ánodos y cátodos se invierte alternativamente para evitar el ensuciamiento de las membranas selectivas al paso de dichos iones, en este caso se habla de electrodiálisis reversible (EDR). Las unidades de ED y EDR oscilan en tamaños entre 50 y 4.000 m3/día, con plantas de mayor tamaño a base de numerosos módulos. Las aplicaciones son de tipo industrial, municipal y hotelero, donde haya aguas salobres o se necesiten aguas de mejor calidad. A continuación se muestra un esquema de la electrodiálisis:. Figura 9: Esquema electrodiálisis. 2.2.3. ENLACE QUIMICO. 2.2.3.1 Intercambio Iónico (IO) El intercambio iónico utiliza la energía química para realizar el proceso. Para esto hace uso de resinas de intercambio iónico las cuales son sustancias insolubles, que cuentan con la propiedad de que intercambian iones con la sal disuelta si se ponen en contacto. Hay dos tipos de resinas: aniónicas que sustituyen aniones del agua por iones OH- (permutación. 12.

(20) IM -2004-II-19 básica), y resinas catiónicas que sustituyen cationes por iones H+ (permutación ácida). La desmineralización por intercambio iónico proporciona agua de gran calidad si la concentración de sal es menor de 1 gr/l. Por lo tanto se utiliza para acondicionar agua para calderas a partir de vapores recogidos o acuíferos, o en procesos industriales con tratamiento de afino. Las resinas normalmente necesitan regeneración con agentes químicos para sustituir los iones originales y los fijados en la resina, y terminan por agotarse. Su cambio implica un costo demasiado alto para ser aplicado a aguas de mar y aguas salobres.. 2.3 COMPARACION DE PROCESOS Cada uno de los procesos mediante los cuales se puede desalinizar el agua tiene sus propias características, que lo hace más o menos adecuado para cada caso. El desarrollo del mercado de la desalación muestra, actualmente, una tendencia al avance de los procesos multiefecto y de ósmosis inversa, si se exceptúan los países árabes en los que el proceso 13 ESM E (Evaporación súbita múltiple etapa) es dominante . El proceso de CV, con rápido crecimiento en los últimos años, está claramente enfocado al mercado de capacidades pequeñas (por debajo de 4.000 m3/día). Para grandes capacidades las alternativas de desalación se concentran en los procesos ESM E y Osmosis Inversa. Las ventajas actuales de este último son, en primer lugar, de tipo energético, consideración con menos peso en los países árabes. Puesto que algunos procesos no son sostenibles para procesos a gran escala, tales como la electrodiálisis, la evaporación solar y el intercambio iónico, se comparará las características de los procesos más relevantes, tales como: ESM E, EM E, CV y OI. En la Tabla 2: Comparación de las características generales de producción de los procesos de desalinización se puede ver una comparación de diferentes aspectos.. 13. Según el estudio de REF [3] :.. 13.

(21) IM -2004-II-19. Evaporación súbita múltiple etapa (ESME) TECNOLOGIA. Evaporación múltiple efecto EME. Compresión de vapor CV. Osmosis Inversa (OI) 1 PASO. 2 PASOS. EVAPORACION Completamente desarrollado. EVAPORACION Desarrollado mas recientemente. EVAPORACION Desarrollo en Ev olución. CAPACIDAD DE PRODUCCION PLAZOS DE INSTALACION. 8 millones m³/d 1,086 plantas Alta > 45000 m³/d 24 meses. 0,73 millones m³/d 605 plantas Media 2000-18000 m³/d 18-24 meses. 0,58 millones m³/d 700 plantas Baja < 5000 m³/d 12 meses. FABRICANTES. Numerosos, amplia competencia. Escasos. Reducida competencia. Escasos. COSTE DE INSTALACION. Alto. Alto/Medio. Alto. TIPO DE ENERGÍA. Térmica. Térmica. Eléctrica. CONSUMO DE ENERGIA PRIMARIO (kJ/ Kg) 14 DISTRIBUCION DE ENERGIA : VAPOR ELECTRICIDAD. Alto (>200 kJ/ Kg). Alto/ Medio (150-200 kJ/ Kg). Medio (100-150 kJ/ Kg). TEMPERATURA MAXIMA PROCESO. 90-110-120°C Alta <40 ppm. 70-75°C Alta <40 ppm. 70-75°C Alta <40ppm. ––––––– Media 400 ppm. ––––––– Media 200 ppm. 10-25%. 15-30%. 40-50%. 25-35%. 35-45%. Alta Limpiezas periódicas 2-4 v eces/año. Media Limpiezas periódicas 0,5-2 v eces/año. Baja Limpiezas periódicas 0,5-2 v eces/año. ESTADO COMERCIAL CAPACIDAD MUNDIAL PRRODUCCION INSTALADA. CALIDAD DEL AGUA DESALADA CONVERSION NETA DE AGUA DE (PRODUCTO/AGUA DE MAR BOMBEADA) FIABILIDAD DE OPERACION. NECESIDADES DE MANTENIMIENTO. 110-125°C 3-6 kWh/m³. 60-70°C 1,5-2,5 kWh/m³. MEBRANAS Desarrollo en ev olución 5 millones m³/d 5,140 plantas Media / Alta 8000-30000 m³/d 18 meses Numerosos f abricantes de plantas y f abricantes de membranas Medio. ––––––– 8-12 kWh/m³. Eléctrica Bajo (<80 kJ/ Kg) ––––––– 5-6 kWh/m³. ––––––– 6-7 kWh/m³. MAR. 14. Media Limpiezas periódicas 5 -10 v eces/año. El consumo de energía depende de cómo se requiere la energía, por ejemplo en la ESME se requiere un vapor a 100 o 120 ºC que puede provenir de alguna planta eléctrica, y un consumo adicional de energía de 3 -6 KWh / m3 para realizar el proceso exitosamente.. 14.

