DESTILACIÓN SOLAR
Introducción La destilación solar es un tratamiento relativamente simple de fuentes de agua salada (contiene sales disueltas). La destilación es uno de los varios procesos que pueden ser utilizados para purificar agua y pueden usar cualquier fuente de calor. La energía solar es una opción tecnológicamente simple. En este proceso, el agua se evapora, utilizando energía solar, haciendo que el vapor se condense como agua pura. Este proceso quita las sales y otras impurezas del agua. La destilación solar se usa para producir agua potable o agua pura para baterías de plomo, laboratorios, hospitales y en la elaboración de productos comerciales, como agua de rosas. Se recomienda que el agua potable tenga entre 100 y 1000 mg/l de sal para mantener los niveles de electrolitos y para mantener un buen sabor. Puede que haga falta añadir agua salina al agua destilada para obtener un agua potable aceptable. Esta técnica usa tecnología muy antigua. Uno de los primeros destilador solar a gran escala fue construido en 1872 para proveer a una comunidad minera de Chile con agua potable. Ha sido usado para situaciones de emergencia, incluyendo la introducción de destiladores inflables para barcos salvavidas. Existe un gran número de otros medios de desalación, como la osmosis inversa activada por células fotovoltaicas, para la cual existen equipos comerciales a pequeña escala; destilación solar debe ser comparada con estas alternativas para determinar su pertinencia en cualquier situación. Si el tratamiento de agua contaminada es necesario en vez de la desalación, el proceso de filtración lenta de arena es una opción de bajo coste. Requerimientos energéticos para la destilación de agua La energía requerida para evaporar el agua, llamada calor latente de vaporización del agua, es de 2,260 kilojulios por kilogramos (kJ/kg). Esto significa que para producir 1 litro (1kg, ya que la densidad del agua pura es de 1kg/litro) de agua pura a partir de agua salada, se necesita una fuente de calor de 2,260kJ. Este cálculo no tiene en cuenta la eficiencia del sistema, que siempre será menor al 100%, ni tampoco la recuperación del calor latente rechazado cuando el agua se condensa. Se debería tener en cuenta que, mientras una energía de 2,260kJ/kg es necesaria para evaporar el agua, para bombear un kilogramo de agua a través de 20m de carga hidráulica sólo se necesitan 0,2kJ/kg. El proceso de destilación es por lo tanto, normalmente considerado únicamente cuando no existe una fuente local de agua pura que pueda ser fácilmente bombeada o ascendida.
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Cómo funciona un simple alambique solar funciona
Superficie plástica o de cristal Rebose
Canal de recogida de agua de lluvia
Canal de condensación
Superficie oscura
Base con aislamiento Agua salina
Ilustración 1: Esquema de un alambique de recipiente único. Imagen: Otto Ruskulis para Practical Action. Ilustración 1 muestra un alambique de recipiente único. Las partes principales son las mismas que para destiladores solares. La radiación solar se transmite a través de una cobertura de cristal o plástico y es capturada por una superficie negra en el fondo del recipiente. Una pequeña capa de agua absorbe el calor que después se convierte en vapor dentro de la cámara del alambique. La capa debería tener una profundidad de 20mm para obtener un mejor resultado. El vapor se condensa en la cubierta de cristal, que está a una temperatura menor porque está en contacto con el aire del ambiente, y este se desliza hasta un recolector, desde donde se dirige a un tanque de almacenamiento. Objetivos de diseño para un destilador solar Para un alambique solar eficiente, este debería mantener:
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Alto suministro de temperatura de agua destilada, Una gran diferencia de temperatura entre el agua que ingresa y la superficie de condensación, Pérdidas mínimas de vapor. Una gran proporción de la radiación entrante es absorbida como calor por el agua, entrante. Así, se necesitan cristales de baja absorción y una buena superficie absorbente de radiación, Las pérdidas de calor por el suelo y las paredes se mantienen mínimas, La profundidad del agua es pequeña, para que no haga falta tanto calor La superficie donde se condensa el agua absorbe poco o nada de la radiación entrante, El agua condensada disipa el calor que debe ser extraído rápidamente de la superficie donde se condensa el agua mediante, por ejemplo, una segunda corriente de agua o aire, o mediante condensación nocturna.
Un alto suministro de temperatura se puede obtener si:
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Una gran diferencia de temperaturas se puede obtener si:
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Destiladores Los destiladores de único recipiente han sido bastante estudiados y su comportamiento se comprende bien. La eficiencia de los destiladores solares que son bien construidos y mantenidos, es de alrededor de un 50%, aunque las eficiencias típicas sueles ser de un 25%. El resultado diario como función de la irradiación solar alcanza su pico en la tarde, cuando el agua entrante está aún caliente pero la temperatura exterior empieza a bajar. A temperaturas muy elevadas, superiores a 45ºC, el plato de cristal puede calentarse demasiado y la condensación puede convertirse en problemática, resultando en pérdidas de eficiencia.
