Adaptación de una bomba de calor de corriente continua movida por energía solar a un sistema de destilación de agua

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(1)IM-2003-II-28. ADAPTACIÓN DE UNA BOMBA DE CALOR DE CORRIENTE CONTINUA MOVIDA POR ENERGÍA SOLAR A UN SISTEMA DE DESTILACIÓN DE AGUA. FEDERICO PATIÑO URIBE. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2004 1.

(2) IM-2003-II-28. ADAPTACIÓN DE UNA BOMBA DE CALOR DE CORRIENTE CONTINUA MOVIDA POR ENERGÍA SOLAR A UN SISTEMA DE DESTILACIÓN DE AGUA. FEDERICO PATIÑO URIBE. Trabajo de Grado presentado a: La Universidad de los Andes para optar al título de Ingeniero Mecánico. Director RAFAEL G. BELTRÁN PULIDO Ingeniero Mecánico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2004 2.

(3) IM-2003-II-28. A mis Padres por su apoyo incondicional. 3.

(4) IM-2003-II-28. AGRADECIMIENTOS. A mis padres por creer tanto en mí, por su paciencia, su comprensión, por ayudarme a salir adelante en los momentos más difíciles y sobre todo por apoyarme incondicionalmente.. A la Universidad de los Andes y, en especial al Departamento de Ingeniería Mecánica, gracias a la cual he recibido una excelente formación profesional.. A Jorge, Norman y Don Mateo técnicos del laboratorio, por su gran colaboración durante este proyecto.. A toda mi familia por todo el apoyo que me dieron durante este tiempo.. A Papo, el Negro, Ovalle, Rafa y todos mis amigos por acompañarme durante estos años.. A Nelson por su especial ayuda durante la realización de este proyecto.. Al profesor Rafael G. Beltrán Pulido, director de este trabajo por su asesoría, su comprensión, su disponibilidad, su paciencia y su apoyo.. 4.

(5) IM-2003-II-28. CONTENIDO. Pág. 0. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….19 0.1 IMPORTANCIA…………………………………………………………………19 0.2 ORIGEN…………………………………………………………………………19 0.3 ANTECEDENTES……………………………………………………………...20 0.4 OBJETIVOS…………………………………………………………………….23 1. ADAPTACIÓN DE UNA BOMBA DE CALOR DE CORRIENTE CONTINUA MOVIDA POR ENERGÍA SOLAR A UN SISTEMA DE DESTILACIÓN DE AGUA…………………………………….24 1.1 UBICACIÓN DE LA EXPERIENCIA EN PROCESO, EN EL ESQUEMA DE LA PLANTA CON EL SISTEMA DE VACIO……………..24 1.2 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES………………………………...25 1.2.1 Bomba de Calor……………………………………………………………..25 1.2.1.1 Elementos componentes…………………………………………………26 1.2.1.1.1 Compresor……………………………………………………………….26 1.2.1.1.1.1 Clasificación de los compresores…………………………………...26 1.2.1.1.1.1 Compresores de desplazamiento positivo…………………………27 1.2.1.1.1.1.1 Alternativos………………………………………………………….27 1.2.1.1.1.1.2 Rotativos…………………………………………………………….28 1.2.1.1.1.1.3 Centrífugos………………………………………………………….28 5.

(6) IM-2003-II-28. 1.2.1.1.2 Condensador…………………………………………………………….29 1.2.1.1.2.1 Condensadores que ceden el calor del refrigerante al agua….....29 1.2.1.1.2.2 Condensadores que ceden el calor del refrigerante al aire………29 1.2.1.1.2.2.1 Cambiadores de doble tubo en contracorriente…………………29 1.2.1.1.2.2.2 Multitubulares horizontales………………………………………..30 1.2.1.1.3 Evaporador………………………………………………………………30 1.2.1.1.3.1 Evaporadores de expansión seca………………………………….30 1.2.1.1.3.2 Evaporadores de inundados………………………………………...30 1.2.1.1.3.3 Evaporadores de aire………………………………………………..31 1.2.1.1.3.4 Evaporadores de agua……………………………………………....30 1.2.1.1.4 Dispositivos de expansión……………………………………………..31 1.2.1.1.5 Dispositivos de seguridad y control…………………………………..31 1.2.1.1.5.1 Presóstato de alta presión…………………………………………..31 1.2.1.1.5.2 Presóstato de baja presión………………………………………….31 1.2.1.1.5.3 Presóstato de aceite…………………………………………………31 1.2.1.1.5.4 Termostato de descarga…………………………………………….32 1.2.1.1.6 Dispositivos auxiliares…………………………………………………32 1.2.1.1.6.1 Válvulas solenoides………………………………………………….32 1.2.1.1.6.2 Válvulas de cuatro vías……………………………………………...32 1.2.1.1.6.3 Depósito de refrigerante…………………………………………….33 1.2.1.1.6.4 Filtro de limpieza……………………………………………………..33. 6.

(7) IM-2003-II-28. 1.2.1.2Funcionamiento……………………………………………………………...33 1.2.1.2.1 Ciclo termodinámico de funcionamiento……………………………….33 1.2.1.2.2 Bomba de calor de compresión mecánica……………………….........35 1.2.1.2.3 Bomba de calor de absorción……………………………………………37 1.2.1.3 Focos…………………………………………………………………………38 1.2.1.3.1 Focos fríos…………………………………………………………….......38 1.2.1.3.1.1 Aire atmosférico…………………………………………………….......39 1.2.1.3.1.2 Aire de extracción……………………………………………………....39 1.2.1.3.1.3 Aguas naturales…………………………………………………….......40 1.2.1.3.1.4 Energía solar……………………………………………………………40 1.2.1.3.1.5 Energía geotérmica del suelo y el subsuelo……………………......40 1.2.1.3.1.6 energías residuales y procedentes de procesos……………………40 1.2.1.3.2 Focos calientes……………………………………………………………41 1.2.1.3.2.1 Aire……………………………………………………………………….41 1.2.1.3.2.2 Agua……………………………………………………………………...41 1.2.1.4 Clasificación…………………………………………………………………42 1.2.1.4.1 Según el tipo de proceso………………………………………………...42 1.2.1.4.2 Según el medio de origen y el destino de la energía………………....43 1.2.1.4.2.1 Bombas de calor aire-aire……………………………………………..44 1.2.1.4.2.2 Bombas de calor aire-agua……………………………………………44 1.2.1.4.2.3 Bombas de calor agua-aire……………………………………………44. 7.