(22) IM -2004-II-19. SENSIBILIDAD A CONDICIONES DE AGUA DE MAR. Alta. Control v ital para v ida de membranas. Media. Reducida. Reducida. Simple. Simple. INFLUENCIA CONDICIONES DE OPERACIÓN. Moderado Alta incidencia. Corrosión / Incrustación. Baja-Media. Baja. POSIBILIDAD DE AMPLIACION. Dif ícil. Dif ícil. Dif ícil. Fácil. SUPERFICIE DE TERRENO REQUERIDA. Mucha. Media. Poca. Media. PRETRATAMIENTO. Exigente Alta incidencia en v ida de membranas. Tabla 2: Comparación de las características generales de producción de los procesos de desalinización 15. 15. Tabla adaptada de REF [5] :, p. 27.. 15.

(23) IM -2004-II-19. 2.4 CAVITACION 2.4.1. DEFINICION:. Para definir la cavitación es necesario antes mencionar las principales características del proceso fundamental de la cavitación (Basándose en la REF [6] :). Cuando un cuerpo es calentado a presión constante, o cuando la presión es reducida a temperatura constante, se alcanza un estado en donde el vapor o las burbujas de vapor empiezan a hacerse visibles. El crecimiento de estas burbujas por efecto de un aumento en la temperatura es conocido como ebullición; de la misma manera el crecimiento de estas burbujas debido al cambio de presión, es llamado cavitación. 16 A diferencia de la ebullición , las cavidades o burbujas formadas debido a la reducción de presión presentan diferentes maneras de condensarse. Una vez formada la burbuja, en caso de entrar a una zona que presente un gradiente de presiones positivo esta se condensará abruptamente haciendo implosión. Por lo que el fenómeno de la cavitación abarca desde la formación de la cavidad, hasta su colapso. Con esto se puede decir que la cavitación es definida como la vaporización localizada de un líquido, causada por la reducción de presión en esta zona debido a efectos dinámicos. De acuerdo a esto, la cavitación sigue las siguientes ideas: 1. La cavitación es el resultado de una reducción de presión en el liquido, por lo que se supone que puede ser controlada si se controla dicha reducción, o estrictamente hablando, el mínimo de presión absoluta. Si esta presión crítica es mantenida por un cierto periodo de tiempo se producirá cavitación. 2. No existe una limitante si el fluido está en movimiento o en reposo, por lo que la 17 cavitación puede ocurrir en cualquiera de los dos casos. 3. La cavitación es un fenómeno definido para los líquidos, por lo que no puede ocurrir en sólidos o en gases. 4. El término de cavitación debe ser usado exclusivamente para describir el fenómeno hidráulico y termodinámico de un fluido. Los daños causados en los alabes de las bombas, en las paredes de las tuberías, etc, debido a la acción de las cavidades en su etapa de condensación debe ser llamado “erosión por cavitación” o “corrosión por cavitación”. Esta diferencia es de importancia ya que muchas veces se confunde el término cavitación con sus efectos nocivos causados por desconocimiento del tema. 2.4.2. ETAPAS Y TIPOS DE CAVITACION:. La cavitación, se puede dividir en dos etapas y en 4 tipos para clasificarla completamente (Knap, Hammilt & Daily, 1970. p. 4). Se explicarán brevemente con el fin de dar una idea. 16. En la ebullición las burbujas crecen continuamente y se condensan lentamente. Es cierto que la cavitación se debe a efectos dinámicos pero con esto no quiere decir que el fluido no pueda estar en reposo. 17. 16.

