Solar water purification system with solar heating/es

▼Se ha sugerido que esta página o sección se divida en dos o más páginas separadas.Consulta la página de discusión para obtener más información.

El sistema de descontaminación solar de agua es un sistema de purificación de agua a nivel doméstico basado en el tratamiento mediante radiación solar y la destilación, con el uso adicional de calentamiento solar. Combina dos procesos de purificación: el Sistema de Desinfección Solar de Agua (SODIS) y la destilación solar. Dado que el SODIS, desarrollado por el profesor Aftim Acra , solo es ideal para desinfectar pequeñas cantidades de agua con baja turbidez y contaminación microbiológica, se le añade un destilador solar para tratar aguas altamente contaminadas (como agua de mar, agua con alta turbidez y agua contaminada con metales pesados ​​o microorganismos patógenos ).

En los casos en que no se disponga de agua de baja turbidez, el agua contaminada se destila para obtener agua potable mediante un destilador solar que elimina las impurezas sólidas no volátiles, como sales, sedimentos, metales pesados ​​y microorganismos. ^{[ 1 ]} El agua de algunos pozos o arroyos puede ser visiblemente clara (turbidez inferior a 30 ^{[ 2 ]} Unidades Nefelométricas de Turbidez ), pero puede no ser potable, ya que aún puede contener microorganismos patógenos. Para solucionar este problema, el agua contaminada se almacena en botellas limpias y transparentes de tereftalato de polietileno (PET) y se expone a la luz solar durante un tiempo determinado (dependiendo de la intensidad de la luz solar), lo que permite que la radiación solar desactive cualquier patógeno presente en el agua ^{[ 3 ]} . La desinfección solar del agua es un método eficaz para desinfectar el agua potable, tal como lo recomienda la Organización Mundial de la Salud . ^{[ 4 ]} El sistema de purificación solar del agua utiliza únicamente energía solar y puede construirse con materiales reciclados; por lo tanto, es un sistema ambientalmente sostenible.

principal

La destilación del agua es un proceso físico que filtra las impurezas sólidas de un fluido según su volatilidad . A una temperatura y presión determinadas, las sustancias con mayor volatilidad (el agua en este caso) se vaporizan más fácilmente que las sustancias (impurezas sólidas) con menor volatilidad. El vapor de agua se dirige a una región fría donde se condensa, recuperándose así 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 humano, ya que aún puede contener compuestos orgánicos volátiles . ^{[ 5 ]} La velocidad de vaporización es proporcional a la presión de vapor, la superficie del fluido y su temperatura.

El principio de SODIS se basa en el tratamiento de agua mediante luz ultravioleta . Utiliza dos componentes de la luz solar para el proceso de desinfección del agua: la radiación ultravioleta y la radiación infrarroja . La radiación UV-A (longitud de onda de 320 a 400 nm) interactúa con el ADN, los ácidos nucleicos y las enzimas de las células orgánicas, destruyendo las estructuras moleculares celulares, lo que provoca la muerte celular. La radiación UV-A reacciona con el oxígeno disuelto en el agua, produciendo formas altamente reactivas de oxígeno (radicales libres de oxígeno y peróxido de hidrógeno ), que contribuyen al proceso germicida. La radiación infrarroja, una forma de radiación solar de onda larga, se percibe como calor, ya que eleva la temperatura del agua. Diversos estudios han demostrado que el 99,9 % ^{[ 6 ]} de los microorganismos presentes en el agua se eliminan al calentarla a 50-60 °C durante una hora. Para desinfectar eficazmente el agua contaminada y hacerla potable, se recomienda exponerla a la luz solar directa en botellas de PET transparentes durante 6 ^{[ 7 ]} horas. Si la temperatura del agua supera los 50 °C, una hora de exposición es suficiente para obtener agua potable segura. Cuando el cielo está nublado durante más del 50 % del tiempo, el agua contaminada debe exponerse durante dos días consecutivos. La eficacia del tratamiento puede mejorarse elevando la temperatura del agua y exponiéndola a superficies reflectantes adicionales, como láminas de aluminio o hierro corrugado.

de diseño

El sistema consta de tres componentes principales: el colector de energía solar, el sistema de destilación solar y el sistema de desinfección solar del 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 de destilación de agua convencional, con la diferencia de que no vaporiza el agua a temperatura de ebullición. El sistema de desinfección solar del agua toma agua con baja turbidez y contaminación microbiológica, y la desinfecta para hacerla potable mediante el uso de radiación solar. El proceso se resume en la Figura 1. Se utiliza un sistema de tuberías aisladas o termorresistentes para conectar los tres sistemas, y se recomienda que la tubería sea lo más corta 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.

Colector de energía solar

La idea, desarrollada inicialmente por Cansolair Inc. , consiste en convertir la energía solar en energía térmica para viviendas utilizando latas de aluminio. El colector 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 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 transmite por convección al aire en su interior. Debido a la diferencia de densidad del aire, el aire caliente asciende a la parte superior de las columnas, mientras que 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 la absorción de la 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 estas se apilan mediante ranuras.

