UTC Solar Distiller/Destilador solar UTC

Un proyecto en curso diseñado e implementado en la Universidad Tecnológica de Coahuila en Parras de la Fuente, Coahuila México para proporcionar agua potable purificada mediante el proceso de destilación solar .

Existen numerosos métodos para purificar el agua, todos con el mismo objetivo: obtener agua potable, segura para el consumo humano. Algunos de los métodos más comunes son la ebullición, la adición de productos químicos (yodo o cloro), la ósmosis inversa y la filtración. Si bien todos estos métodos son eficaces, pueden requerir recursos que no están disponibles en algunos lugares. Por ejemplo, aunque puede ser muy difícil obtener productos químicos o mantener un fuego en zonas remotas, la luz solar suele ser un recurso fácilmente disponible para la destilación del agua.

Este documento es una propuesta para implementar un prototipo de sistema de destilación solar pasiva como ejemplo práctico de cómo utilizar la energía del sol para proporcionar agua potable segura para el consumo humano.

La destilación solar pasiva de agua se considera una tecnología apropiada porque opera según los mismos principios que producen la lluvia, purificando el agua a través de un proceso de evaporación, condensación y recolección. La destilación solar podría considerarse una forma de biomimetismo debido a su relación con el ciclo de la lluvia y el efecto invernadero . El proceso de destilación solar puede realizarse en agua salobre, salada o de fuentes como la lluvia, la red municipal, pozos o manantiales. Al utilizar la abundante energía del sol para evaporar el agua, los metales y minerales disueltos, como el arsénico, el bario, el cadmio, el cromo y el plomo, se separan del agua contaminada [1] . La destilación también elimina sales y contaminantes biológicos como la E. coli [2] .

Un destilador solar convencional es una caja con un techo de vidrio, denominado acristalamiento, colocado en un ángulo con respecto a la horizontal para asegurar una exposición solar óptima. Este ángulo es aproximadamente igual a la latitud de la ubicación. El destilador se orienta hacia el sur si se encuentra en el hemisferio norte y hacia el norte si se encuentra en el hemisferio sur [3] . El agua sin tratar se dirige a un depósito dentro del destilador. La radiación solar penetra el vidrio y calienta el interior del destilador, provocando la evaporación del agua en el depósito. La absorción de radiación de alta frecuencia calienta el agua y los componentes internos del destilador solar. El acristalamiento atrapa la radiación infrarroja, lo que produce un efecto invernadero que resulta en temperaturas más altas [4] . El proceso de evaporación separa los contaminantes del agua y produce un condensado delgado en la parte inferior de la cubierta de vidrio. El agua destilada condensada fluye del vidrio a una canaleta y se transfiere a un recipiente de almacenamiento de agua para uso doméstico. Los contaminantes y las partículas permanecen en el depósito y deben lavarse periódicamente.

Scott Harris y Jeffrey M. Hinton, participantes del programa Parras 2005, construyeron un destilador solar de agua y presentaron un análisis final de su proyecto el 5 de agosto de 2005. La unidad construida se encuentra en el laboratorio de la Universidad Tecnológica de Coahuila, Campus Parras. Este proyecto proporciona una base sólida para la investigación y el desarrollo de la destilación de agua a pequeña escala en Parras. Sin embargo, tras revisar su análisis final, la infraestructura de construcción y los materiales utilizados, proponemos algunos cambios de diseño y planeamos investigar diferentes materiales de construcción. Las modificaciones incluyen la sustitución del material aislante, el revestimiento del piso, la estructura del depósito y el diseño del canal de recolección. La intención es mejorar el diseño existente, utilizar materiales más asequibles y duraderos, e investigar métodos adicionales para aumentar la eficiencia. La portabilidad no es una consideración en este prototipo. Los materiales y el diseño elegidos no facilitan su transporte. El acristalamiento es frágil, el marco interno de chapa de madera es frágil y el depósito metálico no está asegurado. Esta unidad solo funcionará en el campus de la UTC; las iteraciones posteriores de este diseño deberán considerar los problemas de portabilidad.