(24) IM -2004-II-19 general, y se profundizara en aquellos temas que son relevantes para el desarrollo del 18 proyecto . 2.4.2.1 Etapas: 1. Incipiente: Es cuando la cavitación es apenas detectable. Las burbujas en esta etapa son pequeñas y la zona de cavitación es limitada. Para desarrollar una cavitación incipiente se debe tener en cuenta la condición del líquido, es decir, su temperatura, sus agentes contaminantes, la presión de vaporización, etc. 2. Desarrollada: Al crecer las ratas de vaporización del fluido de tal manera que se creen zonas completamente visibles y la cavitación sea evidente, se le denomina cavitación desarrollada. 2.4.2.2 Tipos: Dentro de estas dos grandes ramas, se pueden encontrar 4 subgrupos de cavitación. 1. Cavitación Pasajera (Traveling Cavitation): Esta compuesta de cavidades individuales que se crean en la zona de baja presión, viajan con el fluido y colapsan. A simple vista se ve como una zona de vapor, sin embargo, internamente las cavidades están creándose y destruyéndose continuamente a medida que el fluido las arrastra. 2. Cavitación Estable (Fixed Cavitation): Tiene la apariencia de una zona turbulenta en donde esta ocurriendo ebullición. Este tipo de cavitación es considerada estable o cuasiestable. Este tipo de cavitación se refiere principalmente a la situación que sigue después de la incepción, en la cual el flujo del líquido crea una zona perfectamente delimitada de vapor. 3. Cavitación por Vorticidad (Vortex Cavitation): La cavitación de vórtices es encontrada en las zonas en donde existe un mayor esfuerzo cortante en un fluido rotacional. La cavidad puede ser estable o pasajera. Ocurre con frecuencia en las aspas de los barcos. Este tipo de cavitación puede ocurrir de distintas maneras, siempre y cuando exista una rotación del fluido. 4. Cavitación por Vibración (Vibratory Cavitation): La cavitación por efectos de vibración están acompañados por un fluido continuo el cual se mueve muy lentamente, lo que permite que una partícula de éste se someta a una gran cantidad de ciclos. Estos ciclos continuos de alta amplitud y alta frecuencia crean una caída de presión por debajo de la presión de vapor del líquido. Para obtener detalles de cómo es la relación de frecuencias y amplitudes, referirse a la REF [6] :. 19 2.4.3 LIMITE DE S UCCION DE BOMBEO :. Para este proyecto de de mucha más importancia y trascendencia explicar claramente éste concepto de cavitación. El limite de succión de bombeo es una medida de cabeza en la zona de baja presión de las maquinas, es decir en la succión, que se toma en cuenta con el fin de 18. 19. Para mayor información de la cavitación buscar la REF [6] :. Definición y explicación del límite de succión de bombeo, basada en la REF [2] :.. 17.

(25) IM -2004-II-19 evitar que él líquido alcance su presión de vaporización y se evapore a la entrada. Para explicar esto claramente, en la Figura 10 se muestra esquemáticamente que es lo que esto implica.. Figura 10: Limite de succión de bombeo. Suponiendo una bomba que esta localizada a una altura Hs por encima de un pozo de abastecimiento, sujeto a una presión atmosférica Patm . Con una fricción en la tubería hf y una velocidad de entrada V. La presión absoluta a la entrada de la bomba estará definida por: P V2 = (Patm − H s ) − h f − ρg 2g. (Ecn 2:1). Despreciando las perdidas por fricción y el término de velocidad se obtiene la siguiente ecuación: P = (Patm − H s ) ρg. (Ecn 2:2). P = (Patm − H s ) (Ecn 2:2), se puede observar que mientras Patm ρg sea mayor que la cabeza Hs, la bomba tendrá una presión de entrada positiva y el líquido estará en compresión. Si se levanta un poco más la bomba y Hs se hace mayor que Patm, la columna del líquido fallará puesto que éste no puede soportar tensión o una presión absoluta menor a la presión de vaporización. Para el caso que se esta estudiando, se busca que el fluido efectivamente se evapore. Se calcula la altura necesaria Hs para que la presión en la succión P sea la presión de vaporización del agua de mar a temperatura ambiente (25ºC).. En la. 18.