Ilustración 2: Tipos de destiladores solares. Algunos problemas con los destiladores solares que podría reducir su eficiencia incluyen:
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Mal ajuste de juntas, lo cual aumenta el flujo de aire frio de fuera hacía dentro del equipo, Fracturas, roturas o ralladuras en el cristal, lo cual reduce la transmisión solar o permiten la entrada de aire, Presencia de algas, presencia de polvo, deposiciones de pájaros, etc. Para evitar esto, es necesario limpiar los destiladores regularmente cada pocos días, Daño temporal a la superficie absorbente, Acumulación de sal en el fondo, que necesita ser limpiado regularmente, El agua salina en el alambique es demasiada profunda, o se seca. La profundidad debe ser mantenida alrededor de los 20mm.
La cubierta debe ser de cristal o plástico. Cristal es preferible al plástico porque la mayoría de estos se degradan en el largo plaza, debido a los rayos ultravioletas procedentes de la luz solar, y porque es más difícil que el agua se condense sobre esa superficie. Cristal templado de hierro es el mejor material porque es altamente transparente y difícil de dañar (Scharl & Harrs, 1993). En cambio, si este material es demasiado caro o no está disponible, se puede usar cristal normal de ventana. Este debe ser 4mm o más de grosor para prevenir que se rompa. El plástico (como el polietileno) puede ser usado como solución a corto plazo. Los destiladores con una única cobertura inclinada con la parte exterior hecha con un material aislante no sufren de un plato cobertor con un ángulo muy pequeño en la parte exterior reflectando la luz solar y, consecuentemente, reduciendo su eficiencia. Para mantener una alto eficiencia, es importante que el agua se condense formando una capa, en vez de gotas, lo cual podría llevar a que el agua gotee de nuevo a la masa de agua salina. Por este motivo, la superficie está colocada a un ángulo de entre 10° y 20°. La película condensada es entonces probable que se deslice a lo largo de la superficie hasta recolectarse en el canal. Ladrillo, arena, cemento o cemento a prueba de agua puede utilizarse para obtener un recipiente durable si este debe ser construido en el lugar de instalación, pero para un
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alambique construido en fábrica, este puede ser de ferrocemento prefabricado. Se intentó moldear los destiladores de fibra de vidrio en Botsuana (Yates, Woto & Tlhage, 1990) pero en este caso era más caro que el ladrillo y más complicado de aislar apropiadamente, pero tiene la ventaja de que estos destiladores pueden ser transportables. Introduciendo un ventilador en el alambique es posible aumentar la velocidad de evaporación. En cambio, este no es un gran incremento y se introducen el coste extra y complicación de incluir y dar energía a un ventilador, en un equipo que es muy sencillo en sí. La desalación solar asistida con ventilación solo sería realmente útil si un cierto nivel de output fuera necesario, pero el área ocupado por los destiladores fuera restringido, ya que un ventilador puede reducir el área ocupada por un alambique para un determinado output. El alambique mexicano El alambique mejicano cosiste de dos destiladores, como los mostrados anteriormente, unidos de manera que forman una forma triangular. Las placas de cristal pueden ser sujetadas desde abajo, en el punto más altas donde se unen ambas dos, pero si estas solo están apoyadas una contra la otra selladas, esto aumenta la fragilidad del alambique y limita la superficie de cada una de las placas. El alambique del Brace Research Institute (Instituto de investigación Brace) Esencialmente, este alambique es como el mostrado en la ilustración anterior. En cambio, en este caso los destiladores son colocados una junto a la otra lo largo del ancho de unos 10 metros de la planta de destilación. En lo que respecta al largo, la unidad como la mostrada es construida a una distancia considerable, como de unos 15 metros. Las placas de cristal se colocan a lo largo del alambique y simplemente son selladas. Equipos de este tamaño también tiene dos pequeños rebases a lo largo para permitir que el agua salina fluya a lo largo del alambique. Un proyecto de este tipo fue llevado a cabo por el Brace Research Institute, McGill University, Canadá en Haití. La escala del equipo necesita la capacitación de operadores, siendo los requerimientos de mantenimiento de importancia considerable. Destiladores con recipientes de efecto múltiple tienen dos o más compartimentos. La superficie superior donde se condensa el agua del compartimento inferior es el suelo del compartimento más elevado. El calor emitido por el vapor condensado aporta energía suficiente para vaporizar el agua superior. La eficiencia es, por lo tanto, mayor que con el alambique de un único recipiente, que normalmente es de 35% o más, aunque el coste y la complejidad son consecuentemente más elevados. Destiladores de mecha En un alambique de mecha, el agua entrante fluye lentamente a través de una almohadilla porosa que absorbe la radiación (el mecha). Este modelo tiene dos ventajas sobre el alambique tradicional. Primero, el mecha puede ser inclinado de modo que el agua entrante presenta un mejor ángulo con respecto al sol (reduciendo reflejos y presentando una superficie mayor y más eficaz). Segundo, el alambique contiene menos agua salina, de manera que el agua se calienta más rápidamente y a una mayor temperatura. Los destiladores de mecha sencillos son más eficientes que destiladores de recipiente y algunos diseños claman ser más baratos que un alambique Aire a través del de recipiente dado el mismo resultado. condensador Alambique Algunos diseños han sido desarrollados con materiales absorbentes o de tipo película con el fin Luz solar de aumentar el área de evaporación – ej. un artículo sobre el diseño desarrollado por G. N. Tiwari del Indian Institute of Technology, Nueva Cubierta de Delhi, fue publicado en la revista New Scientist.
