Solar water purification system with solar heating/es

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El sistema de descontaminación solar de agua es un sistema de purificación de agua a nivel doméstico basado en el tratamiento con radiación solar y la destilación del agua, con el uso adicional de calefacción solar. Es una combinación de dos procesos de purificación de agua: el Sistema Solar de Desinfección de Agua (SODIS) y el proceso de destilación solar. Dado que el SODIS, iniciado por el profesor Aftim Acra , solo es ideal para desinfectar pequeñas cantidades de agua con baja turbidez y contaminada microbiológicamente, se agrega un destilador calentado por energía solar al sistema para abordar el problema de aguas altamente contaminadas (como agua de mar, agua con alta turbidez y agua contaminada por metales pesados ​​o microorganismos patógenos ).

Para los casos en que no se dispone de agua de baja turbidez, el agua contaminada se destilará para obtener agua potable utilizando un destilador calentado por energía solar para eliminar cualquier impureza sólida no volátil como sales, sedimentos, metales pesados ​​y microorganismos. ^{[ 1 ]} El agua de algunos pozos o arroyos puede ser visiblemente clara (turbidez de menos de 30 ^{[ 2 ]} Unidades de Turbidez Nefelométricas ), pero puede no ser potable ya que el agua aún puede contener microorganismos patógenos. Para resolver este problema, el agua contaminada se contendría en botellas limpias y transparentes de tereftalato de polietileno (PET) y se expondría a la luz solar durante un cierto tiempo (dependiendo de la intensidad de la luz solar) permitiendo que la radiación solar desactive cualquier patógeno transmitido por el agua ^{[ 3 ]} en el agua contaminada. La desinfección solar del agua es una forma eficaz de desinfectar el agua potable, como recomienda la Organización Mundial de la Salud . ^{[ 4 ]} El sistema de purificación solar del agua utiliza solo energía solar y se puede construir con materiales reciclados, por lo que el sistema es ambientalmente sostenible.

La destilación del agua es un proceso físico que filtra las impurezas sólidas de un fluido en función de la diferencia de volatilidad . A una temperatura y presión dadas, las sustancias con mayor volatilidad (agua en este caso) se vaporizan más fácilmente que las sustancias (impurezas sólidas) con menor volatilidad. El vapor de agua se dirige entonces a una región fría que lo condensa de nuevo al estado líquido, dejando atrás todas las impurezas sólidas no volátiles, como sales, sedimentos, microorganismos patógenos y metales pesados. Sin embargo, el agua destilada puede no ser apta para el consumo, ya que aún puede contener algunos compuestos orgánicos volátiles . ^{[ 5 ]} La velocidad de vaporización es proporcional a la presión de vapor, el área superficial del fluido y la temperatura del fluido.

El principio de SODIS se basa en el tratamiento de agua mediante luz ultravioleta . Utiliza dos componentes de la luz solar para la desinfección del agua: la radiación ultravioleta y la radiación infrarroja . La radiación UV-A (longitud de onda de 320-400 nm) interactúa con el ADN, los ácidos nucleicos y las enzimas de la célula orgánica, destruyendo las estructuras moleculares celulares y provocando la muerte celular. La radiación UV-A también reacciona con el oxígeno disuelto en el agua produciendo formas altamente reactivas de oxígeno (radicales libres de oxígeno y peróxido de hidrógeno ), que pueden ayudar al proceso germicida. La radiación infrarroja es una forma de onda larga de la radiación solar, se puede sentir como calor, ya que es responsable de elevar la temperatura del fluido. Los estudios han demostrado que el 99,9% ^{[ 6 ]} de los microorganismos en el agua se eliminan si el agua se calienta a 50-60 °C durante una hora. Para desinfectar el agua contaminada para beber de manera efectiva, se recomienda exponer el agua contaminada a la luz solar directa usando botellas de PET transparentes durante 6 ^{[ 7 ]} horas. Si las temperaturas del agua superan los 50 °C, una hora de exposición es suficiente para obtener agua potable segura. Cuando el clima está nublado en más del 50%, el agua contaminada debe exponerse durante 2 días consecutivos. La eficiencia del tratamiento puede mejorarse elevando la temperatura del fluido y exponiendo el agua contaminada a superficies reflectantes adicionales como aluminio o láminas de hierro corrugado.

