Distillatore solare UTC

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Un progetto in corso progettato e implementato presso l'Universidad Tecnológica de Coahuila a Parras de la Fuente, Coahuila Messico per fornire acqua potabile sicura purificata mediante il processo di distillazione solare .

Esistono numerosi metodi diversi per purificare l'acqua, tutti con lo stesso risultato previsto: ottenere acqua potabile per l'uomo, denominata potabile. Alcuni dei metodi più comuni di purificazione dell'acqua sono l'ebollizione, l'aggiunta di sostanze chimiche (iodio o cloro), l'osmosi inversa e la filtrazione . Tutti questi metodi sono efficaci, ma potrebbero richiedere risorse non disponibili in alcune località. Ad esempio, anche se può essere molto difficile procurarsi sostanze chimiche o mantenere un incendio in aree remote, la luce solare è spesso una risorsa facilmente disponibile utilizzabile per la distillazione dell’acqua.

Questo documento è una proposta per implementare un prototipo di sistema di distillazione solare passiva come esempio pratico di utilizzo dell'energia solare per fornire acqua potabile sicura per il consumo umano.

Teoria

La distillazione solare passiva dell’acqua è considerata una tecnologia appropriata perché funziona secondo gli stessi principi che producono la pioggia, purificando l’acqua attraverso un processo di evaporazione, condensazione e raccolta. La distillazione solare potrebbe essere considerata una forma di biomimetica a causa della sua relazione con il ciclo della pioggia e con l’ effetto serra . Il processo di distillazione solare può essere eseguito su acqua salmastra, salata o da fonti come pioggia, municipale, pozzo o sorgente. Utilizzando l'abbondante energia del sole per far evaporare l'acqua, i metalli e i minerali disciolti, come arsenico, bario, cadmio, cromo e piombo vengono separati dall'acqua contaminata [1] . La distillazione rimuove anche sali e contaminanti biologici come E.Coli [2] .

Un distillatore solare convenzionale è una scatola con un tetto in vetro, denominato smalto, posizionato ad un angolo rispetto all'orizzontale per garantire un'esposizione solare ottimale. Questo angolo è approssimativamente uguale alla latitudine del luogo. Il distillatore è rivolto a sud se si trova nell'emisfero settentrionale, a nord nell'emisfero meridionale [3] . L'acqua non trattata viene convogliata in una vasca di contenimento all'interno del distillatore. La radiazione solare penetra nel vetro e riscalda l'interno del distillatore, facendo evaporare l'acqua contenuta nella vasca. L'assorbimento della radiazione a frequenza più elevata riscalda l'acqua e le parti interne del sistema solare. Lo smalto intrappola la ri-radiazione infrarossa provocando un effetto serra con conseguente aumento della temperatura [4] . Il processo di evaporazione separa gli agenti contaminanti dall'acqua e forma una sottile condensa sul lato inferiore della copertura in vetro. L'acqua distillata e condensata scorre poi dal vetro in una vasca e viene trasferita in un contenitore per la conservazione dell'acqua per uso domestico. Contaminanti e particolati rimangono nella vasca e devono essere lavati via periodicamente.

Ancora lato diagramma

Piani di costruzione

Scott Harris e Jeffrey M. Hinton, partecipanti al programma Parras 2005, hanno costruito un distillatore di acqua solare e hanno fornito un'analisi finale del loro progetto il 5 agosto 2005. L'unità da loro costruita si trova nel laboratorio dell'Universidad Tecnológica de Coahuila, Parras Campus . Questo progetto fornisce una solida base per ulteriori ricerche e sviluppo della distillazione dell'acqua su piccola scala a Parras. Tuttavia, dopo aver esaminato l'analisi finale, le infrastrutture di costruzione e i materiali utilizzati, proponiamo alcune modifiche alla progettazione e prevediamo di ricercare diversi materiali da costruzione. Le modifiche riguardano la sostituzione del materiale isolante, del rivestimento del pavimento, della struttura della vasca e del design della vasca di raccolta. L'intenzione è quella di migliorare il design esistente, utilizzare materiali più convenienti e durevoli e ricercare metodi aggiuntivi per aumentare l'efficienza. La portabilità non è una considerazione con questo prototipo. I materiali e il design scelti non si prestano ad un facile trasporto. Lo smalto è fragile, la struttura interna in legno impiallacciato è fragile e il lavabo in metallo non è fissato. Questa unità funzionerà solo nel campus UTC, le successive iterazioni di questo progetto dovrebbero considerare i problemi di portabilità.