cristal
Uso del reflector Las paredes interiores del alambique pueden incorporar una cobertura reflectante, como papel de aluminio, para aumentar el reflejo de la energía
Reflejo secundario
Acumulador
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Ilustración 3 Alambique inverso de absorción solar. Ilustración: Neil Noble / Practical Action.
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calórica hacia el agua en proceso de evaporación. Es desconocido cuanto esto ha mejorado la eficiente del alambique. Alambique solar de absorción invertida El calor es absorbido desde la parte inferior del alambique para mejorar la eficiencia del equipo. Esto permite que el plato condensador y la placa recolector estén separados. Existen varios diseños de absorción invertida desde un sistema simple hasta diseños más complejos. Destiladores esféricos En un diseño desarrollado por el Thermal and Solar Laboratory en la Claude Bernard University, Lyons, France, un canal donde se coloca el agua salina, es posicionado en el centro de una esfera hueca de plástico transparente. Agua destilada se condensa en el interior de la superficie de la esfera y es recolectada por un tipo de brazo de limpiaparabrisas mecánico que fuerza al agua condensada a caer al fondo de la esfera donde será almacenada. Parece que este sistema aporta una pequeña mejora en la eficiencia en comparación con un alambique solar convencional, pero el mayor coste de este alambique hace que esta ventaja no sea suficientemente convincente [World Water]. Destiladores inclinados El fin de inclinar el alambique es aumentar la radiación solar, recibiéndola más directamente, en vez de a un ángulo como resulta con los destiladores que yacen planos. Para hacer esto constantemente, según la Tierra rota, el sol se mueve relativamente, sería necesario que alguien registrase el movimiento relativo del sol y girar el equipo regularmente, o un mecanismo sofisticado automático de giro y seguimiento. Recuperación del calor condensado La recuperación del calor de la energía de la condensación del vapor de agua no ha sido generalmente intentado mediante destilación solar a pequeña escala, en cambio si con sistemas a gran escala. Es conocido que el Ben Gurion Institute, y después el Technion Institute en Israel, ha llevado a cabo algunos experimentos sobre recuperación de calor. En el sistema más simple, se hace fluir agua salina sobre el exterior de la placa de condensación antes de entrar en el alambique, pero luego esto reduciría la cantidad de radiación solar que pasa a través de la placa. Puede que haya capacidad para que más investigación consiga superar las dificultades actuales relacionadas con el intento de recuperación de energía calórica de la destilación solar. Alambique de emergencia Para proveer agua potable en tierra, se puede hacer un alambique sencillo. Para ello, se utiliza la humedad en la tierra y los materiales necesarios son solo una cubierta de plástico, un recipiente, un cubo y una pequeña piedra. Diseños híbridos Existe un número de maneras en las que los destiladores solares pueden ser combinados de manera útil con otra función tecnológica. Estos son tres ejemplos:
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Recolección de agua de lluvia. Añadiendo una canaleta externa, la cubierta del alambique puede ser usada para la recolección de agua de lluvia para suplementar el resultado del alambique solar. Alambique solar invernadero. El tejado del invernadero puede ser usado como la cubierta de un alambique. Calentamiento suplementario. El calor disipado de un motor o del condensador de una refrigeradora puede ser utilizado como una fuente de energía adicional.
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