El sistema consta de tres componentes principales: el colector de energía solar, el sistema de destilación solar y el sistema de desinfección solar de agua. El colector de energía solar es un dispositivo que capta la radiación solar y la convierte en energía térmica para el sistema SODIS y el proceso de destilación solar. El sistema de destilación solar es similar al sistema convencional de destilación de agua, con la diferencia de que no vaporiza el agua a temperatura de ebullición. El sistema de desinfección solar de agua toma agua con baja turbidez y contaminada microbiológicamente y la desinfecta para hacerla potable mediante la utilización de la radiación solar. El proceso se resume en la Figura 1. Se utiliza un sistema de tuberías aisladas o con resistencia térmica para conectar los tres sistemas, y este sistema debe ser lo más corto posible para minimizar las pérdidas de calor. Para el transporte de agua, se recomienda el uso de tuberías de cloruro de polivinilo (PVC) debido a su suficiente resistencia química.

La idea fue desarrollada inicialmente por Cansolair Inc. , que convierte la energía solar en energía para calefacción doméstica utilizando latas de aluminio. El colector de energía solar se compone de columnas de latas de aluminio pintadas de negro, una estructura que las alberga y un sistema de ventilación para la transferencia de calor. Antes de pegar todas las latas para formar la columna, es necesario retirar la parte superior e inferior de cada una. Al exponerse a la luz solar, las columnas absorben la radiación solar y el calor se transfiere al aire en su interior. Debido a la diferencia de densidad del aire, el aire caliente asciende a la parte superior de las columnas y el aire frío es aspirado desde la parte inferior. El flujo de aire caliente se recoge en la parte superior de las columnas. Las columnas están pintadas de negro para mejorar su capacidad de absorción de radiación y su tamaño puede variar según las necesidades. Cabe destacar que la altura total de la columna no es igual a la suma de las alturas de cada lata, ya que las latas de aluminio están diseñadas para encajar unas sobre otras mediante ranuras.

El sistema de destilación solar se compone de un vaporizador que contiene el agua, un condensador de vapor que recoge y condensa el vapor y un colector de agua que recoge el agua destilada. La velocidad de vaporización es proporcional a la superficie del fluido y a su temperatura. Para mejorar el rendimiento del destilador, el vaporizador debe ser lo más grande posible. Además, en la parte inferior del vaporizador hay unos conductos de gas serpentinos por donde se dirige el flujo de aire caliente proveniente del colector de energía solar. Debido a la diferencia de temperatura entre el agua y el flujo de aire, el calor se transfiere al vaporizador, lo que provoca un aumento de la temperatura del agua y, por lo tanto, acelera el proceso de vaporización. Otros métodos, como el uso de materiales termoconductores, pintar el vaporizador de negro y utilizar superficies reflectantes para concentrar la radiación, pueden emplearse para mejorar el rendimiento del sistema.