(26) IM -2004-II-19 Como aproximación al problema se tomarán los valores para el agua pura20, usando las tablas de la REF [9] :. Se encuentra que la presión de vapor del agua a 25 ºC es: Pv@25ºC = 3.169 KPa 21 De acuerdo a información obtenida de Internet la presión promedio de Bogotá es: Patm Bogotá = 0.742224 atm =75,2 KPa Reemplazando esta información en la ecuación (2:2), se obtiene: P P H cavitación = atm Bogota − v @ 25ºC ρg ρg Asumiendo que la densidad del agua es ρ = 1000 kg 3 y la gravedad en Bogotá es m g = 9.8 m 2 , el resultado es: s H cavitación = 7.35m Lo que indica que para que el fluido llegue a una presión de vapor en la ciudad de Bogotá se requiere una cabeza de 7.35m. Este dato será considerado posteriormente en el montaje experimental, sin embargo cabe aclarar que al ser agua de mar, las impurezas y la sal hacen que el líquido se evapore a una menor cabeza. También se está despreciando las perdidas por fricción y causadas por efecto de la velocidad, las cuales harán que la altura necesaria para que el fluido cavite aumente; al ser un proceso cuasi estático vemos que son poco significativas, y no es importante tenerlas en cuenta.. 2.5 SISTEMAS DE IMPULSION Es necesario ahora introducir los sistemas de impulsión, ya que al evaluar las alternativas se considerarán diferentes posibilidades de aplicar la cavitación. Para esto se utilizarán diferentes métodos de generarla y es por esto que se explicará brevemente en que consisten cada uno de estos sistemas. 2.5.1 EYECTORES Dentro del desarrollo de la investigación es importante incluir la teoría que contiene el funcionamiento de los eyectores, puesto que dentro del marco de las posibles soluciones es necesario conocer el funcionamiento de estos dispositivos. Los eyectores son un mecanismo de impulsión que transmite la energía por medio del choque entre dos fluidos. Se caracterizan por carecer de partes móviles, motivo por el cual no requieren de lubricación. Su construcción no presenta mayores inconvenientes, por lo que pueden hacerse en cualquier material maquinable. Prescindiendo de las pérdidas corrientes como las fuerzas de rozamiento y transformación de energía en presión, los eyectores presentan pérdidas muy considerables en su capacidad de trabajo debido a las 20. El agua de mar tiene un comportamiento diferente al agua pura, sin embargo en este proyecto se trabajará con agua pura cuando se realice el montaje experimental. 21 http://www.tutiempo.net/tiempo/Bogota_Eldorado/SKBO.htm. 19.

(27) IM -2004-II-19 pérdidas de choque, las cuales son inevitables. Aunque se puede reducir con un diseño adecuado, este factor es él que determina el rendimiento del sistema. La base del cálculo de las bombas de chorro o eyectores es el principio de impulsión, en la que dos fluidos, impulsor e impulsado, son dispuestos de tal manera que se transfiera 22 energía de un fluido a otro. Si los dos fluidos tienen el mismo estado de agregación , la teoría es amplia y numerosa, pero cuando esto no sucede, los cálculos presentan dificultades y las mejores aproximaciones se basan en conocimientos obtenidos empíricamente. En el estudio en desarrollo, los fluidos tendrán diferentes estados de agregación, y al ser escasa la información para estas condiciones se utilizará la bibliografía disponible (Ver REF [8] : y REF [4] :), en donde el estado en el que se encuentra el fluido es el mismo, para obtener alguna aproximación teórica al problema. 2.5.1.1 Teoría según S CHULZ:. Figura 11: Bomba de chorro o eyector23. Según la REF [4] : el funcionamiento de la bomba de chorro de agua es el siguiente: El agua a presión sale de la tobera impulsora а (Ver Figura 11: Bomba de chorro o eyector), y entra en la tobera de mezcla b con gran velocidad. Se mezcla con el fluido que proviene de la zona de aspiración c y le transfiere parte de su energía de movimiento. El cambio de velocidades que se produce en la tobera de mezcla, suele ir acompañado de un aumento de. 22. Estado de agregación: La materia puede encontrarse en tres formas distintas o estados de agregación básicos: sólido, líquido y gaseoso. Estos estados dependen fundamentalmente de las condiciones de presión y temperatura a la que la materia este sometida. 23 Dibujo basado en la REF [4] :, p. 289. 20.