(8) IM-2003-II-28. 1.2.1.4.2.4 Bombas de calor agua-agua…………………………………………..44 1.2.1.4.2.5 Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua……………………………44 1.2.1.4.3 según construcción……………………………………………………….45 1.2.1.4.3.1 Compacta…………………………………………………….………….45 1.2.1.4.3.2 Split o partidas…………………………………………….…………….45 1.2.1.4.3.3 Multi-split…………………………………………………………….…..45 1.2.1.4.4 Según funcionamiento……………………………………………….…..45 1.2.1.4.4.1 Reversibles………………………………………………………….…..46 1.2.1.4.4.2 No reversibles……………………………………………………….….46 1.2.1.4.4.3 Termofrigobombas……………………………………………….…….46 1.2.1.5 Refrigerantes…………………………………………………………..…….46 1.2.2 Métodos usados en la purificación de agua………………………………..48 1.2.2.1 Físicos………………………………………………………………………..48 1.2.2.1.1 Tratamiento térmico ……………………………………………………...48 1.2.2.1.2 Osmosis inversa y nanofiltración………………………………………..48 1.2.2.1.3 Filtración…………………………………………………………………...49 1.2.2.1.4 Destilación………………………………………………………………....49 1.2.2.1.4.1 Destilación simple………………………………………………………49 1.2.2.1.4.2 Destilación de efecto múltiple…………………………………………50 1.2.2.1.4.3 Destilación flash………………………………………………………...50 1.2.2.1.4.4 Destilación por compresión de vapor………………………………...51. 8.

(9) IM-2003-II-28. 1.2.2.1.4.5 Destilación solar………………………………………………………...51 1.2.2.2 Químicos……………………………………………………………………..51 1.2.2.2.1 Cloración…………………………………………………………………..51 1.2.2.2.2 Yodación…………………………………………………………………...52 1.2.2.3 Métodos que requieren el uso de electricidad…………………………...52 1.2.2.3.1 Ozono………………………………………………………………………52 1.2.2.3.2 Rayos ultravioleta…………………………………………………………52 1.2.3 Instalación del Sistema……………………………………………………….52 1.2.3.1 Aprovechamiento de la planta piloto de destilación…………………….52 1.2.3.2 Adaptaciones………………………………………………………………..56 1.2.3.2.1 Instalación del compresor…………………………………………….....56 1.2.3.2.2 Instalación del termostato………………………………………………..57 1.2.3.2.3 Esquema de conexión……………………………………………………58 1.3 ENERGÍA SOLAR……………………………………………………………….59 1.3.1 Energía solar térmica………………………………………………………..60 1.3.2 Energía solar fotovoltaica…………………………………………………...61 1.3.3 Sistema fotovoltaico…………………………………………………………61 1.3.3.1. Paneles solares…………………………………………………………..62. 1.3.3.1.1 Montaje de los paneles solares………………………………………...62 1.3.3.1.2 Angulo de inclinación …………………………………………………...63 1.3.3.1.3 Esquema de conexión de los paneles…………………………………64. 9.

(10) IM-2003-II-28. 1.3.3.2. Baterías …………………………………………………………………..64. 1.3.3.2.1 Dimensionamiento de las baterías……………………………………..65 1.3.3.3. Inversor……………………………………………………………………68. 1.4 MONTAJE DEL SISTEMA……………………………………………………...68 1.4 .1 CONDICIONES DE OPERACIÓN Y DESEMPEÑO……………………..69 1.4.1.1. Mediciones………………………………………………………………..69. 1.4.1.1.1 Instrumentos de medición………………………………………………69 1.4.1.1.2 Radiación solar y corriente……………………………………………...70 1.4.1.1.3 Temperatura del serpentín de condensación…………………………73 1.4.1.1.4 Temperatura de ebullición del agua para el sistema………………...74 2. RESULTADOS………………………………………………………………...…76 2.1 VENTAJAS DEL SISTEMA DE DESTILACIÓN FUNCIONANDO CON ENERGÍA SOLAR………………………………………………………..76 2.2 DESVENTAJAS………………………………………………………………….77 3. CONCLUSIONES………………………………………………………………..78 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………….81 ANEXOS………………………………………………………………………………83. 10.

(11) IM-2003-II-28. FIGURAS. Pág.. Figura 1. Esquema de la planta piloto de destilación………………………………..21 Figura 2. Ubicación de la experiencia en proceso en el esquema de la planta con sistema de vacío……………………………………………..24 Figura 3. Diagramas termodinámicos del ciclo reversible de compresión del vapor……………………………………………………………………....33 Figura 4. Bomba de calor de compresión mecánica…………………………………35 Figura 5. Bomba de calor de absorción……………………………………………….37 Figura 6. Primera planta de destilación instalada……………………………….……53 Figura 7. Planta de destilación piloto…………………………………………………..54 Figura 8. Montaje de la planta de destilación con las modificaciones realizadas……………………………………………………………………..54 Figura 9. Instalación del compresor……………………………………………………57 Figura 10. Instalación del termostato………………………………………………….58 Figura 11. Esquema de conexión………………………………………………………59 Figura 12. Montaje de los paneles solares……………………………………………63 Figura 13. Esquema de conexión de los paneles solares ………………………….64 Figura 14. Baterías de 12 V y 12 Ah………………………………………………..…65. 11.

(12) IM-2003-II-28. Figura 15. Sistema de paneles solares-baterías……………………………………..68 Figura 16. Montaje de todo el sistema………………………………………………...69 Figura 17. Instrumentos de medición…………………………………………………70 Figura 18. Corriente vs radiación solar………………………………………………..71 Figura 19. Corriente vs radiación solar (corregida)…………………………………..73 Figura 20. Temperatura del condensador vs temperatura del foco frío……………74. 12.

(13) IM-2003-II-28. TABLAS. Pág.. Tabla 1. Focos frío más ampliamente utilizados……………………………………..39. Tabla 2. Temperaturas de distribución de agua y aire para diferentes aplicaciones……………………………………………………………………42. Tabla 3. Bombas de calor según medio de origen y medio receptor………………43. Tabla 4. Factor de destrucción de ozono para los refrigerantes más comunes…..47. Tabla 5. Valores medidos de radiación solar y corriente……………………………71. Tabla 6. Valores medidos de radiación solar y corriente (corregidos)……………..72. Tabla 7. Datos de temperatura del condensador y de la fuente de calor………….74. 13.

(14) IM-2003-II-28. SIMBOLOS EMPLEADOS. I : Corriente. I n : Corriente requerida por el sistema. P : Potencia. Pt : Potencia total del sistema. Qh : Calor cedido por el refrigerante.. Ql : Calor absorbido en el proceso de saturación del refrigerante.. R : Radiación solar. V : Voltaje. W : Trabajo suministrado al compresor. 14.

(15) IM-2003-II-28. ANEXOS. Pág.. Anexo A. Referencias técnicas del compresor de 24 V…………………...…….83. Anexo B. Planos, propiedades mecánicas y características de los Paneles solares……………………………………………………………85. 15.