La tasa de evaporación se puede calcular como se indica a continuación: ^{[ 8 ]}

Q=ηdohanortenortemil⋅S+ηstill⋅A⋅GRAMOHmiatOFVapagorizationorte

dónde

• El calor de vaporización es el calor de vaporización del agua = 2,27 MJ/L ^{[ 9 ]}
• Q es la producción diaria de agua destilada (litros/día).
• ηstilles la eficiencia del destilador, como la fracción de la energía transferida al agua con respecto a la energía solar total absorbida. La eficiencia típica para destiladores solares de una sola balsa se aproxima al 60 ^{[ 10 ]} por ciento.
• ηdohanortenortemiles la eficiencia del colector del canal de flujo, como la fracción de la energía transferida al agua con respecto a la energía recolectada del colector de energía solar.
• G es la irradiación solar global diaria (véase insolación solar ) (MJ/m²). La insolación solar típica en la superficie terrestre es de aproximadamente 1000 ^{[ 11 ] [ 12 ]} vatios por metro cuadrado para una superficie perpendicular a los rayos solares a nivel del mar en un día despejado. Suponiendo 5 horas de luz solar al día, la irradiación solar diaria es de aproximadamente 18 MJ/m².
• A es la superficie inmóvil (perpendicular a la luz solar).
• S es la energía térmica obtenida del colector de energía solar. Se puede calcular utilizando la entalpía (ΔH) :

δH= HF − Hi=metro˙⋅dopag⋅(T2−T1)

dónde

• δH  es el cambio de entalpía.
• H _final es la entalpía final del sistema, expresada en MJ.
• H _inicial es la entalpía inicial del sistema, expresada en MJ.
• metro˙es el caudal másico que sale del flujo de aire (kg/s).
• C _p es el calor específico del aire (MJ/kg/K).
• T ₂ es la temperatura de salida del flujo del colector de energía solar en la escala Kelvin .
• T ₁ es la temperatura de entrada del flujo del colector de energía solar en la escala Kelvin.

Se puede realizar un cálculo sencillo de la siguiente manera:

Suposición:

• Horas diarias de luz solar = 5 horas/día = 5 horas/día x 3600 segundos/hora = 18 000 segundos/día
• ηstill=ηdohanortenortemil= 60%
• Irradiación solar global diaria (G) = 1,0 kW
• La energía solar obtenida del colector solar (S) = 1,2 kW según el modelo RA 240 SOLAR MAX de Consolair.

Q=60%⋅0,0012METROW⋅18,000smido/day+60%⋅1metro2⋅0,001METROJ⋅18,000smido/day2.27=10.33L/day/metro2

Para mejorar la eficiencia del sistema de desinfección solar de agua, se pueden utilizar superficies reflectantes para intensificar la radiación solar hacia el agua contaminada. Otra forma de mejorar el rendimiento del sistema es aumentar la temperatura del fluido. Según un estudio, si la temperatura del agua supera los 50 °C, una hora de exposición es suficiente para obtener agua potable segura. Es entonces cuando entra en juego la energía solar. Una parte de la energía térmica captada por el colector solar se destina a calentar el agua embotellada.

Para construir este sistema, se requieren los siguientes materiales y herramientas.

Materiales

• Lámina de metal termoconductor (como aluminio, cobre o zinc) para cuerpos de componentes
• latas de aluminio
• Botellas de PET transparentes (botellas de agua)
• maderas
• Sistema de tuberías de PVC (las piezas dependen del tamaño y la disposición del sistema).
• Clavos o tornillos (el tamaño depende del tamaño de la madera).

Herramientas

• Cinta métrica
• Cortadora de chapa metálica
• Sierra de mano
• pegamento de silicona
• Cuchillo Exacto
• Taladro eléctrico o manual

Más herramientas, materiales y componentes de chapa metálica: https://www.tradeindia.com/Seller/Automobile/Sheet-Metal-Parts-Components/

La construcción del colector de energía solar comienza con la preparación de las latas de aluminio. El proceso de construcción se muestra a continuación:

1

Recorta el patrón que se muestra en la imagen en la parte inferior de la lata.

2

Gire los recortes en una dirección para formar un conjunto de aletas. Las aletas en la parte inferior de la lata se utilizan para generar remolinos en el flujo, mejorando el proceso de convección del calor a medida que el aire fluye a través de las columnas.

3

Corta la parte superior de la lata.

5

Pega todas las latas formando columnas. El tamaño de la columna puede variar según las necesidades. Se recomienda usar pegamento de silicona, ya que otros pegamentos de silicona/látex o látex puro tardan mucho tiempo en disipar los vapores.