(28) IM -2004-II-19 la presión. El subsiguiente aumento de la presión, hasta alcanzar la presión de salida, se produce en el difusor d, por transformación de la velocidad. Para realizar los cálculos se parte de que el cambio de impulsiones en la tobera de mezcla b 24 se realiza a presión constante . En relación a esto Schultz (1964), plantea una forma correlativa de obtener los datos a partir de las siguientes designaciones: H 1 (m, columna de agua) =. Altura absoluta de la presión delante de la boca de la tobera impulsora. H 2 (m, columna de agua) = Altura absoluta de la presión en la cámara de aspiración c. H ' 2 (m, columna de agua) = Altura absoluta de la presión en la boca de la tobera impulsora, o bien en la de la tobera de mezcla. H 3 (m, columna de agua) = Altura absoluta de la presión en el final de la tobera de mezcla. H 4 (m, columna de agua) = Altura absoluta de la presión en la salida del difusor.. ε=. H4 − H2 = Relación de alturas de las presiones. H1 − H2. f1 =. d 12π , m 2 = Sección del chorro impulsor. 4. [ ]. (Ecn 2:3 ). (Ecn 2:4). [ ]. f 2 , m 2 = Sección del chorro de aspiración d 3 2π f3 = , m 2 = Sección de la tobera de mezcla. 4. [ ]. [ ] 2 g ( H − H ' ) , [m s ] 2g ( H − H ) , [m s ]. c1 = ϕ1 2 g ( H1 − H ' 2 ) , m s. =. Velocidad de salida del chorro impulsor. (Ecn 2:5). c2 = ϕ2. =. Velocidad de aspiración del agua impulsada. (Ecn 2:6). =. Velocidad en la tobera impulsora con una caída de. 2. c0 = ϕ 1. c3. ,.. c 4 ,.. 2. 1. [m s ] = [m s ] =. alturas de presión H1 - H2.. (Ecn 2:7). Velocidad igualada de la mezcla en la entrada del difusor. Velocidad en la salida del difusor.. x = c 2 c ; y = c3 c 0. 2. =. Valores de la relaciones de las velocidades. (Ecn 2:8,Ecn 2:9). 0. G1 , ⎡ kg ⎤ = f 1 c1γ = Peso del agua impulsora. ⎢⎣ s ⎥⎦. Ecn 2:10. 24. Según el estudio de Weydanz, Wilhelm, Die Vorgänge in Strahlapparatten mencionado en el libro de Schultz, REF [4] :, pag 289.. 21.

(29) IM -2004-II-19 G2 , ⎡ kg ⎤ = f 2 c 2 γ = Peso del agua impulsada. ⎢⎣ s ⎥⎦ m=. G1 = Consumo relativo de agua impulsora. G2. γ , ⎡ kg ⎢⎣. Ecn 2:11. (Ecn 2:12). ⎤ = Peso específico. m3 ⎥⎦. W , [kg ] = Resistencia de rozamiento en las paredes de la tobera de mezcla. λ = Coeficiente de rozamiento. ζ = Coeficiente de pérdida. nM = Rendimiento de la tobera de mezcla nd = Rendimiento del difusor. η = Rendimiento del eyector. Estas correlaciones serán utilizadas más adelante para el cálculo de una de las alternativas de aplicaciones de la cavitación para un caso específico. Para mayor información al respecto véase REF [4] :. 2.5.1.2 Teoría según S tepanoff:. Figura 12: Bomba jet o eyector25 .. 25. Dibujo realizado según la REF [8] :, p.404.. 22.

(30) IM -2004-II-19. El principio de funcionamiento es exactamente igual al explicado anteriormente, su diferencia radica en los cálculos y las correlaciones que se utilizan. Como se mencionó anteriormente los estados de agregación no van a ser iguales para los fluidos impulsor e impulsado, por lo que se busca ver cual de estas dos teorías más aplicable. Stepanoff plantea que los eyectores pueden ser descritos por tres parámetros: R, M , y N R=. A1 Area del inyector = A2 Area de g arg anta. M =. Q2 Capacidad de bombeo = Q1 Capacidad de impulsión. (Ecn 2:14). N=. Hd − Hs Cabeza neta del eyector = H1 − H d Cabeza neta de impulsión. (Ecn 2:15). Q = Q1 + Q2 = La descarga total del eyector.. (Ecn 2:16). (Ecn 2:13). La Figura 13 muestra características típicas de los eyectores en términos de M y N. La posición de las líneas M -N está determinada por le eficiencia de la bomba de chorro. A mayor eficiencia, mayores valores de M y N, y esto se hace evidente por la siguiente ecuación: ej =. Q2 ( H d − H s) Q1 ( H1 − H d ). = M. N. (Ecn 2:17). Figura 13: Caracteristicas del eyector (Flint & Walling) 26. Esta teoría será de gran utilidad en el estudio de las alternativas que se hará posteriormente. 26. Gráfica de los eyectores obtenida experimentalmente por pruebas realizadas por el autor, REF [8] :, p.406.. 23.

