Improving Basin Solar Stills/es

Esta es una revisión de los destiladores solares de cuenca, que han sido implementados por varios grupos y estudiados; consulte Destiladores solares para obtener más información.

Introducción

El agua potable es una necesidad humana básica. Muchas personas, especialmente en países en desarrollo, carecen de acceso a ella. El agua sucia o salada no es potable, y el agua sin tratar, aunque parezca limpia, es propensa a contener bacterias y organismos causantes de enfermedades. Un destilador solar es un dispositivo que produce agua limpia y potable a partir de agua sucia utilizando la energía del sol. Este dispositivo económico se puede construir fácilmente con materiales locales.

Este artículo se centra en el alambique solar de cuenca de una sola pendiente. Existe una gran cantidad de investigaciones sobre este tipo de alambique solar, por lo que el propósito de este artículo es proporcionar una revisión bibliográfica accesible y de código abierto con un resumen de la investigación, sin solaparse demasiado con el artículo informativo de Appropedia " Comprendiendo los alambiques solares" . Además, este artículo analiza la idea de utilizar el agua de entrada para enfriar la tapa de vidrio como una forma de aumentar la productividad del alambique.

Principio de funcionamiento

El agua salada o sucia en un recipiente hermético se calienta con el sol, lo que provoca su evaporación. El agua se condensa en la cubierta transparente del recipiente, que está inclinada para permitir que el agua fresca drene hacia un colector. El agua pura se evapora, pero las impurezas no, destilándola y haciéndola potable.

Para más información visite:

Sección "Principios de funcionamiento"de los destiladores solares

Alambique solar

Desalinización

Wikipedia: Alambiques solares

Tipos de destiladores solares

Existen varios tipos de destiladores solares. El más básico es el de pozo, el más apropiado para situaciones de emergencia debido a su baja productividad. Consulte la Figura 1 para ver un diagrama del destilador de pozo.

El tipo "cono" aún parece un alambique de pozo invertido. El Watercone ya está disponible en el mercado.

El alambique de cuenca, o de caja, es el tipo más complejo. Existen muchas variantes, pero las dos categorías principales son los de cuenca simple y doble. La Figura 2 muestra un alambique de cuenca simple y la Figura 3, uno de doble.

El lavabo de doble pendiente sigue siendo similar pero tiene dos piezas de vidrio inclinadas en lugar de una.

Las ventajas del destilador solar de cuenca residen en su capacidad para producir varios litros de agua por metro cuadrado de destilador al día. Con una inversión inicial de capital en materiales de calidad, este destilador puede construirse con la solidez necesaria para funcionar fielmente con una eficiencia del 30-60 % durante hasta 20 años. ^{[ 1 ]}

solar de cuenca de una sola pendiente

Requisitos de diseño:

• Destila agua para que sea potable.
• Tiene un rendimiento máximo de agua destilada.
• Fácil de construir y reparar (minimiza la cantidad de mantenimiento necesario)
• No demasiado sensible a los detalles menores.
• Confiable
• Fácil de limpiar
• Utiliza materiales de construcción comunes y naturales.
• Los materiales no naturales deben ser fácilmente transportados.
• Barato
• Produce un mínimo de residuos al final de su vida útil.
• Puede soportar duras condiciones climáticas y la degradación por calor y rayos UV.
• Fácil de usar (no es necesario desmontarlo para colocar el agua sucia y sacar el agua fresca)

Problemas a superar:

• Polvo en la cubierta transparente
• Algas y escamas en la superficie negra.
  • Si se enjuaga a diario esto puede ayudar.
• La desecación arruina el alambique porque la sal blanca se seca hasta formar una superficie negra, el vidrio se calienta y se vuelve quebradizo y la superficie del vidrio cambia de modo que el condensado se forma como gotas en lugar de una película, lo que disminuye el rendimiento ^{[ 2 ].}
  • Si el alambique se seca, se debe abrir una trampilla, pero la gente a menudo no lo hace.

Restricciones de diseño:

• El vidrio no puede tener más de 1 m de largo, de lo contrario se romperá fácilmente ^{[ 2 ]}
• El vidrio debe tener al menos 4 mm de espesor ^{[ 2 ]}
• Una losa de hormigón de más de 5 m se agrietará ^{[ 2 ]}
• El ángulo del vidrio a 15 grados es óptimo ^{[ 2 ]}
  • El ángulo debe intentar coincidir con el ángulo del sol para maximizar la exposición solar de la cuenca, pero aún así permitir un escurrimiento completo.

Principios de ingeniería

Es importante que los constructores y operadores de alambiques solares sepan cómo funciona el alambique para que puedan aplicar ese conocimiento en la resolución de problemas.

El factor más importante que afecta el nivel de producción del destilador solar es la cantidad de radiación solar sobre la cubierta de vidrio, denominada irradiancia. No toda la energía solar que entra en contacto con el vidrio se utiliza para la evaporación del agua en el depósito, ya que se refleja y absorbe por todo lo que atraviesa. La Figura 4 muestra un diagrama de flujo de energía que muestra que parte de la luz solar es reflejada y absorbida por el vidrio, el agua y la superficie del depósito. Si el destilador no está perfectamente sellado y aislado, se producirán pérdidas de calor al entorno.