6

Aloja todas las columnas. El marco puede tener múltiples entradas/salidas y puede ser de madera o metal. La dimensión del modelo que se muestra en la Figura 15 se basa en madera de 2 pulgadas por 4 pulgadas y una lata de refresco de aluminio de 355 ml. Si está disponible, se puede agregar una caja transparente sellada al diseño para protegerlo de la intemperie. El colector de energía solar debe estar orientado hacia el sur y en un ángulo de 22-70 grados ^{[ 13 ]} sobre el horizonte para adaptarse a la trayectoria del sol. La ganancia de temperatura es aproximadamente de 10-20 ^{[ 14 ]} grados Celsius por encima de la temperatura ambiente con un sistema de 240 latas. Una descripción más detallada del proceso de fabricación se puede encontrar aquí .

El sistema de destilación solar consta de cuatro partes principales: vaporizador, condensador, colector de agua y colector de canales. El diseño que se muestra a continuación es solo una demostración conceptual. Puede fabricarse con chapa metálica y adaptarse a diferentes necesidades. Se recomienda el uso de materiales termoconductores como aluminio, cobre o zinc para maximizar la conductividad térmica del sistema.

El vaporizador se utiliza para contener y vaporizar agua contaminada. Una vez vaporizada toda el agua, deben eliminarse los residuos del vaporizador antes de cargar otro tanque con agua contaminada.

El condensador está diseñado para condensar el vapor y convertirlo de nuevo en agua líquida. Se debe prestar atención al diseñar la pendiente del techo. Si la pendiente es demasiado pequeña, el agua de condensación podría no poder escurrirse hasta el borde del condensador. El condensador se apoya sobre cuatro soportes atornillados en dos paredes opuestas y debe ser lo más delgado posible para garantizar una adecuada capacidad de intercambio de calor.

El colector de agua se utiliza para recoger el agua condensada que gotea desde el borde del condensador. Para ello, se debe ajustar la dimensión de la ranura de manera que quede debajo del borde del condensador. El colector de agua está diseñado para colocarse sobre el vaporizador y proporcionar soporte al condensador. Para fijar el colector de agua, se añade una protuberancia en la parte inferior que se ajusta a las dimensiones internas del vaporizador.

Se realiza una abertura en la pared del colector de agua, tangente al lecho del surco, para el drenaje del agua. Si es posible, el destilador debe colocarse sobre una superficie horizontal. El agua destilada se recogerá para el proceso de desinfección solar.

El colector de canales de flujo está diseñado para transferir calor del flujo al vaporizador, elevando así la temperatura del fluido y acelerando el proceso de vaporización. La disposición de los canales puede variar según la velocidad del flujo. El diseño en serpentín ofrece una mayor superficie de intercambio en comparación con el diseño recto. Sin embargo, debido a las pérdidas, el flujo de aire impulsado por convección térmica podría no ser capaz de circular por el canal en serpentín. Para velocidades de flujo bajas, se recomienda el diseño recto.

El sistema de destilación alimentado por energía solar se ensambla de la siguiente manera:

Para mejorar la eficacia de la desinfección solar, se puede utilizar una superficie reflectante, como un espejo o una superficie metálica con acabado fino, para concentrar la radiación sobre el agua contaminada. Aquí encontrará algunas ideas para reflejar la radiación . Una forma sencilla de reflejar la radiación es utilizar el cuerpo de una lata de refresco de aluminio. Los pasos son los siguientes:

1

Corta la parte superior e inferior de una lata de refresco de aluminio para obtener el tubo cilíndrico.

2

Corta el tubo cilíndrico para obtener una lámina de aluminio.

3

Ajusta las dimensiones de la lámina según el tamaño de la botella de PET. La lámina debe ser lo suficientemente ancha como para cubrir la mitad de la botella, como se muestra. Debido a la forma original de la lata, la lámina de aluminio se ajustará perfectamente a la botella de PET.