(31) IM -2004-II-19 2.5.2 BOMBAS CENTRIFUGAS AUTOAS PIRANTES Las bombas centrifugas convencionales presentan una desventaja al ser puestas en marcha, pues estas no son capaces de purgar el aire de la tubería, ni del interior de si misma. Con ayuda de una serie de dispositivos se ha de purgar el aire en estas cavidades para comenzar el funcionamiento. Cuando la máquina tiene que ser operada en instalaciones donde la tubería de aspiración debe permanecer vacía (o al vacío), es necesario el uso de bombas autoaspirantes, las cuales poseen esta ventaja. Esto ocurre, por ejemplo, en las bombas de extinción de incendios, las bombas para trabajos al vacío, entre otros. El proceso de aspiración se basa en un corrimiento del líquido impulsado, que puede ser aire, o una mezcla de aire con otro fluido. Dependiendo del tipo de bomba autoaspirante esto se puede hacer de diferentes maneras, pero por lo general consiste en un cilindro sólido (Rotor) el cual rota en una carcaza excéntrica de mayor diámetro (estrator). Cuando empieza a rotar, la paleta sella un volumen del fluido desde la entrada hasta la válvula de descarga. Este volumen cambia dependiendo de la posición de la paleta, lo cual hace que la bomba cree por un lado succión y por el otro compresión (Ver Figura 14).. Figura 14: Bomba de vacío rotativa27. Este tipo de bombas, en una sola etapa pueden alcanzar presiones de entrada de 10-2 torr28. Si se desea tener presiones por debajo de este punto es necesario recurrir a bombas autoaspirantes de 2 etapas (para mayor información Ver REF [1] :) 2.5.3 BOMBAS DE EMBOLO O PIS TON Las bombas de embolo o pistón son tan sólo una rama de las bombas de desalojo, tal como se puede ver en la Figura 15. Se centrará la atención en este tipo de bombas.. 27. Gráfico obtenido de Microsoft Encarta 2003, búsqueda realizada por: bombas de vacío. 10-2 torr = 0.7532 KPa, más que suficiente para los propósitos de este proyecto (P vacío necesaria = 3.169 KPa) 28. 24.

(32) IM -2004-II-19. B OMB AS. BOMBAS DE DESALOJO. DINAMICAS Y ROTODINÁMICAS. RECIPROCANTES DE PISTON Y EMBOLO ACCION DIRECTA- Vapor ACCON MECANICA-manivela, leva. DIAFRAGMA ACCION DIRECTA ACCION MECANICA. ROTATIVAS ROTOR SIMPLE ROTOR MULTIPLE. Figura 15: Categorías de las bombas de desalojo29. El funcionamiento de las bombas de émbolo o pistón, se basa en el desalojamiento del líquido impulsado. Por medio de un movimiento reciprocante de émbolos, pistones, o diafragmas elásticos, el líquido es trasladado desde la válvula de admisión, a la válvula de descarga. Las bombas de émbolo o pistón (que son las de interés para esta investigación), pueden ser de efecto simple o de doble efecto, esto dependiendo de cómo se disponen las válvulas para la admisión y la descarga (Ver Figura 16). Por lo general la bombas de embolo se construyen de efecto simple, y las bombas de pistón se construyen de ambas maneras; la diferencia a groso modo entre estas dos radica en que en las bombas de pistón tienen un sello montado en la parte móvil (pistón), y las bombas de embolo tiene un sello montado en el cuerpo de la bomba. La descarga de fluido es intermitente de forma casi sinusoidal y en consecuencia el gasto de energía esta relacionado con su velocidad de rotación y casi independiente de la presión de bombeo. Sin embargo entre más alta es la presión de trabajo (hasta 700 atm) más pequeño es el diámetro del émbolo. La mayor parte de su consumo esta en vencer la fricción que se genera entre el pistón y la camisa, o entre el buzo y sus sellos.. 29. Esquema tomado de la REF [2] :.. 25.

(33) IM -2004-II-19. a). b) Figura 16: Bomba de pistón a) Simple Efecto30 , b) Doble efecto. 30. Dibujo tomado de: www.agroconnection.com.ar. Recuperado 10 Noviembre de 2004 en: http://www.agroconnection.com.ar/secciones/maquinaria/pulverizadoras/S027A00024.htm.. 26.

(34) IM -2004-II-19. 3. ALTERNATIVAS. La cavitación puede ser generada de diferentes maneras, por lo cual evaluaron algunas de las alternativas posibles para la solución de este problema, sin embargo el carácter de este proyecto es investigativo, por lo que cada una de las soluciones planteadas debe ser investigada a fondo para obtener resultados contundentes acerca de su viabilidad. Cabe aclarar que pueden existir muchas otras soluciones y al ser este un tema poco estudiado nada está dicho al respecto. Haciendo un análisis teórico de las propuestas, se irá buscando cual de todas es la más factible a realizar teniendo en cuenta los diferentes factores involucrados; costo, eficiencia, consumo de energía, disponibilidad de equipos, entre otros.. 3.1 ANALISIS TERMODINAMICO: Lo primero que se va a realizar es un análisis termodinámico del proceso, para saber que es lo que se va a hacer idealmente. Es importante empezar a determinar como van a ser los flujos de energía y como va a funcionar teóricamente el proceso. Para esto se grafica el diagrama P vs. V, del cual se puede obtener bastante información:. Figura 17: Diagrama P vs. V, del proceso de desalinización. (1) El ciclo comienza con agua salada a una presión atmosférica y a temperatura ambiente (Aprox. 25 ºC). (2) Se disminuye la presión hasta alcanzar la presión de saturación a 25ºC haciendo que este se evapore (cavite). (3) Por medio de trabajo se aumenta el volumen de vapor; para mantener la temperatura constante hay que introducirle calor Qin el cual será suministrado por el ambiente. El agua salada permanece abajo por acción de la gravedad, mientras que el vapor generado se transfiere a otro lugar. (4) Se retira el vapor y se empieza a someter a una presión mayor. 27.