Ubicazione proposta

Questo esperimento di distillazione solare passiva di acqua è destinato al campus dell'Universidad Tecnològica de Coahuila situato in Madero Street, Parras, Coahuila. UTC ha una popolazione di studenti, docenti e dipendenti di 205 persone, che comprende una domanda continua di acqua potabile. La richiesta d'acqua è importante perché influenza direttamente la progettazione del distillatore rispetto alla quantità desiderata di acqua in uscita.

L’approvvigionamento pubblico è la fonte d’acqua più probabile. Anche se l'acqua comunale è stata sottoposta a qualche trattamento, non è sempre potabile. L'acqua comunale è attualmente il metodo più semplice per acquisire l'acqua. In futuro potrebbe essere realizzato un sistema di raccolta dell'acqua piovana. Al momento, l'ubicazione del distillatore nel campus dell'UTC non è definita in attesa di accertamenti sulla migliore collocazione possibile. È necessaria una zona pianeggiante e livellata con accesso diretto all'acqua e al sole. è necessario prestare attenzione affinché non si trovi in ​​un luogo in cui lo smalto possa essere facilmente danneggiato da atti vandalici o rotture accidentali. Il sistema deve essere posizionato in una zona che ne faciliti l'accesso e la manutenzione.

Giustificazione

Attualmente, l'UTC acquista l'acqua potabile da SierrAzul in caraffe da 5 galloni (19 litri) al costo di circa 1,40 dollari (14,50 pesos) ciascuna. I potenziali benefici derivanti dall’implementazione di questo sistema sono la riduzione del costo dell’acqua e l’autosufficienza . Supponiamo che il costo del sistema sia $ 106,92 + $ 79,32 USD = $ 186,24 USD. Si tratta del costo dei materiali dell'anno precedente aggiunto al costo totale della seconda iterazione. Se UTC consumasse una brocca d'acqua da 5 galloni al giorno, il sistema si ripagherebbe in circa 133 giorni in base al risparmio derivante dal mancato acquisto dell'acqua. La presenza di questo progetto all'UTC può influenzare gli studenti a perseguire un'ulteriore formazione sulla tecnologia solare, possibilmente portando con sé le conoscenze nella loro vita quotidiana e nel futuro.

Se implementiamo con successo il distillatore di acqua solare presso UTC, potrebbe esserci un maggiore potenziale di espansione e installazione in altre località di Parras. La distillazione solare dell’acqua può applicarsi a piccoli sistemi per l’uso domestico, nonché a installazioni più grandi in aziende o aree agricole.

Aggiornamento del progetto: settimana 5

Progresso fisico

Settimana 4: iniziato lo smontaggio. Componenti fusi parzialmente rimossi e ispezionati. Questi componenti includono polistirolo, tubo in PVC e rivestimento in plastica.

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  Fig 1: Distillatore con smalto rimosso, nessuna modifica.

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  Fig 2: Gran parte del polistirolo si restringe e si indurisce a causa del calore eccessivo.

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  Fig 3: La segatura può essere un buon isolante ma crea molto disordine se non controllata. Sono state rinvenute anche noccioline di polistirolo e varie piastrelle di ceramica sfuse. *Materiali

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  Fig 4: La colla siliconica è stata ampiamente utilizzata. *Materiali

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  Fig 5: Il PVC non è sopravvissuto al caldo. *Materiali

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  Fig 6: Vasca di raccolta del fuso, con colla.