(16) IM-2003-II-28. RESUMEN. TITULO DEL PROYECTO: ADAPTACION DE UNA BOMBA DE CALOR DE CORRIENTE CONTINUA MOVIDA POR ENERGÍA SOLAR A UN SISTEMA DE DESTILACIÓN DE AGUA.. AUTOR: FEDERICO PATIÑO URIBE. PROFESOR ASESOR: RAFAEL G. BELTRÁN PULIDO. OBJETIVOS GENERALES:. Optimizar el sistema de destilación de agua por vacío mediante la adaptación de una bomba de calor de corriente continua movida por energía solar.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:. -. Adaptar una bomba de calor de corriente continua movida por energía solar a una sistema de destilación de agua.. 16.

(17) IM-2003-II-28. -. Evaluar la conveniencia de la utilización de energía solar en la destilación de agua por medio de vacío.. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO UTILIZADO:. Para la realización de este proyecto se utilizó la planta piloto de destilación de agua desarrollada en el proyecto CYTED VI.7, y se le cambió la bomba de calor, por una más pequeña con el fin de lograr que el sistema funcionara con energía solar. Adicionalmente se realizó el montaje del sistema fotovoltaico, el cual consistía en cuatro paneles solares divididos en dos parejas conectadas cada una en serie, y en paralelo entre las parejas, para así obtener el voltaje necesario para mover el compresor. Estos paneles iban conectados a dos baterías las cuales a su vez alimentaban el inversor que controlaba el sistema de destilación de agua.. FACTIBILIDAD:. Este proyecto busca mejorar la calidad de vida y el bienestar de numerosos colombianos que no gozan de una calidad de agua aceptable debido a la contaminación biológica y/o química.. 17.

(18) IM-2003-II-28. La utilización de la energía solar, para mover la bomba de calor de corriente continua, hace más viable que en un futuro la planta piloto de potabilización de agua pueda satisfacer las necesidades de poblaciones apartadas sin acceso a energía eléctrica.. CONCLUSIONES:. La utilización de la bomba de calor y además combinada con una forma limpia de energía como la solar tiene significativas ventajas pues además del ahorro energético que esto representa se logran bajar la emisiones de CO2 , y así disminuir la contaminación ambiental. Sin embargo con un sistema tan pequeño como el diseñado, no se logra calentar suficientemente el agua para llevarla a su punto de ebullición, por lo que se sugiere probar este sistema en otro lugar con unas condiciones climáticas diferentes como la Costa Atlántica, o diseñar otro sistema más grande aunque más costoso conservando las características para que puede funcionar con energía solar y, en lo posible, que funcione con refrigerantes R-22 o R134a que no dañan la capa de ozono.. 18.

(19) IM-2003-II-28. 0. INTRODUCCIÓN. Este trabajo es un informe sobre la adaptación de una bomba de calor de corriente continua movida por energía solar a un sistema de destilación de agua. Esta introducción revisa la importancia, el origen, los antecedentes, los objetivos. Los alcances, las limitaciones, la metodología y el significado de este estudio para el posible avance en el campo del aprovechamiento de nuevas tecnologías para el tratamiento de aguas para el consumo humano.. 0.1. IMPORTANCIA. Colombia es uno de los países con mayor riqueza hídrica, sin embargo factores como la tala indiscriminada, el sobrecalentamiento global y la contaminación biológica y química están disminuyendo significativamente el agua adecuada para el consumo humano. Por eso es necesario investigar sobre nuevas tecnologías y su aprovechamiento en el tratamiento de aguas para el consumo humano.. 0.2. ORIGEN. El origen de este proyecto está asociado con el desarrollo de una unidad para potabilización de agua para cubrir la necesidad de este líquido en una población. 19.

(20) IM-2003-II-28. de aproximadamente 100 personas por día. Lo que resulta particularmente importante en casos como los de personas que residen en asentamientos humanos sin acceso a servicios públicos o que han sobrevivido en áreas de desastre.. 0.3. ANTECEDENTES. Como anota Beltrán, 2003, citado en “Desarrollo de un prototipo de destilación de aguas por medio de vacío”, en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes se realizan experiencias con sistemas de destilación simple y por etapas múltiples acoplados a sistemas de tratamiento mediante luz ultravioleta que permitieron obtener aguas “prácticamente puras y libres de minerales”. Más adelante se construyó una planta de pruebas donde, entre otras investigaciones, se analizó el consumo de energía comparando la destilación de agua por vacío con un sistema de destilación por presión atmosférica. Posteriormente, dentro del Proyecto CYTED VI.7 Aprovechamiento de nuevas tecnologías destinadas al tratamiento de aguas para consumo humano, Puentes 2002 estudió la destilación de agua a baja presión. Beltrán, ya citado en “Desarrollo de un Prototipo de Destilación de Aguas por Medio de Vacío”, hizo una revisión de una serie de trabajos como los realizados por Medina, 2003: “Rediseño, Instalación y Pruebas de un sistema de Potabilización” y el de Moreno,. 20.

(21) IM-2003-II-28. 2003: “Optimización de una Planta Piloto de Destilación al Vacío”. Los trabajos de los mencionados Beltrán, Puentes, Medina y Moreno hicieron posible el desarrollo del sistema que encontró Gómez, 2003 como punto de partida para su trabajo: “Optimización de una Planta Piloto de Destilación al Vacío”. En dicho trabajo su autor ilustra y describe ese sistema así:. Figura 1. Esquema de la planta piloto de destilación.. Tomada de Gómez, 2003. Optimización de un sistema de potabilización por vacío. Bogotá: Universidad de los Andes.. En el equipo construido para realizar vacío consta de bomba de calor,. de un. compresor R operado con refrigerante R-22, un eyector E, el cual es accionado por medio de una bomba centrífuga B de 1 H.P, y cuyo fin es realizar vacío. Mediante la operación del eyector y del intercambiador de calor C, se logran 21.

(22) IM-2003-II-28. presiones del orden de 2.5 pulgadas de mercurio absolutas dentro del depósito de agua cruda con lo cual la ebullición de esta se realiza a 46 °C.. Gómez, 2003 se propuso optimizar el desempeño de una planta de potabilización de agua por medio de vacío y para ello ensayó reemplazar el sistema de vacío existente. Compuesto por un compresor y un eyector, por una bomba de vacío de anillo líquido directamente conectada al tanque. Probó también con la disminución de las dimensiones del eyector para que se acoplara a una bomba de 1/20 HP en lugar de la bomba original de 120 HP. Finalmente concluyó que es factible reducir el consumo de energía de la planta utilizando una bomba de desplazamiento positivo como una bomba de tipo pistón o una bomba de engranajes, que el empleo de una bomba de anillo líquido no reduce significativamente el consumo de energía y que para cambiar el eyector instalado por uno de menor tamaño hay que reemplazar la bomba por una de mayor cabeza dinámica y menor caudal que la instalada.. Estas experiencias reseñadas han realizado aportes significativos para el desarrollo y la optimización de una planta de potabilización de agua por medio de vacío. Continuando con esta línea el presente trabajo pretende probar la. 22.