Este experimento de destilación pasiva de agua mediante energía solar está diseñado para el campus de la Universidad Tecnológica de Coahuila, ubicado en la calle Madero, Parras, Coahuila. La UTC cuenta con una población estudiantil, docente y administrativa de 205 personas, lo que genera una demanda constante de agua potable. Esta demanda es importante porque afecta directamente el diseño del destilador en cuanto a la cantidad de agua que se desea obtener.

El suministro público es la fuente de agua más probable. Si bien el agua municipal recibe algún tratamiento, no siempre es potable. Actualmente, el agua municipal es el método más sencillo para obtenerla. En el futuro, podría implementarse un sistema de captación de agua de lluvia. Por el momento, la ubicación del destilador en el campus de la UTC está por determinar, a la espera de un estudio para encontrar la mejor ubicación posible. Es necesario un área plana y nivelada con acceso directo al agua y al sol. Se deben tomar precauciones para asegurar que no se encuentre en un lugar donde el vidrio pueda dañarse fácilmente por vandalismo o roturas accidentales. El sistema debe ubicarse en un área que facilite el acceso y el mantenimiento.

Actualmente, la UTC compra su agua potable a SierrAzul en garrafas de 5 galones (19 litros) a un costo aproximado de $1.40 USD ($14.50 pesos) cada una. Los beneficios potenciales de implementar este sistema son la reducción del costo del agua y la autosuficiencia . Supongamos que el costo del sistema es de $106.92 + $79.32 USD = $186.24 USD. Este es el costo de los materiales del año anterior sumado al costo total de la segunda iteración. Si la UTC consume una garrafa de 5 galones de agua por día, el sistema se amortizaría en aproximadamente 133 días gracias al ahorro derivado de no comprar agua. La presencia de este proyecto en la UTC podría motivar a los estudiantes a continuar su formación en tecnología solar, posiblemente aplicando estos conocimientos en su vida diaria y en el futuro.

Si logramos implementar con éxito el destilador solar de agua en UTC, existe un mayor potencial para su expansión e instalación en otras ubicaciones de Parras. La destilación solar de agua puede aplicarse tanto a pequeños sistemas para uso doméstico como a instalaciones más grandes en empresas o explotaciones agrícolas.

Semana 4: Se inició el desmontaje. Se retiraron e inspeccionaron parcialmente los componentes fundidos. Estos componentes incluyen espuma de poliestireno, tubería de PVC y revestimiento de plástico.

• 
  Figura 1: Destilador con el esmalte retirado, sin modificaciones.
• 
  Figura 2: Gran parte del poliestireno expandido se ha encogido y endurecido debido al calor excesivo.
• 
  Figura 3: El aserrín puede ser un buen aislante, pero es muy sucio si no se controla. También se encontraron bolitas de poliestireno expandido y varias baldosas cerámicas sueltas. *Materiales
• 
  Figura 4: Se utilizó ampliamente pegamento de silicona. *Materiales
• 
  Figura 5: El PVC no resistió el calor. *Materiales
• 
  Figura 6: Canal de recolección derretido, con pegamento.
• 
  Figura 7: Primer plano del aislamiento que rodea el depósito de agua no tratada.
• 
  Figura 8: El aislamiento situado debajo del lavabo también se derritió.
• 
  Figura 9: Estructura interna de madera que sostiene el depósito de agua. Construida con chapa fina.
• 
  Figura 10: Después de romper y desechar los trozos grandes de poliestireno expandido, los trozos más pequeños deben desecharse.

El aislamiento es, con diferencia, el material más difícil de elegir. Hay muchas opciones disponibles y aún no hemos decidido qué material será el más adecuado teniendo en cuenta el coste, la disponibilidad y la eficacia. Algunas posibles soluciones:

Notas:

• Cualquier material aislante inflamable puede requerir medidas adicionales para prevenir incendios.
• La protección contra incendios implica algún tipo de sellado y/o tratamiento químico del aislamiento de relleno suelto.
• El material aislante debe tener un contacto mínimo o nulo con el agua, tanto líquida como vaporizada.
• Un retardante de fuego y repelente de insectos bastante económico es
• 2.5 onzas de bórax mezcladas con 2 tazas de agua hirviendo [6]

Puede ser útil combinar un aislante sólido con algún tipo de relleno suelto [12] o pulverizado in situ [13].