Sistema de destilación solar

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 sistema, el vaporizador debe ser lo más grande posible. Además, en la parte inferior del vaporizador hay conductos de gas serpentinos por donde se dirige el flujo de aire caliente proveniente del colector solar. Debido a la diferencia de temperatura entre el agua y el aire, se transfiere calor 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 mejorar el rendimiento del sistema.

La tasa de evaporación se puede calcular como se muestra 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).
• ηstillLa eficiencia del destilador se define como la fracción de la energía transferida al agua con respecto a la energía solar total absorbida. La eficiencia típica de los destiladores solares de un solo depósito se aproxima al 60 % ^{[ 10 ]} .
• 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 al 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 el área de 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 de salida 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 escala Kelvin .
• T ₁ es la temperatura de entrada del flujo del colector de energía solar en 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) es de 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

Sistema de desinfección solar de agua

Para mejorar la eficiencia de un sistema de desinfección solar de agua, se pueden utilizar superficies reflectantes para intensificar la radiación solar que incide sobre el agua contaminada. Otra forma de optimizar el rendimiento del sistema es aumentar la temperatura del agua. 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 utiliza para calentar el agua embotellada.

de la construcción del sistema

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/

Construcción de colectores de energía solar

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 de la parte inferior de la lata.

2

Gira las piezas recortadas en una dirección para formar un conjunto de aspas. Las aspas en la parte inferior del recipiente se utilizan para inducir remolinos en el flujo, mejorando así el proceso de convección térmica a medida que el aire fluye a través de las columnas.

3

Corta la parte superior de la lata.

5

Pegue 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

Aloje todas las columnas. El marco puede tener múltiples entradas/salidas y puede ser de madera o metal. Las dimensiones del modelo mostrado en la Figura 15 se basan en madera de 5 x 10 cm y una lata de refresco de aluminio de 355 ml. Si es posible, se puede añadir una caja transparente sellada para protegerlo de la intemperie. El colector de energía solar debe orientarse hacia el sur y con un ángulo de 22 a 70 grados ^{[ 13 ]} sobre el horizonte para captar la trayectoria del sol. El aumento de temperatura es de aproximadamente 10 a 20 grados Celsius ^{[ 14 ]} por encima de la temperatura ambiente con un sistema de 240 latas. Puede encontrar una descripción más detallada del proceso de fabricación aquí .

Construcción de un sistema de destilación solar

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 redimensionarse según las necesidades. Se recomienda utilizar 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 nuevamente en agua líquida. Se debe prestar atención al diseñar la pendiente del techo. Si la pendiente es demasiado pequeña, es posible que el agua condensada no llegue al borde del condensador. El condensador se apoya en cuatro soportes atornillados a 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 del 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 del colector que se ajusta a las dimensiones internas del vaporizador.

Se practica un recorte en la pared del colector de agua, tangente al lecho de ranuras, para el drenaje del agua. El alambique debe colocarse sobre una superficie horizontal, si es posible. 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 serpentino proporciona una mayor área de intercambio de calor que el diseño recto. Sin embargo, el flujo de aire impulsado por convección térmica puede no circular correctamente a través del canal serpentino debido a las pérdidas. Para velocidades de flujo bajas, se recomienda el diseño recto.

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

Construcción de un sistema solar de desinfección de agua

Para mejorar la eficacia de la desinfección solar, se puede utilizar una superficie reflectante, como un espejo o una superficie metálica con un acabado fino, para concentrar la radiación sobre el agua contaminada. Aquí encontrará algunas ideas para la reflexión de 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

Abra el tubo cilíndrico para obtener una lámina de aluminio.

3

Redimensiona 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 encajará perfectamente en 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 fabricado con material reflectante.

Los orificios en la parte inferior del soporte para botellas y del distribuidor de calor están diseñados para permitir que el aire caliente del colector de energía solar fluya a través de ellos, elevando así la temperatura del fluido.

Se recomienda que el sistema de desinfección solar esté fabricado con materiales termoconductores y puede ensamblarse como se muestra a continuación:

Limitaciones

fuentes de agua

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

Agregar minerales al agua destilada

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 con el vapor para condensarse nuevamente en el agua destilada.

Al omitirse 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 periodo.

Se necesitan procesos detallados con precisión y referencias sobre las concentraciones necesarias de sales minerales en el agua para hacerla potable.

botellas de PET

Se recomienda usar botellas de PET en lugar de botellas de PVC. A las botellas de plástico se les añade un estabilizador UV 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 radiación UV. Las botellas de plástico deben limpiarse antes de usarlas y deben reemplazarse las que estén viejas o rayadas. Para diferenciar las botellas de PET de las de PVC, si se quema PVC, el humo desprende un olor penetrante, mientras que el olor del PET es dulce.

botellas de vidrio

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

Preocupaciones sanitarias sobre las botellas de PET

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

tamaños de botellas

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

agua de lluvia

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

Referencias

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