(23) IM-2003-II-28. adaptación de una bomba de calor de corriente continua movida por energía solar a un sistema de destilación de agua.. 0.4. OBJETIVOS. El presente trabajo propone los siguientes objetivos:. -. Adaptar una bomba de calor de corriente continua movida por energía solar a un sistema de destilación de agua.. -. Evaluar la conveniencia de la utilización de energía solar en la destilación de agua por medio de vacío.. -. Optimizar el diseño de sistema de destilación de agua por vacío objeto de la investigación.. 23.

(24) IM-2003-II-28. 1.. ADAPTACIÓN DE UNA BOMBA DE CALOR DE CORRIENTE CONTINUA MOVIDA POR ENERGÍA SOLAR A UN SISTEMA DE DESTILACIÓN DE AGUA.. En esta sección se describirá donde se ubica el presente trabajo en relación con la planta de potabilización y las experiencias de optimización que lo han precedido. También se describirán los componentes y la instalación dentro del sistema.. 1.1. UBICACIÓN DE LA EXPERIENCIA EN PROCESO EN EL ESQUEMA DE LA PLANTA CON SISTEMA DE VACÍO. A partir del esquema de la planta piloto de destilación presentado por Beltrán, 2003, es posible reconocer que las adaptaciones y las pruebas propuestas están relacionadas en el sector encerrado por la línea punteada en la figura 2:. Figura 2. Ubicación de la experiencia en proceso en el esquema de la planta con el sistema de vacío.. 24.

(25) IM-2003-II-28. 1.2. COMPONENTES. 1.2.1 Bomba de Calor.. En la naturaleza el calor, fluye desde las altas. temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo una bomba de calor es un montaje que de manera cíclica extrae calor de un medio de baja temperatura (foco frío) para cederlo a un medio de alta temperatura. Dichas bombas pueden tomar el calor desde fuentes naturales tales como el agua, el aire o la tierra y llevarlo a los sitios que se desee calentar o emplearlo en procesos que lo requieran. De igual forma es posible usar los calores residuales de procesos industriales como foco frío y así poder contar con una fuente de temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema.. Las bombas de calor no sólo sirven para calentar alguna zona deseada, también pueden ser usadas para refrigerar, caso en el cual la transferencia de calor se realiza a la inversa, es decir desde la aplicación que requiere frío al lugar que se encuentra a temperatura superior. En este caso, el desecho del sistema es el calor extraído en el enfriamiento, aunque en algunas aplicaciones es posible que este calor sea aprovechado para suplir otra necesidad.. 25.

(26) IM-2003-II-28. 1.2.1.1. Elementos Componentes. Una bomba de calor esta compuesta por las mismas partes que un sistema de refrigeración de ciclo de compresión de vapor: un compresor, un evaporador, un condensador y un sistema de expansión.. 1.2.1.1.1. Compresor. Es el encargado de elevar la presión del refrigerante. desde una presión de aspiración a una presión de descarga más alta.. 1.2.1.1.1.1. Clasificación de los Compresores. Los compresores se pueden clasificar en compresores de desplazamiento positivo, que pueden ser alternativos o rotativos y compresores centrífugos. Dependiendo. del. acoplamiento. motor-compresor. pueden. ser:. abiertos,. semiherméticos y herméticos.. Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan en el montaje asegurándose la estanqueidad en el paso del eje. Son utilizados en aplicaciones aisladas y nunca en equipos de serie.. 26.

(27) IM-2003-II-28. Semiherméticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, por lo cual su rendimiento es superior al de los abiertos. Se utilizan para potencias mayores a 60-70kW, una aplicación típica es en una bomba de calor aire-agua.. Herméticos: Además de compartir el eje el motor y el compresor se alojan en el mismo envolvente, por lo que la recuperación del calor generado en el motor es mayor. Se utilizan para potencias inferiores a 60-70 kW, caso típico de bombas de calor eléctricas.. 1.2.1.1.1.1.1 Compresores de desplazamiento positivo. 1.2.1.1.1.1.1.1. Alternativos. Estos compresores se dividen en dos clases los. alternativos húmedos y los alternativos secos. Los primeros están compuestos por un número variable de cilindros en el interior de los cuales se desplazan pistones que comprimen el fluido y disponen de un sistema de lubricación mediante aceite a presión, aunque este circuito de aceite actúa también como refrigerante, presenta problemas de ensuciamiento en el fluido refrigerante con aceite que puede penetrar en el interior de los cilindros. Los segundos obtienen presiones de descarga más elevadas que los anteriores pues la compresión se da en varias. 27.

(28) IM-2003-II-28. etapas; el calor generado en la compresión es extraído mediante circuitos de agua en las etapas entre compresiones.. 1.2.1.1.1.1.1.2. Rotativos. Los compresores rotativos se utilizan para grandes. potencias (mayores a 500kW) y al igual que los compresores alternativos, los rotativos también se dividen en dos clases, los de tornillo seco y los de tornillo húmedo. Los primeros consisten en dos rodillos con un perfil helicoidal, uno macho y uno hembra que giran con sus ejes paralelos, lo que produce primero que el espacio entre ellos aumente y genere una depresión por la cual se aspira el fluido y finalmente se reduce comprimiendo el fluido; como no hay contacto entre los rotores no es necesaria la lubricación con aceite, pero si es necesaria una refrigeración auxiliar. En los compresores de tornillo húmedo se inyecta aceite a presión entre los rotores para que se de la refrigeración y la lubricación.. 1.2.1.1.1.1.3 Compresores Centrífugos. Este tipo de compresores posee varias etapas de tal manera que tienen grandes saltos de presión, por lo que se destinan a equipos de gran potencia.. 28.

(29) IM-2003-II-28. 1.2.1.1.2. Condensador.. Los condensadores se pueden clasificar en condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire y condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua.. 1.2.1.1.2.1. Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al agua.. Son tubos de cobre con aletas de aluminio que aumentan la transmisión de calor.. 1.2.1.1.2.2. Condensadores que ceden el calor del fluido refrigerante al aire. Este. tipo de condensadores a su vez se dividen en cambiadores de doble tubo en contracorriente y multitubulares horizontales.. 1.2.1.1.2.2.3 Cambiadores de doble tubo en contracorriente. El agua circula por el tubo interior, mientras el fluido refrigerante circula por el espacio entre tubos donde es condensado.. 29.

(30) IM-2003-II-28. 1.2.1.1.2.2.4 Multitubulares horizontales. En este tipo el fluido refrigerante se condensa dentro de los tubos de cobre, los cuales se encuentran dentro de una carcaza en la que circula el agua.. 1.2.1.1.3. Evaporador. Los evaporadores se pueden clasificar según el estado del vapor refrigerante a la salida del evaporador en evaporadores de expansión seca y evaporadores inundados; y según el fluido del que se extraiga calor en evaporadores de aire y evaporadores de agua.. 1.2.1.1.3.1. Evaporadores de expansión seca. En este tipo de evaporadores el. vapor que es introducido en el compresor está sobrecalentado y no hay presencia de líquido. Este tipo de evaporadores es ampliamente utilizado en aplicaciones que requieran compresores centrífugos, en los cuales debido a la alta velocidad que manejan la presencia de gotas sería fatal para los álabes.. 1.2.1.1.3.2. Evaporadores inundados. En estos evaporadores el vapor que entra. en el compresor se encuentra saturado, y en algunos casos contiene gotas de líquido.. 30.