Hay algunas suposiciones comunes que se hacen al realizar un análisis térmico teórico en un alambique solar:

• El área de la tapa de vidrio es la misma que el área del recipiente ^{[ 3 ]}
• No hay gradiente de temperatura a lo largo de la profundidad del agua o del vaso ^{[ 4 ]}
• El cambio en la densidad y el calor específico del agua con el cambio de temperatura es insignificante ^{[ 4 ]}
• La capacidad calorífica del vidrio es despreciable ^{[ 4 ]}
• El alambique es hermético ^{[ 4 ]} La energía que absorbe el agua contribuye al aumento de temperatura del agua, lo que conduce a la evaporación. La evaporación es un proceso que ocurre cuando las moléculas de agua en la superficie del agua obtienen suficiente energía cinética para cambiar del estado líquido al vapor. Las moléculas evaporadas se suman al vapor de agua entre el vidrio y el agua. Debido a que la cubierta de vidrio tiene una capacidad calorífica menor que el agua y está expuesta al aire exterior, no se calentará tanto como el agua. Esta diferencia de temperatura afecta la temperatura del aire/vapor de agua que está dentro del alambique entre el vidrio y el agua, lo que crea una convección natural. Una mayor diferencia de temperatura fomenta más convección. ^{[ 5 ]} El vapor de agua caliente tenderá a ascender hacia la cubierta de vidrio más fría. Cuando el vapor de agua entra en contacto con el vidrio, se condensará porque las moléculas de agua perderán la energía cinética necesaria para estar en estado de vapor. Como el vidrio está en ángulo, la gravedad hará que el agua condensada fluya hacia el canal de recolección.

Ecuaciones

La ecuación general para describir la transferencia de calor es un balance de energía, que básicamente establece que la suma del calor entrante debe ser igual a la suma del calor saliente. Esto se basa en la ley de conservación de la energía, que establece que el calor no se crea ni se destruye. Este balance de energía puede expresarse para todo el alambique o, a menor escala, para la transferencia de calor de la tapa de vidrio o del agua del recipiente.

∑qinorte=∑qotúel

Las "q" pueden representar transferencia de calor por convección, conducción o radiación. ^{[ 6 ]}

Convección

En general, la tasa de transferencia de calor por convección ^{[ 7 ]} viene dada por:

qdoonortev=h(Ts−Tb)

Dónde

q = transferencia de calor enOmetro2

h = coeficiente de transferencia de calor enOmetro2

Ts= temperatura de la superficie en °C

Tb= temperatura del fluido a la temperatura en masa (lejos de la superficie o, en caso de condensación, la temperatura de saturación) en °C

Conducción

En general, la tasa de transferencia de calor conductiva ^{[ 8 ]} viene dada por:

qdoonorted=kΔTΔincógnita

Dónde

q = transferencia de calor enOmetro2La dirección de la transferencia de calor es de caliente a frío.

k = conductividad térmica enOmetroK

ΔT= diferencia de temperatura de la superficie en K

Δincógnita= espesor de la superficie o distancia recorrida por q, en m

Radiación

En general, la tasa de transferencia de calor radiativo ^{[ 9 ]} (de un cuerpo negro) viene dada por:

qoad=σT4

Dónde

q = transferencia de calor enOmetro2.

σ= La constante de Stefan-Boltzmann =5.6703108Ometro2K4

T = temperatura del cuerpo en K

Optimización

Aumentar la diferencia de temperatura entre el agua del recipiente y la tapa de vidrio es el objetivo principal al intentar mejorar la velocidad de condensación y, por lo tanto, aumentar la productividad del alambique. Esto puede lograrse aumentando la temperatura del agua o disminuyendo la temperatura del vidrio. Muchos investigadores han experimentado con diferentes métodos para lograrlo.

Para aumentar la temperatura del agua:

• precalentando el agua de alimentación
• Añade tinte negro al agua para hacerla más absorbente ^{[ 10 ]}
• añadiendo una placa perforada flotante a la cuenca ^{[ 11 ]}
• tener un buen aislamiento debajo y alrededor del alambique
• disminuir la capacidad calorífica del agua
• disminuyendo el nivel del agua
• utilizando una mecha o materiales porosos ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}
• Usando reflectores dentro y fuera del alambique para concentrar más energía solar

Para disminuir la temperatura del vidrio:

• Haga correr agua de enfriamiento sobre la superficie exterior del vidrio

Otros parámetros que se han investigado incluyen el ángulo de inclinación y el espesor del vidrio, la orientación, la velocidad del viento, la temperatura ambiente, la temperatura inicial de la salmuera, la profundidad del agua de salmuera y las dimensiones del alambique.