El depósito de agua es bastante pequeño, está pintado con aerosol negro y sellado con pegamento de silicona. Algunas ideas para mejorarlo:

• Fabricar o comprar un lavabo más grande
  • Buscar posibles alternativas a los lavabos de metal
    • Reutilizar un lavabo de color oscuro
    • Fabricar un lavabo de cerámica
    • Lavabo de corriente lineal con vidrio tintado o azulejo de cerámica oscura
  • El peso adicional es aceptable para este prototipo de destilador debido a su diseño fijo. Además, el depósito de agua se puede desmontar si es necesario transportarlo .
• Compra un segundo lavabo idéntico y coloca los dos uno al lado del otro.
• Eliminar pintura en aerosol
  • Busque una pintura negra alternativa no tóxica, con alta tolerancia a la temperatura.
  • Si la única opción es utilizar un recipiente metálico, investigue otras soluciones para oscurecerlo, como la pátina o el teñido.
• Considere la posibilidad de utilizar un sistema de mecha para introducir agua sin tratar en el alambique.

Esto podría sustituirse por metal fabricado, cerámica u otro material con alta resistencia a la temperatura. Se debe tener en cuenta la conductividad del material elegido.

Es necesario retirar gran parte del adhesivo existente y sustituirlo por fijaciones más resistentes, como soportes y tornillos. El material más adecuado en esta región es el sellador de juntas de silicona RTV de alta temperatura.

• Se implementó la instalación de fontanería para el sistema de captación de agua, incluyendo un depósito de almacenamiento externo y un sistema de válvula de flotador para el lavabo.
• Decidí que el material aislante sería perlita. Visité varios viveros locales y encontré uno que puede encargar perlita a granel.
• Visité tiendas de materiales de construcción locales en busca de silicona negra de alta temperatura. No la encontré en la zona.
  • En su lugar, compré dos tubos pequeños de sellador rojo de alta temperatura en Home Depot de Torreón.

• Lista de materiales finalizada
• Fui a Home Depot en Torreón a comprar materiales.
• El presupuesto propuesto hasta la fecha para la destilería es de $100.00 (USD).
• El dinero gastado hasta la fecha es de 35,00 dólares (USD).
• Pedí perlita al vivero. Tengo dos cubos grandes encargados que deberían llegar el jueves 13 de octubre. Debido a un viaje programado, debo recogerlos el sábado 15 de octubre.

Implementado el domingo 9 de julio de 2006.

• 
  Figura 1: Válvula de flotador dentro del cubo de retención externo
• 
  Figura 2: Salida del depósito de retención
• 
  Figura 3: Perforación del orificio de entrada para el depósito de agua.
• 
  Figura 4: Instalación de la válvula de flotador del depósito de agua.
• 
  Figura 5: Prueba del funcionamiento de la válvula de flotador
• 
  Figura 6: Sifonado de agua del depósito para abrir la válvula de flotador.
• 
  Figura 7: Cuenca de agua en funcionamiento

• 
  Cortando leña con la ayuda de Mari Angél
• 
  Medición de las dimensiones internas del marco
• 
  Asegurar el marco interno
• 
  Más construcción de marco interno
• 
  Agregar plástico negro utilizado para retener el calor.
• 
  Recortar tornillos con una amoladora.
• 
  Medición de las dimensiones de la cubierta aislante
• 
  Cortar el plástico para la cubierta aislante.
• 
  Angela está a punto de cortar madera.
• 
  Sujetando el plástico original (que se retira posteriormente).
• 
  Listo para presentar, pero no listo para usar.
• 
  Reemplazar el plástico
• 
  Completo, a excepción del esmalte.
• 
  ¡Casi listo para la prueba!

• Nublado por la mañana. Tormenta de lluvia más tarde.
  • Todo el alambique se mojó y la parte inferior quedó empapada.
  • No se evaporó agua.