(31) IM-2003-II-28. 1.2.1.1.3.3. Evaporadores de aire. Estos disponen de una carcaza en la que se. fuerza la corriente de aire desde el exterior con unos ventiladores, y una serie de tubos contenidos en dicha carcaza por los que circula el refrigerante.. 1.2.1.1.3.4. Evaporadores. de. agua.. Estos. pueden. ser. coaxiales. en. contracorriente o multitubulares, y su funcionamiento es similar al de los condensadores que llevan el mismo nombre.. 1.2.1.1.4. Dispositivos de expansión. Con estos se logra reducción de presión. isoentálpica desde la presión de condensación hasta la de evaporación. Los elementos que se utilizan para este propósito son el tubo capilar para máquinas de potencia reducida y constante y la válvula de expansión, la cual tiene la característica de que su sección puede ser variada automáticamente de modo que el sobrecalentamiento por la evaporación se mantenga constante y no llegue líquido al compresor, las válvulas de este tipo son conocidas como válvulas termostáticas.. 1.2.1.1.5. Dispositivos de seguridad y control.. Estos dispositivos están diseñados para la protección del compresor cuando este se encuentre trabajando fuera de los parámetros normales.. 31.

(32) IM-2003-II-28. 1.2.1.1.5.1. Presóstato de alta presión. Para el funcionamiento del compresor. cuando la presión de condensación es muy elevada.. 1.2.1.1.5.2. Presóstato de baja presión. Para el funcionamiento del compresor. cuando la presión de aspiración es demasiado baja.. 1.2.1.1.5.3. Presóstato de aceite. Para el funcionamiento del compresor cuando. baja la presión de aceite del circuito de refrigeración y lubricación de aceite.. 1.2.1.1.5.4. Termostato de descarga. Desactiva el compresor cuando la. temperatura de descarga es demasiado elevada.. 1.2.1.1.6. 1.2.1.1.6.1. Dispositivos Auxiliares. Válvulas solenoides. Evitan el paso del fluido al evaporador evitando. que se inunde cuando el compresor se detiene.. 1.2.1.1.6.2. Válvulas de cuatro vías. Se utilizan en bombas de calor reversibles y. para evitar el desescarche, y su función es invertir el ciclo.. 32.

(33) IM-2003-II-28. 1.2.1.1.6.3. Depósito de refrigerante. Se ubica a la salida del condensador y. antes de la válvula de expansión y su finalidad es acumular el excedente de fluido refrigerante.. 1.2.1.1.6.4. Filtro de limpieza. Se sitúa antes del acumulador y su función es. limpiar el fluido refrigerante de impurezas para evitar daños en el compresor.. 1.2.1.2. Funcionamiento. La mayoría de las bombas de calor trabajan con el ciclo de compresión de un fluido condensable.. 1.2.1.2.1. Ciclo. termodinámico. de. funcionamiento.. En. los. diagramas. termodinámicos de la figura 5 se describe el ciclo de compresión de vapor.. Figura 3. Diagramas termodinámicos del riclo reversible de compresión de vapor. (a) Temperatura vs Entropía específica y (b) Presión vs Entalpía específica. 33.

(34) IM-2003-II-28. El ciclo de compresión de vapor, tal como lo describe y sintetiza Flórez, 20021, consiste en cuatro etapas y para su explicación se supondrá que este es un proceso ideal, es decir no se tendrán en cuenta las perdidas de presión por el paso del refrigerante a través de tubos, ni las perdidas de presión al entrar en la válvula de expansión. En el estado 1 el refrigerante se encuentra en forma de mezcla saturada líquidovapor, luego absorbe del ambiente la energía suficiente para convertirse en vapor saturado en el estado 2, a igual presión y temperatura de saturación.. Este es un proceso isotérmico de intercambio de energía el cual se realiza a través del evaporador.. En el estado 2 el refrigerante entra al compresor, el cual eleva la presión del estado 2 al 3. Si el compresor trabajara en forma ideal, este sería un proceso. En el estado 3 el refrigerante se encuentra como vapor sobrecalentado, con presión y temperatura altas. En este instante comienza el proceso isobárico en el cual se le cede calor al medio a calentar, que en este caso es el agua.. El refrigerante cede calor sensible, y pasa del estado de vapor sobrecalentado a 1. Flórez, Laura Fernanda. Calentamiento de agua a través de una bomba de calor con motor de combustión interna. Tesis de gradao. Bogotá. Universidad de los Andes. 2001.pp., 4-6. 34.

(35) IM-2003-II-28. vapor saturado, y calor latente desde vapor saturado hasta líquido saturado, en el estado final, 4. El proceso anterior ocurre en el condensador.. Como es necesario que el ciclo vuelva a comenzar, el refrigerante tiene que perder presión, trabajo que realiza el dispositivo de expansión.. 1.2.1.2.2. Bomba de calor de compresión mecánica. En esta parte se explicará. de una manera más sencilla y práctica el ciclo mencionado anteriormente con el fin de lograr un real entendimiento del funcionamiento de la bomba de calor.. Figura 4. Bomba de calor de compresión mecánica activada por motor eléctrico. 35.

(36) IM-2003-II-28. Etapas del ciclo de compresión:. La primera etapa se desarrolla en el evaporador en el cual la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), así el calor fluye de la fuente al fluido refrigerante induciendo la evaporación del mismo.. En la segunda etapa el vapor que sale del evaporador entra en el compresor en el cual es comprimido elevando así su presión y temperatura.. En la tercera etapa entra el vapor caliente al condensador, momento en que el fluido cede el calor al medio (que en el caso de estudio es agua). En la última etapa el líquido a alta presión que sale del condensador se expande, por acción de la válvula de expansión, hasta alcanzar la presión y temperatura del evaporador para comenzar nuevamente el ciclo.. Las bombas de calor pueden ser accionadas mediante un motor eléctrico o mediante un motor térmico, es decir mediante un motor de combustión que puede ser alimentado con un gas o un combustible líquido.. 36.

(37) IM-2003-II-28. 1.2.1.2.3 Bomba de calor de absorción. Son bombas que trabajan con energía térmica en vez de mecánica. El sistema de absorción se basa en la capacidad de ciertos líquidos y ciertas sales de absorber el fluido refrigerante. Para tal efecto se utiliza actualmente la combinación de agua como fluido refrigerante y bromuro de litio como absorbente, o de igual manera amoníaco como refrigerante con agua como absorbente. Figura 5. Bomba de calor de absorción.. Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión la única diferencia es que el compresor es sustituido por un circuito de disoluciones que al igual que el compresor eleva tanto la presión como la temperatura del fluido frigorífico en estado vapor. En la figura 7, puede observar claramente el circuito de disoluciones que está compuesto por un absorbedor, una bomba que impulsa la disolución, un generador y una válvula de expansión.. 37.