(35) IM -2004-II-19 (5) Se extrae calor Qout (por acción de trabajo) para condensar el vapor y llevarlo a liquido saturado. (6) Se llega de nuevo a presión atmosférica. En un ciclo ideal no existirían pérdidas, sin embargo esto no sucede, y el área sombreada es el efecto de las pérdidas debido a la fricción y a la transferencia de calor. 31 Por primera ley de la termodinámica para un volumen de control , despreciando el cambio de velocidades y de alturas, resulta lo siguiente: Q VC = ∆ H + W VC •. (Ecn 3:1). Q VC = m ( he − hi ) + W VC. Esta va a ser el flujo de calor necesario para realizar el proceso de manera isotérmica. El trabajo va a ser aportado de diferentes maneras, dependiendo de la alternativa en la que se profundice, y por tanto, algunas veces este calor va a ser mayor o menor. A temperatura promedio de Bogota y sin calcular el trabajo, la ecuación Ecn 3:1 por unidad de masa es: QVC = WVC + 2438.6275 kJ kg. (Ecn 3:2). 3.2 CALCULOS VOLUMETRICOS: Con el fin de estimar el tamaño de las bombas a utilizar, o el número de ciclos necesarios para obtener una cierta cantidad de agua, se calculará el equivalente volumétrico de 1lt de agua en estado líquido, a su volumen en forma de vapor. Al tratarse de dos estados de 32 agregación diferentes cada uno tendrá una densidad específica, por lo que sus volúmenes difieren considerablemente. Para esto se realiza lo siguiente: 3. Volumen de 1 kg de agua en estado liquido = 0.001m mH 2O −l = ρ H 2 O −l .V H 2 O− l mH 2O −l = 1000 Kg 3 .0.001m 3 m mH 2O −l = 1kg. mH 2O −v =. VH 2 O−v. ν H 2 O−v. VH 2 O−v = mH 2 O−v .ν H 2 O −v VH 2 O−v = 43.3593m3 3. Volumen de 1 kg de agua en estado gaseoso = 43.35m. El volumen en vapor es considerablemente grande por cada kilogramo de agua líquida (0.001m3 en su forma líquida y 43.35m3, en su forma gaseosa), es por esto que hay que entrar a considerar el tamaño y la velocidad de la bomba, además del tiempo en que se desea realizar este proceso. 31 32. Ver REF [9] :, p. 140 Definición de estado de agregación: ver pie de página, p.20.. 28.

(36) IM -2004-II-19. 3.3. EQUILIBRIO. El estado de equilibrio se asemeja al límite de succión de bombeo, que para el problema es de suma importancia, ya que este será el punto de partida de todas las propuestas, exceptuando la de un tubo venturi (Solución 4, ver pag. 43) Lo que se busca es encontrar la altura en la que el agua va a cavitar de manera estable y de 33 forma completamente desarrollada. Estos cálculos se basan en la teoría de Torricelli , aunque ésta difiere a lo que se propone. Se plantea llenar un tubo de altura H (mayor que la altura de cavitación) completamente sin dejar espacios de aire ni ningún otro gas, como se puede ver en Figura 18, A. En A, las válvulas V1, V2 permanecen cerradas mientras el tubo se llena de agua. Luego cuando el tubo esta completamente lleno y sin ningún espacio de aire, se abre la válvula 2 (V2) manteniendo la válvula 1 (V1) cerrada (B). Esto hace que se genere una tensión en el líquido que irá disminuyendo la presión absoluta, hasta que el fluido alcanza la presión de vapor34 correspondiente a la temperatura a la que se encuentre. Es acá cuando este empieza a cavitar, y lo que se encuentra es un estado de equilibrio en el que por un lado el fluido esta sometido a presión atmosférica, y por el otro esta en un estado saturado (Vapor húmedo, ver Figura 17), sometido a su presión de vapor, en una zona de vapor húmedo (A). (B). Figura 18: Equilibrio. Con esto es de interés conocer la altura a la cual esto sucede y las dimensiones relacionadas para poder realizar un diseño de un montaje experimental. Es por esto que se hace lo siguiente:. 33. Para mayor información de Torricelli buscar acerca de los manómetros de mercurio y su funcionamiento Si en vez de un líquido existiera un sólido, este no se descolgaría hasta alcanzar su presión de vapor, pero es acá donde es importante los términos de cavitación y presión de vapor de un líquido. Por encontrarse en este estado de agregación (líquido), posee estas características que serán de gran utilidad.. 34. 29.