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  Fig 7: Un primo piano dell'isolamento che circonda il bacino dell'acqua non trattata.

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  Fig 8: Anche l'isolamento sotto il bacino era fuso.

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  Fig 9: Struttura interna in legno che sostiene il bacino dell'acqua. Costruito con impiallacciatura sottile.

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  Fig 10: Dopo aver frantumato ed eliminato i pezzi grandi di polistirolo, i pezzi più piccoli devono essere smaltiti.

Materiali proposti

Isolamento

L'isolamento è di gran lunga il materiale più difficile da scegliere. Sono disponibili molte opzioni e non abbiamo ancora deciso quale materiale sarà più appropriato quando si confrontano costi, disponibilità ed efficacia. Alcune possibili soluzioni:

Appunti:

• Qualsiasi isolante infiammabile può richiedere misure aggiuntive per prevenire gli incendi.
• Per protezione antincendio si intende un tipo di sigillatura e/o trattamento chimico dell'isolamento sfuso.
• L'isolamento deve avere un contatto minimo o nullo sia con l'acqua liquida che vaporizzata.
• È un ritardante ignifugo e un deterrente per insetti abbastanza economico
• 2,5 once di borace mescolato con 2 tazze di acqua bollente [6]

Potrebbe essere utile combinare un isolante solido con qualche tipo di materiale sfuso [12] o spray-in-place [13]

Bacino d'acqua

Il bacino dell'acqua è piuttosto piccolo, verniciato a spruzzo di nero e sigillato con colla siliconica. Alcune idee per migliorare:

• Realizzare o acquistare un bacino più grande
  • Ricerca possibili alternative al lavabo in metallo
    • Riutilizza il lavandino di colore scuro
    • Realizzare un lavabo in ceramica
    • Lavabo attuale della linea con vetro colorato o piastrella in ceramica scura
  • : Il peso aggiuntivo è accettabile per questo prototipo di distillatore grazie alla struttura stazionaria. Inoltre, il bacino dell'acqua può essere rimosso se è necessario il trasporto.
• Acquista un secondo lavabo identico e posiziona i due uno accanto all'altro
• Rimuovere la vernice spray
  • Trova una vernice nera alternativa, non tossica, resistente alle alte temperature.
  • Se l'unica scelta è una vaschetta di metallo, cerca altre soluzioni oscuranti come la patinatura o la colorazione.
• Valuta la possibilità di utilizzare un sistema a stoppino per aspirare l'acqua non trattata nel distillatore.

Vasca di raccolta

Questo potrebbe essere sostituito con metallo fabbricato, ceramica o altro materiale con resistenza alle alte temperature. È necessario prendere in considerazione la conduttività del materiale scelto.

Elementi di fissaggio e sigillante

Gran parte della colla in eccesso deve essere rimossa e sostituita con elementi di fissaggio più robusti come staffe e viti. Il materiale scelto disponibile in questa regione è il sigillante per guarnizioni in silicone RTV per alte temperature.

Aggiornamento del progetto: settimana 8

Settimana 6

• Impianto idraulico implementato per il sistema di presa dell'acqua, compreso il secchio di stoccaggio esterno e il sistema di valvola a galleggiante del bacino.
• Isolamento determinato costituito da perlite. Ho visitato diversi vivai locali in città e ne ho trovato uno che può ordinare perlite sfusa.
• Ho visitato negozi di costruzioni locali per silicone nero ad alta temperatura. Non disponibile localmente.
  • Ho invece acquistato due piccoli tubi di calafataggio rosso ad alta temperatura da Home Depot a Torreón.

Settimana 7

• Elenco materiali definitivo
• Sono andato all'Home Depot di Torreón per acquistare materiali
• Il budget proposto fino ad oggi per il distillatore è di $ 100,00 (USA)
• Il denaro speso fino ad oggi è di $ 35,00 (USA)
• Ho ordinato Perlite all'asilo. Due secchi grandi sono attualmente in ordine e dovrebbero arrivare giovedì 13/10. A causa di un viaggio programmato, devono essere ritirati sabato 15/10.