(38) IM-2003-II-28. El circuito de disoluciones funciona de la siguiente manera: el fluido absorbente absorbe el vapor a baja presión proveniente del evaporador en el absorbedor, este proceso genera calor, la disolución es bombeada a mayor presión accediendo al generador donde el fluido refrigerante entra en ebullición gracias al calor aportado desde el exterior, es acá donde el refrigerante primero es condensado separándose del absorbedor y luego pasa al condensador, mientras el absorbente pasa al absorbedor.. 1.2.1.3. Focos. La bomba de calor toma energía de un medio y mediante el trabajo externo aportado, lo cede a otro. El medio del que extrae la energía es llamado foco frío, y el medio al que le cede la energía es llamado foco caliente.. 1.2.3.1 Focos fríos.. Este tipo de focos también llamados fuentes de calor, son los que tienen una temperatura elevada y estable a lo largo de la estación que es necesario calentar; se encuentran en abundancia y no son corrosivos ni contaminantes, y además de. 38.

(39) IM-2003-II-28. tener propiedades termodinámicas favorables no requieren costos elevado de mantenimiento ni inversión.. A continuación se presentan los focos fríos más utilizados:. Tabla 1. Focos fríos más ampliamente utilizados.. Fuente de calor o foco frío. Rango de temperaturas (ºC) Aire ambiente -10 / 15 Aire de extracción 15 / 25 Agua subterránea 4 / 10 Agua de lagos o ríos 0 / 10 Agua de mar 3/8 Suelos 0/5 Subsuelo 0 / 10 Aguas residuales y de procesos > 10. 1.2.3.1.1 Aire atmosférico. Es una fuente muy usada de calor, aunque por debajo de los 5ºC, presenta problemas de formación de escarcha. Puede usarse con temperaturas inferiores a los 5ºC si se invierte el ciclo en algunos instantes, aunque esto supone un gasto adicional de energía.. 1.2.3.1.2 Aire de extracción. La bomba de calor recupera el calor del aire de ventilación y proporciona calefacción. Esta aplicación es común en edificios comerciales y residenciales.. 39.

(40) IM-2003-II-28. 1.2.3.1.3 Aguas naturales. La eficiencia obtenida con esta fuente de calor es muy elevada y mejor aún no presenta problemas de desescarche. Se puede utilizar el agua de los ríos, lagunas, aguas subterráneas o del mar. Cuando se utilice agua del mar hay que estar atentos a los problemas de corrosión que se pueden presentar.. 1.2.3.1.4 Energía solar. En combinación con la bomba de calor se capta energía mediante paneles solares.. 1.2.3.1.5 Energía geotérmica del suelo y el subsuelo. Esta clase posee un costo muy elevado pues se necesita tubería subterránea para captar la energía del suelo, pero es una buena aplicación para climas muy fríos donde no es posible la utilización del aire atmosférico como foco frío.. 1.2.2.1.6 Energías residuales y procedentes de procesos.. Se pueden utilizar. fluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos industriales o de los condensadores de producción de energía eléctrica. Aunque estas fuentes poseen una temperatura constante a lo largo del año, sus principales problemas son la distancia al usuario, la variabilidad del caudal, la corrosión que pueden generar las aguas residuales y las impurezas que pueden obstruir el evaporador.. 40.

(41) IM-2003-II-28. 1.2.3.2 Focos calientes.. Este es el medio de descarga, en otras palabras, medio al que se le cede la energía.. 1.2.3.2.1 Aire usado como foco. El calor obtenido de la fuente de calor se cede al aire que pasa directamente a la habitación o es forzado a través de un sistema de conductos.. 1.2.3.2.2 Agua usada como foco. Apropiados para la producción de agua para calefacción,. o agua caliente sanitaria y procesos industriales, en el caso de. estudio para la destilación de agua.. A continuación se presentan las temperaturas de distribución de agua y aire para diferentes aplicaciones:. 41.

(42) IM-2003-II-28. Tabla 2. Temperaturas de distribución de agua y aire para diferentes aplicaciones.. Fuente de calor o foco frío. Rango de temperaturas (ºC) Aire ambiente -10 / 15 Aire de extracción 15 / 25 Agua subterránea 4 / 10 Agua de lagos o ríos 0 / 10 Agua de mar 3/8 Suelos 0/5 Subsuelo 0 / 10 Aguas residuales y de procesos > 10. 1.2.1.4. Clasificación. Las bombas de calor se pueden clasificar según diferentes criterios, aunque la forma más utilizada es la de medio de origen y destino de energía, es importante relacionar otros tipos de clasificación que tratan aspectos que esta no tiene en cuenta.. 1.2.1.4.1. Según el tipo de proceso. De acuerdo con este criterio hay tres tipos. de bombas de calor, las que poseen un compresor activado mecánicamente ya sea por un motor eléctrico de gas, diesel o de otro tipo; las de accionamiento térmico o bombas de absorción en las que el ciclo se impulsa mediante calor a. 42.

(43) IM-2003-II-28. temperaturas elevadas, y por último las electrotérmicas, que funcionan según el principio de Peltier.. 1.2.1.4.2. Según el medio de origen y destino de la energía.. Esta es la clasificación más utilizada, y en ella se nombran las bombas de calor por medio de dos palabras, la primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente).. En la siguiente tabla se presentan los diferentes tipos de bombas de calor según el medio de origen y el medio receptor:. Tabla 3. Bombas de calor según medio de origen y medio receptor.. Medio del que extrae energía Medio al que se cede energía Aire Aire Aire Agua Agua Aire Agua Agua Tierra Aire Tierra Agua. 43.

(44) IM-2003-II-28. 1.2.1.4.2.1 Bombas de calor aire-aire.. Son las de mayor uso, y su principal. finalidad es la de climatización.. 1.2.1.4.2.2 Bombas de calor aire-agua. Se utilizan para producir agua fría para refrigeración, agua caliente para calefacción y agua sanitaria.. 1.2.1.4.2.3. Bombas de calor agua-aire.. Son de gran utilidad pues permiten. utilizar el agua de los ríos, mares y aguas residuales. Además tiene mayores rendimientos energéticos que las que utilizan aire pues la temperatura del agua es más uniforme a lo largo del año.. 1.2.1.4.2.4. Bombas de calor agua-agua. Son muy parecidas a las anteriores, su. diferencia radica en que los emisores son radiadores a baja temperatura.. 1.2.1.4.2.5. Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua.. Son poco habituales. debido a sus costos y a la necesidad de utilizar un gran terreno, estas bombas utilizan el calor contenido en el suelo.. 44.