El sistema de desinfección solar se puede ensamblar con dos componentes: el soporte para botellas (Figura 28) y el distribuidor de calor (Figura 29). El soporte para botellas puede ayudar a reflejar la radiación si está hecho de material reflectante.

Los orificios situados en la parte inferior del soporte para botellas y del distribuidor de calor están diseñados para permitir el paso del aire caliente procedente del colector de energía solar, elevando así la temperatura del fluido.

Se recomienda que el sistema de desinfección solar esté fabricado con materiales conductores del calor y se puede ensamblar como se indica a continuación:

Las fuentes de agua deben someterse a pruebas para determinar su calidad física y química (turbidez, oxígeno y color) y su calidad microbiológica (microorganismos patógenos) antes del tratamiento, ya que el sistema SODIS no puede modificar ninguna característica química del agua y el destilador solar no es capaz de filtrar compuestos orgánicos volátiles.

La destilación tiene la capacidad de eliminar casi todo del agua, excepto algunos compuestos orgánicos volátiles que se volatilizan más fácilmente que el agua y son arrastrados por el vapor para condensarse nuevamente en el agua destilada.

Debido a que se omiten todos los demás componentes, el agua destilada carece de sales minerales. Un nivel mínimo de sales minerales es necesario para que el agua sea apta para el consumo humano. Por lo tanto, se deben añadir sales minerales al agua destilada antes de beberla, lo cual se puede lograr dejando reposar bloques de granito en el agua durante un breve período.

Se necesitan procesos detallados y referencias sobre las concentraciones necesarias de sales minerales en el agua para que sea potable.

Se recomienda el uso de botellas de PET en lugar de botellas de cloruro de polivinilo (PVC). Se añade un estabilizador UV a las botellas de plástico para aumentar su estabilidad o proteger el contenido de la oxidación. Se recomienda el uso de botellas de PET en lugar de PVC, ya que el PET contiene muchos menos aditivos que las botellas de PVC, las cuales permiten una mayor transmisión de la radiación UV. Las botellas de plástico deben limpiarse antes de su uso y las botellas viejas o rayadas deben reemplazarse. Para distinguir las botellas de PET de las de PVC, si el PVC se quema, el humo desprende un olor penetrante, mientras que el PET tiene un olor dulce.

El experimento muestra que el vidrio de ventana común de 2 mm de espesor casi no transmite luz UV-A ^{[ 15 ]} debido a su contenido de óxido de hierro. En otras palabras, las botellas de vidrio (excepto Pyrex, Corex, Vycor, Quartz) no se pueden utilizar para SODIS.

Informes de todo el mundo sobre sustancias cancerígenas presentes en botellas de PET podrían contaminar su contenido. Según la OMS, diversas instituciones de investigación verificaron la veracidad científica de estos informes y realizaron sus propios análisis de los materiales. Se han llevado a cabo estudios sobre las siguientes sustancias: antimonio , adipatos , ftalatos , acetaldehídos y formaldehídos . Estos estudios demuestran que, al aplicar correctamente el método SODIS con botellas de PET, no existe riesgo para la salud humana. El agua tratada debe conservarse en la botella y consumirse directamente de ella, o bien verterse en un vaso o taza justo antes de beberla. De esta forma, se elimina la posibilidad de que el agua tratada se contamine nuevamente.

Los recipientes utilizados para SODIS no deben superar una profundidad de agua de 10 cm. La radiación UV disminuye al aumentar la profundidad del agua. A una profundidad de agua de 10 cm, la radiación UV-A se reduce al 50 %. ^{[ 16 ]} Se recomienda utilizar una botella de PET de 1 a 2 L para SODIS.

El sistema SODIS no funciona correctamente durante periodos prolongados de lluvia. En esos días, se recomienda recoger agua de lluvia.

Todas las figuras, imágenes y dibujos presentados arriba son obra original de Jianlang Mai . Si tiene alguna duda o comentario sobre este proyecto,haga clic aquí .