Sistema automatico di aspirazione dell'acqua

Attuato domenica 9 luglio 2006

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  Fig 1: Valvola a galleggiante all'interno del secchio di contenimento esterno

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  Fig 2: Tenendo il secchio in uscita

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  Fig 3: Foratura del foro di aspirazione della vaschetta dell'acqua

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  Fig 4: Installazione della valvola a galleggiante del bacino dell'acqua

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  Fig 5: Test del funzionamento della valvola a galleggiante

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  Fig 6: Sifonare l'acqua dal bacino per aprire la valvola a galleggiante

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  Fig 7: Bacino idrico in azione

Aggiornamento del progetto: settimana 10

Riepilogo degli articoli acquistati

Costruzione

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  Taglio del legno con l'aiuto di Mari Angél

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  Misurazione delle dimensioni interne del telaio

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  Fissaggio del telaio interno

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  Più struttura del telaio interno

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  Aggiunta di plastica nera utilizzata per la ritenzione del calore

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  Taglio delle viti con una smerigliatrice

• 

  Misurazione delle dimensioni della copertura isolante

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  Taglio della plastica per la copertura isolante

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  Angela sta per tagliare la legna

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  Fissare la plastica originale (rimossa successivamente)

• 

  Pronto per essere presentato ma non pronto per l'uso

• 

  Sostituzione della plastica

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  Completo, meno la glassa

• 

  Quasi pronto per il test!

Test

Giorno 1

• Nuvoloso al mattino. Tempesta di pioggia nel corso della giornata.
  • L'intero distillatore si è bagnato e la parte inferiore è satura.
  • L'acqua non è evaporata.

Giorno 2

• Configurazione terminata in mattinata.
  • Spostato il distillatore verso sud per massimizzare l'esposizione al sole. Per questo motivo il sistema non è più raggiungibile dal rubinetto più vicino ed è stato necessario riempire manualmente il secchio di stoccaggio.
• Lo smalto non è stato sigillato correttamente fino alle 17:00.
  • L'acqua fuoriusciva costantemente e non si verificava alcuna evaporazione.
• Dopo che lo smalto fu sigillato, iniziò immediatamente l'evaporazione.
  • Circa 10 ml di acqua sono stati distillati e recuperati con successo.
  • Una notevole quantità di acqua è andata persa perché il tubo di plastica utilizzato per raccogliere le gocce d'acqua e depositarle nel raccoglitore non era completamente sigillato al vetro. Inoltre, la forma circolare del tubo potrebbe consentire alle gocce d'acqua di scivolare e cadere sul telaio di legno sul fondo dello smalto.
  • A causa di altri impegni come le lezioni e il pranzo, le letture della temperatura erano sporadiche. Tutti i dati sulla temperatura hanno dovuto essere eliminati perché il sistema non era sigillato e non tratteneva il calore.

Giorno 3

• Sigillato il fondo del bacino dell'acqua per evitare perdite
  • La vasca non è sigillata adeguatamente negli angoli inferiori e continua a perdere.
• Collegamento del tubo flessibile al lavabo sigillato mediante nastro in teflon.
• Aggiunta ulteriore guarnizione di tenuta al tubo di gomma utilizzato per far gocciolare l'acqua nella vasca.
  • Tagliare il tubo a metà per ridurre la possibilità che le goccioline cadano oltre la vasca di raccolta.
  • Aumentata con successo la probabilità che l'acqua distillata cada nella vasca.
• Sigillare completamente lo smalto utilizzando una guarnizione in silicone per alte temperature e nastro adesivo.
  • Il nastro metallico sarebbe stata una scelta migliore, ma dopo 3 ore infruttuose di ricerca su Parras, il nastro adesivo era l'unica scelta.
• Distillato una piccolissima quantità di acqua nelle restanti ore diurne.