(45) IM-2003-II-28. 1.2.1.4.3. Según construcción.. Las bombas de calor también se pueden clasificar según su tipo de construcción, y de esta manera se dividen en tres clases que son: compacta, split o partidas y multi-split.. 1.2.1.4.3.1. Bomba compacta.. En este tipo de bombas de calor todos los. elementos que la componen están alojados en una misma carcasa.. 1.2.1.4.3.2. Bombas split o partidas. Estas bombas están constituidas por dos. unidades separadas, una en la que se aloja el compresor y la válvula de expansión, y una unidad local, esto con el fin de evitar los ruidos en el interior local.. 1.2.1.4.3.3. Bombas Multi-split. Estas bombas de calor están constituidas por. una unidad exterior y varias unidades interiores.. 1.2.1.4.4. Según funcionamiento.. Según el tipo de funcionamiento las bombas de calor se pueden clasificar en reversibles, no reversibles y termofrigobombas.. 45.

(46) IM-2003-II-28. 1.2.1.4.4.1 Bombas de calor reversibles. Estas bombas de calor pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo de refrigeración, objetivo que es logrado invirtiendo el sentido del flujo del refrigerante mediante una válvula de 4 vías.. 1.2.1.4.4.2 Bombas de calor no reversibles. Sólo pueden funcionar en ciclo de calefacción.. 1.2.1.4.4.3 Termofrigobombas. Estas bombas de calor pueden producir tanto frío como calor al mismo tiempo.. 1.2.1.5. Refrigerantes.. Estos fluidos deben poseer las propiedades. termodinámicas adecuadas que les permita evaporarse y condensarse a las temperaturas adecuadas para garantizar e buen funcionamiento de la bomba de calor. Un fluido puede evaporarse a mayor temperatura cuando se eleva su presión, pero los compresores no pueden alcanzar cualquier presión y los evaporadores y. condensadores no deben. trabajar. a sobrepresiones. ni. depresiones elevadas respectivamente.. Los refrigerantes no deben ser tóxicos, ni inflamables, ni reaccionar con los materiales que constituyen la máquina.. 46.

(47) IM-2003-II-28. Los fluidos que presentan las mejores propiedades pues trabajan a presiones y temperaturas adecuadas, y además no son ni tóxicos ni inflamables, son los halogenados, sin embargo estos pueden contribuir a la destrucción de la capa de ozono si se liberan al ambiente, pues los rayos ultravioleta hacen que estas sustancias se fotodisocien quedando libres radicales de cloro que acaban siendo transportados a la estratosfera donde reaccionan con el ozono destruyéndolo. Por estas razones su uso esta restringido por la ley.. En la siguiente tabla se presentan los refrigerantes de mayor uso:. Tabla 4. Factor de destrucción de ozono para algunos de los refrigerantes más comunes.. Refrigerante Contenido en cloro Factor destrucción ozono Vida media estimada (años) R-11 77.4 % 1 60 R-12 58.6 % 0.95 130 R-22 41 % 0.05 15 R-134a 0 0 16. Para este estudio se está utilizando R-12, aunque como se observa en la tabla tiene un alto factor de destrucción de ozono es el refrigerante de trabajo que exige el compresor instalado., sin embargo para futuras aplicaciones es importante reconsiderar esto, y usar compresores que trabajen con R-12 o R 134a.. 47.

(48) IM-2003-II-28. 1.2.2. Métodos usados en la purificación de agua.. A continuación se presentarán los métodos de mayor uso en la purificación de agua, con el objetivo de ubicar el proceso de destilación y de esta forma comprender la importancia que tienen en la producción de agua pura. Esto se hará basado en lo presentado por Puentes, 2002.. 1.2.2.1. Métodos físicos. 1.2.2.1.1. Tratamiento térmico.. Este método se basa en llevar el agua a. temperaturas elevadas donde mueren los microorganismos.. Tiene problemas. debido a que algunos microorganismos sobreviven a altas temperaturas, pero se puede confiar en este método siempre y cuando se eleve la temperatura a 161 º F y se mantenga por 15 segundos.. 1.2.2.1.2. Ósmosis inversa y nanofiltración.. Este método consiste en la. separación de sales disueltas por procedimientos puramente físicos. Se logra reducir las sales entre un 95% y un 99%, también se separan los compuesto orgánicos disueltos afectando la conductividad del agua. Estos sistemas retienen partículas de 1 a 1º amnstrong mediante bombas de alta presión que hacen pasar el líquido por membranas de ósmosis inversa donde ocurre la separación.. 48.

(49) IM-2003-II-28. 1.2.2.1.3. Filtración.. Consiste en la remoción de sólidos suspendidos en el. agua, los cuales pueden ser materia orgánica, manganeso y hierro. Normalmente el agua es conducida por una cámara que contiene un filtro determinado para lo que se necesite remover. Existen varios tipos de filtración como lo son la filtración de partículas, la filtración profunda y la filtración con carbón activado.. 1.2.2.1.4. Destilación. Este proceso consiste en la evaporación y condensación. del agua para purificarla, tiene dos desventajas: la primera es que requiere una gran cantidad de energía y la segunda es que si solo se realiza destilación como método de purificación los contaminantes químicos con puntos de ebullición más bajos que los del agua se condensan en el agua tratada. Los tipos de destilación más comunes son: la destilación simple, la destilación de efecto múltiple, la destilación flash y la destilación solar.. 1.2.2.1.4.1 Destilación Simple. Esta forma de destilación además de ser muy sencilla es una de las más económicas. Básicamente consta de un evaporador y un condensador, y su funcionamiento se basa en la diferencia de los puntos de ebullición entre el agua y sus contaminantes.. 49.

(50) IM-2003-II-28. 1.2.2.1.4.2 Destilación de efecto múltiple. Este proceso, a diferencia del anterior, usa varias unidades de condensación seguidas y se refrigeran con el agua que se desea destilar.. La idea de este proceso es utilizar el calor latente de. condensación del agua para evaporar parte del agua refrigerante. Para efectos de este proceso, el vapor de agua entra en una de las unidades donde es condensado y sale como agua pura. El calor que se libera al condensarse las gotas alcanza a evaporar parte del refrigerante, pues la unidad está a una presión más baja que en la unidad anterior. Este vapor es el que entra en la siguiente unidad para su condensación. El agua refrigerante que no se alcanza a evaporar entra a refrigerar la siguiente etapa.. 1.2.2.1.4.3 Destilación Flash. Este proceso se basa en la producción de vapor de agua mediante la brusca expansión del agua caliente cercana a su temperatura de ebullición. La temperatura del agua baja. cuando desciende la presión. produciéndose vapor. En las plantas de varias etapas, la presión del agua se reduce en cada una de ellas. Una bomba de vacío conectada a la última etapa, junto con los orificios a la entrada de cada entrada precedente, sirven para reducir la presión poco a poco. En cada etapa se forma una pequeña parte de vapor que luego se condensa en un condensador donde se produce el agua potable. Este tipo de destiladores comprenden entre 25 y 40 etapas.. 50.