la productividad mediante el uso de agua de refrigeración sobre la cubierta de

Se han realizado investigaciones para mejorar la productividad de los destiladores solares utilizando agua de refrigeración sobre la cubierta de vidrio. Esta idea es muy sencilla, ya que solo implica modificar la forma en que se introduce el agua de alimentación en el destilador. Esto se puede lograr simplemente elevando el depósito de agua de alimentación hasta la parte más alta del destilador y dirigiendo el flujo sobre el vidrio. Dutt et al. utilizaron una válvula reguladora para controlar el caudal a través de un tubo perforado a lo largo del extremo más alto de la cubierta de vidrio. ^{[ 4 ]} Las perforaciones en el tubo crearon una película de agua uniforme y constante. Lawrence et al. utilizaron una configuración similar. ^{[ 15 ]}

La película de agua no solo enfría el vidrio, lo que aumenta la velocidad de condensación, sino que también precalienta ligeramente el agua de alimentación, limpia continuamente la superficie del vidrio, aísla el alambique al reducir las pérdidas por convección y radiación del vidrio y, sorprendentemente, permite la entrada de más luz. El agua permite la entrada de más radiación solar al alambique gracias a su menor índice de refracción, que es de 1,33 para el agua y 1,52 para el vidrio. Esto reduce la proporción de energía absorbida por el vidrio. ^{[ 3 ]} En la literatura sobre el análisis teórico de un alambique solar con agua de refrigeración, se hacen suposiciones comunes.

Supuestos:

• No hay gradiente de temperatura a lo largo de la profundidad de la película de agua de refrigeración ^{[ 4 ]}
• La capacidad de absorción y calor del agua de refrigeración son despreciables ^{[ 4 ]}
• Caudal uniforme ^{[ 14 ]}
• Flujo laminar ^{[ 3 ]}

Revisión de la literatura

Dhiman y Tiwari realizaron un análisis analítico del flujo de agua sobre la cubierta de vidrio de un destilador solar y descubrieron que esta modificación aumentó la producción en un 10 %. El flujo redujo tanto la temperatura del vidrio como la de la salmuera, pero aun así produjo una mayor diferencia de temperatura debido a que la temperatura del vidrio disminuyó mucho más que la del agua. ^{[ 13 ]} Lawrence et al. obtuvieron resultados numéricos y experimentales que muestran un aumento del 5 % en la eficiencia con agua fluyendo sobre el vidrio. Una velocidad de flujo de agua de 1,5 m/s proporcionó la mayor eficiencia del destilador, pero el efecto de la velocidad de flujo en la eficiencia es solo un pequeño porcentaje. ^{[ 15 ]} Abu-Hijleh et al. demostraron numéricamente que el agua de refrigeración puede aumentar la eficiencia en un 20 % en las condiciones adecuadas, pero puede disminuirla en las condiciones inadecuadas. El agua de refrigeración anula el efecto de la velocidad del viento y la cantidad de agua de refrigeración que se evapora a la atmósfera es insignificante. También demostraron que un caudal de agua demasiado alto elimina demasiado calor, lo que reduce considerablemente la temperatura del agua en el depósito. ^{[ 3 ]}

Experimento

Realicé un experimento sencillo para ver el efecto que tiene el agua que fluye sobre la cantidad de luz solar que pasa a través del vidrio.

Construcción

Materiales

Los materiales son muy importantes en la construcción de alambiques solares, ya que deben soportar condiciones climáticas adversas, no degradarse al contacto con el agua y el sol, y no dejar mal sabor en el agua destilada. Muy pocos materiales funcionan bien con los componentes individuales del alambique, pero mediante ensayo y error se han descubierto buenas soluciones.

Entender los alambiques solares: Materiales contiene un informe completo sobre los materiales utilizados en la construcción de alambiques solares, incluida información basada en la experiencia.

Herramientas

La mayoría de las herramientas necesarias para la construcción de un alambique solar son comunes. Estas herramientas dependen de los materiales utilizados y del nivel de complejidad del alambique. A continuación, se muestra una lista de herramientas utilizadas en un proyecto en Botsuana. ^{[ 2 ]}

• sierra
• cinta métrica
• pistolas de silicona
• cincel
• guantes
• nivel
• línea de pesca (línea de construcción)
• carretilla
• palas
• paletas
• cortadores de vidrio
• alicates
• pinceles
• cuchillos de recorte
• destornilladores planos
• plaza del edificio
• 2 llaves inglesas ajustables

Habilidades y conocimientos

Comprensión de los destiladores solares: mantenimiento contiene una descripción detallada de los requisitos operativos y de mantenimiento, así como de las habilidades y conocimientos necesarios para construir y operar un destilador solar.

Costos estimados

Entendiendo los Destiladores Solares: Economía ya explica con precisión la rentabilidad de un destilador solar y compara esta tecnología con alternativas. Si bien los destiladores solares son más caros que otras tecnologías adecuadas para la purificación de agua, son fiables, fáciles de usar y robustos.

Estudios de caso

El Destilador Solar UTC es un caso práctico de la construcción de un alambique solar en México. La página incluye instrucciones detalladas con fotos, así como información sobre materiales y costos.

En las referencias se puede encontrar una cita de un estudio de caso de Botswana en formato de microficha. ^{[ 2 ]}

Referencias