Giorno 4

• Giornata soleggiata con qualche nuvolosità
• Alla fine della giornata sono stati distillati circa 500 ml di acqua.
  • Aspetto dell'acqua distillata: l'acqua è limpida e odora di plastica.
  • Test del gusto: Jeff Kinzer e Eddie Durán erano i soggetti. L’opinione comune è che l’acqua abbia un sapore terribile, come la plastica con un retrogusto di cotone.
• Problemi riscontrati:
  • La vasca dell'acqua non trattata continuava a perdere, provocando il distacco e la deformazione del legno nella zona inferiore anteriore del distillatore.
  • Durante la rimozione dello smalto per spostare l'unità in magazzino, un angolo del vetro si è rotto.

Istruzioni

Utilizzo

1. Collegare il tubo dalla fonte d'acqua al secchio. In alternativa collegare il tubo direttamente all'impianto. Il secchio serve esclusivamente per fornire uno stoccaggio temporaneo nel caso in cui la fonte d'acqua debba essere scollegata e utilizzata per un altro scopo.
2. Apri l'acqua e monitora il bacino e il secchio mentre si riempiono
3. Aspetta pazientemente
4. Cambiare il contenitore dell'acqua pulita quando è pieno

Manutenzione

• Lavare periodicamente la bacinella dell'acqua non trattata
• Smalto pulito
• Verificare la presenza di perdite nei tubi
• Coprire con telo se piove
• Sostituire le valvole a galleggiante se necessario
• Controllare le guarnizioni dello smalto
• Controllare la tenuta dei collegamenti dei tubi e, se necessario, ripararli

Possibili punti di fallimento

• Raccolta dell'acqua sul fondo del sistema
• Degrado del sigillo dello smalto, che comporterà una perdita di efficienza e aumenterà la possibilità di contaminazione da fonti esterne.
• Perdita nel collegamento del tubo
• Degrado del telaio in legno dovuto a perdite d'acqua ed esposizione agli agenti atmosferici

Modifiche e aggiornamenti futuri

• Correzione della mancata corrispondenza della filettatura : le valvole a galleggiante utilizzano una filettatura fine, ma i connettori dei tubi utilizzano una filettatura grossa. Questa mancata corrispondenza provoca inaffidabilità delle connessioni e perdite costanti. Attualmente sono presenti diversi avvolgimenti di nastro di Teflon per arrestare la perdita. La soluzione migliore è un adattatore filettato o l'acquisto di connettori per tubi flessibili con filettatura fine.
• Costruisci il sistema con qualcosa di diverso dal legno, soprattutto non con pannelli di particelle : il metallo o il cemento possono resistere meglio del legno se esposti a pioggia, vento e forte quantità di sole.
• Utilizzare un metodo diverso per depositare le gocce d'acqua condensata nella vasca di raccolta. Il tubo non è completamente efficace - Una possibile soluzione è un pezzo ricurvo di plastica che corre diagonalmente dal bordo inferiore dello smalto nella vasca di raccolta.
• Installare un facile collegamento/scollegamento del tubo nella parte posteriore del distillatore : il sistema dovrebbe essere facile da collegare o scollegare per chiunque.
• Sigillare completamente l'isolamento in perlite della camera dell'acqua - Attualmente la polvere di silice della perlite frantumata sta contaminando l'intera camera di evaporazione dell'acqua.

Conclusione

Cosa è riuscito

• Sostituzione del telaio interno
• l'aggiunta di plastica nera riutilizzata da serbatoi di stoccaggio dell'acqua difettosi, in sostituzione della vernice spray
• Sistema di aspirazione dell'acqua con valvola a galleggiante
• Isolamento in perlite in sostituzione del polistirolo
• Avere accesso a strumenti, aiuto e trasporti grazie all'ospite di Angela, la famiglia Madero. Senza di loro questo progetto non sarebbe stato possibile realizzare.