(51) IM-2003-II-28. 1.2.2.1.4.4 Destilación por compresión de vapor. En este proceso el vapor producido en el evaporador es comprimido y se usa como fuente calorífica para hervir la solución contenida en el mismo evaporador.. 1.2.2.1.4.5 Destilación Solar. La destilación de agua con ayuda de la radiación solar es uno de los sistemas más antiguos y sencillos de aprovechamiento de la energía solar. Este método se basa en la utilización de la radiación solar para evaporar el agua en cámaras cerradas y el viento como medio de transferencia de calor para que la condensación ocurra. Está comprobado que los destiladores solares son aparatos muy económicos si se les compara con otros sistemas para la obtención con agua potable.. 1.2.2.2. Métodos químicos. 1.2.2.2.1. Cloración.. En el proceso de la cloración el objetivo es matar. organismos patógenos que causan enfermedades de origen bacteriano y virus que causen enfermedades como la hepatitis y la poliomielitis. En este proceso en la primera etapa el cloro reacciona con componentes inorgánicos como el sulfuro de de hidrógeno y hierro ferroso. Cuando termina esta etapa se adiciona más cloro con el fin de de obtener cloro libre residual, el cual es llamado margen de desinfección segura, que garantiza la desinfección del agua.. 51.

(52) IM-2003-II-28. 1.2.2.2.2. Yodación. Este es un proceso más efectivo que la cloración, pero a. su vez más problemático por los efectos colaterales que produce el yodo en la gente, pues cada persona reacciona diferente al yodo y hay ciertos individuos alérgicos que ante altas exposiciones pueden reaccionar.. 1.2.2.3. Métodos que requieren el uso de electricidad. 1.2.2.3.1. Ozono. El ozono es más efectivo que el cloro, pero al utilizarlo para. purificar se forman moléculas que suplen de energía a ciertos microorganismos patógenos, haciendo necesario combinar este proceso con otros para lograr la total purificación del agua.. 1.2.2.3.2. Rayos Ultravioleta. La luz ultravioleta mata los microorganismos, si. estos son expuestos a una cantidad de luz y un tiempo determinados. La eficiencia de la luz ultravioleta esta directamente relacionada con la turbiedad del agua, razón por la cual es necesario utilizar otros métodos adicionales para logra una buena purificación. 1.2.3. Instalación del Sistema.. 1.2.3.1. Aprovechamiento de la planta piloto de destilación.. Para la. realización del proyecto CYTED VI.7 se realizó la construcción de una planta piloto. 52.

(53) IM-2003-II-28. de destilación, la cual ha servido para todas las distintas investigaciones que han surgido posteriormente. En la figura 9 se muestra el plano de la planta piloto de destilación desarrollada por Puentes, 2002, esta primera planta tenía un funcionamiento muy similar a la que hay instalada hoy en día pero el calentamiento de agua se realizaba por medio de una resistencia eléctrica. Figura 6. Primera planta de destilación instalada.. Tomada de Luna, 1998. Destilador de efecto múltiple. Bogotá: Universidad de los Andes. 53.

(54) IM-2003-II-28. Figura 7. Planta de destilación piloto (la línea punteada encierra la bomba de calor objeto de este estudio).. En la figura 11 se muestra la planta de destilación con que se comenzó esta investigación, el funcionamiento de la misma ya fue explicado en la introducción, y la siguiente explicación se centrará más en la bomba de calor con que se encontraba funcionando.. La bomba de calor que se puede ver encerrada por la línea punteada en la figura 11, esta compuesta por el condensador S, el evaporador W, la válvula de expansión y el compresor R de ½ H.P que funcionaba con R-22 y a 110V. Para este trabajo lo más importante era el cambio del compresor por uno más pequeño para que hiciera viable el funcionamiento de la bomba de calor con energía solar, para tal efecto se reemplazó el compresor antiguo por un compresor de 1/16 H.P 54.

(55) IM-2003-II-28. que funciona con R-12 y a 24V. Con el cambio del compresor fue necesario realizar a su vez el cambio tanto del evaporador como el del condensador y el de la válvula de expansión, pues los antiguos correspondían a un diseño de un compresor más potente; como puede verse para efectos del estudio, se sacrificó la potencia del compresor en forma significativa, y las consecuencias de este cambio han de verse más adelante. En la figura 12 puede verse la planta de destilación con las modificaciones realizadas.. Figura 8. Montaje de la planta de destilación con las modificaciones realizadas. 55.

(56) IM-2003-II-28. 1.2.3.2 Adaptaciones. Como se dijo anteriormente, la base de trabajo fue la planta piloto de destilación del proyecto CYTED VI.7, a la que se le cambió la bomba de calor para lograr que la planta funcionara con energía solar y adicionalmente se le instaló un dispositivo de seguridad para proteger el compresor, el cual es un termostato que tiene la función de parar el compresor cuando la temperatura de trabajo este por encima de la adecuada.. 1.2.3.2.1 Instalación del compresor. En la figura 13 se muestra la instalación del compresor de 24V AC, el cual es alimentado por un control inversor de 24 DC a 24 AC, que a su vez, es alimentado por dos baterías de 12V y 12 Ah cada una, conectadas en serie para obtener así los 24 V requeridos. Adicionalmente están conectados al controlador el termostato de protección y un ventilador de 24 V para la refrigeración del compresor.. 56.

(57) IM-2003-II-28. Figura 9. Instalación del compresor.. 1.2.3.22 Instalación del termostato. En la figura 14 se muestra la instalación del termostato, que funciona como protector del compresor, este termostato esta conectado al controlador del compresor.. 57.

(58) IM-2003-II-28. Figura 10. Instalación del termostato. 1.2.3.2.3 Esquema de Conexión. Como se dijo anteriormente, el compresor, el termostato, las baterías y el ventilador se encuentran conectados a un controlador. En la figura 15 se muestra el esquema de conexión de estos elementos.. 58.

(59) IM-2003-II-28. Figura 11. Esquema de conexión. 1.3 ENERGÍA SOLAR. La energía solar constituye la parte esencial del consumo real de energía del hombre, sin el calor emitido por el sol la vida no podría subsistir, pues procesos como la fotosíntesis no tendrían lugar. Es difícil imaginar la magnitud de la potencia irradiada por el sol anualmente, pues se evalúa que esta es de unos 390000 millones de kW al año, aproximadamente 50 billones de veces el consumo actual de energía de la Humanidad. El sol es un astro que se consume pero se calcula que todavía tiene una vida de unos 5000 millones de años. De la potencia anual irradiada por el sol la tierra sólo recibe aproximadamente 173 billones de kW, que es aproximadamente 20000 veces la producción mundial, el resto de la 59.