(37) IM -2004-II-19 Ecuaciones de equilibrio: Pv + ρgh = Patm + ρ gh2. : Equilibrio. (H − h) A1 = (h2 − h0 ) A2. : Conservación de M asa. de Fuerzas. (Ecn 3:3) (Ecn 3:4). Despejando la Ecn 3:4 (H − h) A1 = (h2 − h0 ) A2 : Conservación de Masa (Ecn 3:4) y reemplazando en Ecn 3:3 se tiene: ⎛ ⎞ A Pv + ρgh = Patm + ρ g⎜⎜ ( H − h ) 1 + h0 ⎟⎟ A2 ⎝ ⎠ Despejando h para hallar el valor de la altura en la que el agua se evapora y queda en equilibrio, se tiene:. h=. ⎛φ ⎞ 1 (Patm − Pv ) + h0 + H ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ρg ⎝ φ2 ⎠ ⎛φ ⎞ 1 + ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ φ2 ⎠. 2. 2. (Ecn 3:5). Esta ecuación va a depender de los valores de los diámetros φ1 , φ 2 , de la altura H, y del valor inicial de ho ; los cuales son parámetros de diseño. También dependerá de los valores de las presiones de vapor y atmosférica, de la densidad y de la gravedad, que para efectos de cálculos serán: 3 ρAgua = 9800kg/m 2 g = 9.8m/s Pv@25ºC = 3.169 KPa Patm Bogotá = 0.742224 atm =75,2 KPa Como se desea adaptar alguna de las alternativas al montaje realizado por Javier León en la Tesis (REF [7] :), se tomará como parámetros de diseño las dimensiones que ya existen en dicho montaje, sin embargo cabe aclarar, que como esta Tesis tiene una finalidad diferente, algunas de las dimensiones deberán ser alteradas: h0 = 0 φ1 = 4" φ 2 = 2"; Dimension alterada h = 7.62m Esta deberá ser la altura mínima que se debe tener para que el fluido cavite en equilibrio. Con este valor se puede entrar a diseñar para los diferentes sistemas de impulsión considerados, a continuación se puede observar esto. 30.

(38) IM -2004-II-19. 3.4 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS: En el estudio de las alternativas se entrara a considerar diferentes ideas para utilizar la cavitación usando cada uno de los sistemas de impulsión mencionados en el numeral 2.5, p.19. Se estimará un costo aproximado de construir cada una de estas alternativas, dependiendo de las necesidades y requerimientos de cada montaje; este será el factor determinante para la selección del montaje experimental. Sin embargo también se estimará el consumo de energía y su eficiencia, con el fin de poder comparar la desalinización aplicando la cavitación, con los métodos ya existentes para tal fin (Ver numeral 2.2 y tabla Tabla 2). 3.4.1. S olución 1: Bomba Rotativa. Esta alternativa es una de las más llamativas, debido a la eficiencia de las máquinas rotativas (del orden de 90%). El proceso consiste en lo siguiente: Se hace que el fluido cavite como se expuso en el Numeral 3.3. Luego se crea una zona de menor presión en la válvula 1 (V1) gracias al accionamiento de una bomba rotativa (Ver Figura 19). Una vez la bomba genera una presión menor a la que se tiene del otro lado de la válvula 1 (V1), se abre esta válvula y el vapor empezará a fluir a la zona de menor presión. Sin embargo esto presenta mayores complicaciones, sobre todo en la parte termodinámica, en donde se deben manejar muy bien los flujos de calor para que el proceso se cumpla. Esto se entrará a considerar a continuación.. Figura 19: Proceso con Bomba rotativa. La bomba rotativa tendrá un problema termodinámico que hay que entrar a considerar. En el lado de succión, el vacío hará que la temperatura tienda a bajar, y por el contrario en el lado de la compresión la temperatura aumentará. Al ser necesario que la temperatura. 31.

(39) IM -2004-II-19 permanezca constante y se acerque lo más que se pueda a un proceso isotérmico35, es necesario contar con un sistema de transferencia de calor que mantenga refrigerado la parte de compresión y suministre calor en la parte de succión. En la Figura 20 se puede observar esto con detalle.. Figura 20: Problemas Termodinámicos. Para poder determinar la cantidad de calor que se debe transferir, es necesario realizar un montaje experimental y estudiar a fondo como sucede esto y cuanta energía requiere. Este sistema de refrigeración y calefacción, sumará cierta cantidad de energía al proceso con una bomba rotativa, y solo se podrá saber si el montaje es realizado. Para efectos de este estudio se le denominará trabajo adicional por efectos de temperatura constante (WT constante ).. Figura 21: Esquema bomba rotativa con efectos termodinámicos. 35. Isotérmico: Proceso que se realiza a temperatura constante.. 32.

Referencias

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