Cosa ha fallito

• sistemi di immissione dell'acqua
• il secchio con valvola a galleggiante non è necessario
  • Tuttavia, il secchio estraneo è stato essenziale per i test perché non disponiamo di un tubo sufficientemente lungo per raggiungere il rubinetto più vicino al sito di test.
  • I materiali extra forniscono anche una valvola a galleggiante sostitutiva e parti di tubi flessibili extra per la manutenzione futura.
• Mancata corrispondenza della filettatura con i raccordi del tubo: filettatura fine sulla valvola a galleggiante, filettatura grossa sul connettore del tubo.
• perdite nel raccordo del tubo (attualmente utilizzando nastro in teflon e dispositivo antigoccia)
• Il bacino d'acqua perde, i tentativi di sigillarlo non hanno avuto successo.
• L'isolamento non è completamente sigillato. La perlite entra nella camera di distillazione e le particelle di silice si depositano nel bacino dell'acqua non trattata.
• Lo smalto è molto difficile da sigillare perché il telaio della scatola è deformato e continua a deformarsi.
  • I tentativi di sigillare lo smalto con una guarnizione siliconica per alte temperature hanno avuto parzialmente successo.
  • Per sigillare l'unità è necessario più silicone di quello che siamo riusciti ad acquistare.
  • Per sigillare lo smalto basterebbe del nastro metallico. Trovare il nastro a Parras è difficile e non siamo riusciti a trovarne nessuno. Dovrebbero essere fatte ulteriori ricerche riguardo alla sicurezza dell'uso del nastro di alluminio in possibile contatto con l'acqua distillata.

Note finali

Come unità funzionale, questo progetto ha avuto successo solo parzialmente. Ci sono molti problemi che devono ancora essere risolti riguardo all’efficienza, alla facilità d’uso e alla manutenibilità del sistema di distillazione. L'acqua recuperata dal distillatore non è stata adeguatamente testata, ma è improbabile che quest'acqua sia molto più sicura per il consumo rispetto all'acqua originale non trattata.

In continuità con il lavoro dell’anno precedente, il progetto è andato avanti. Diversi componenti, come il sistema di presa dell'acqua, il telaio interno, l'isolamento e la vasca di raccolta, sono migliorati notevolmente. L'aggiunta di una valvola a galleggiante per consentire l'ingresso automatico dell'acqua ha risolto uno dei principali problemi riscontrati originariamente. Il distillatore non deve più essere riempito manualmente e ci sono molte meno possibilità che il sistema si secchi e fonda i componenti interni. Il telaio interno è ora più robusto e utilizza plastica nera anziché vernice spray per mantenere la temperatura interna. L'isolamento in perlite è molto più resistente al calore rispetto al polistirolo. La vasca di raccolta è realizzata in metallo e non si scioglie come la precedente vasca in PVC.

Questo progetto ha buone prospettive di migliorare significativamente negli anni a venire. Il prossimo gruppo che lavorerà con il distillatore solare avrà due anni di esperienza da cui attingere nella progettazione e implementazione del sistema che un giorno potrebbe fornire acqua potabile sicura all'Universidad Technológia Coahuila a Parras de la Fuente.

Riferimenti

Distillazione solare

• Wikipedia: Distillazione solare
• http://www.solaqua.com/solstilbas.html#cap
• https://web.archive.org/web/20061010224651/http://www.wot.utwente.nl/documents/publications/1990_ssadc/ssadc/chapter3.htm
• Distillazione solare a Parras 2005 (non disponibile online)

Sfondo di distillazione

• https://web.archive.org/web/20120915003611/http://www.nsf.org:80/consumer/drinking_water/selecting_dwtu.asp?program=WaterTre
• https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/grnhse.html#c1

Perlite

• http://www.perlite.info
• https://web.archive.org/web/20121127174713/http://www.perlite.org:80/perlite_info.htm
• Wikipedia:Perlite

Vermiculite

• Wikipedia: vermiculite

Amianto

• Wikipedia:Amianto
• http://www.epa.gov/asbestos

Isolamento

• Wikipedia: Isolamento termico

Guarda anche

• Distillazione solare
• Concentratori parabolici composti
• Comprendere i concentratori solari