• El montaje finalizó por la mañana.
  • Trasladamos el destilador para que mirara hacia el sur y así maximizar la exposición al sol. Debido a esto, el sistema ya no está al alcance del grifo más cercano y el depósito de almacenamiento debe llenarse manualmente.
• El esmalte no se selló correctamente hasta las 5:00 p. m.
  • El agua se escapaba constantemente y no se producía evaporación.
• Una vez sellado el esmalte, la evaporación comenzó de inmediato.
  • Se lograron destilar y recuperar aproximadamente 10 ml de agua.
  • Se perdió una cantidad considerable de agua debido a que el tubo de plástico utilizado para recoger las gotas y depositarlas en el colector no estaba completamente sellado al vidrio. Además, la forma circular del tubo podría permitir que las gotas de agua se filtraran y cayeran sobre el marco de madera en la parte inferior del cristal.
  • Debido a otros compromisos, como las clases y el almuerzo, las lecturas de temperatura fueron irregulares. Todos los datos de temperatura tuvieron que descartarse porque el sistema no estaba sellado y no retenía el calor.

• Sellé el fondo del depósito de agua para evitar fugas.
  • El lavabo no está bien sellado en las esquinas inferiores y sigue goteando.
• Conexión de la manguera al lavabo sellada con cinta de teflón.
• Se añadió más junta de sellado a la manguera de goma utilizada para gotear agua en el abrevadero.
  • Corte la manguera por la mitad para disminuir la posibilidad de que las gotas caigan más allá del canal de recolección.
  • Se logró aumentar la probabilidad de que el agua destilada cayera en el canal.
• Sellé completamente el esmalte utilizando una junta de silicona de alta temperatura y cinta adhesiva.
  • La cinta metálica habría sido una mejor opción, pero después de 3 horas infructuosas de búsqueda en Parras, la cinta adhesiva fue la única alternativa.
• Destilé una cantidad muy pequeña de agua durante las horas de luz que quedaban.

• Día completo de sol con algunas nubes.
• Al final del día, se destilaron aproximadamente 500 ml de agua.
  • Aspecto del agua destilada: el agua es transparente y huele a plástico.
  • Prueba de sabor: Jeff Kinzer y Eddie Durán fueron los participantes. La conclusión general es que el agua tiene un sabor horrible, como a plástico con un regusto a algodón.
• Problemas encontrados:
  • El depósito de agua sin tratar continuó goteando, lo que provocó la separación y la deformación de la madera en la parte inferior frontal del destilador.
  • Al retirar el cristal para guardar el mueble, se rompió una esquina del mismo.

1. Conecte la manguera desde la fuente de agua al cubo. También puede conectar la manguera directamente al sistema. El cubo sirve únicamente para almacenar agua temporalmente si es necesario desconectar la fuente de agua y utilizarla para otro fin.
2. Abra el grifo y observe cómo se llenan el recipiente y el cubo.
3. Espere pacientemente
4. Cambie el recipiente de agua limpia cuando esté lleno.

• Lave periódicamente el lavabo con agua no tratada.
• Esmalte limpio
• Compruebe si hay fugas en la manguera.
• Cúbralo con una lona si llueve.
• Reemplace las válvulas de flotador según sea necesario.
• Compruebe los sellos del esmalte.
• Compruebe si hay fugas en las conexiones de las mangueras y repárelas si es necesario.

• Acumulación de agua en el fondo del sistema
• Degradación del sellado del esmalte, lo que provocará una pérdida de eficiencia y aumentará la posibilidad de contaminación procedente de fuentes externas.
• Fuga en la conexión de la manguera
• Degradación del marco de madera por filtraciones de agua y exposición a la intemperie.

• Solución para la incompatibilidad de roscas : Las válvulas de flotador utilizan rosca fina, pero los conectores de manguera utilizan rosca gruesa. Esta incompatibilidad provoca conexiones inestables y fugas constantes. Actualmente, se han colocado varias vueltas de cinta de teflón para detener las fugas. La mejor solución es un adaptador de rosca o la compra de conectores de manguera de rosca fina.
• Construya el sistema con un material distinto a la madera, especialmente no aglomerado . El metal o el cemento pueden resistir mejor que la madera cuando se exponen a la lluvia, el viento y altas temperaturas solares.
• Utilice un método diferente para depositar las gotas de agua condensada en el canal de recolección. El tubo no es del todo efectivo . Una posible solución es una pieza curva de plástico que vaya desde el borde inferior del esmalte en diagonal hasta el canal de recolección.
• Instale un conector/desconectador de manguera fácil de usar en la parte trasera del destilador : el sistema debe ser fácil de conectar o desconectar para cualquier persona.
• Selle completamente el aislamiento de perlita de la cámara de agua : actualmente, el polvo de sílice de la perlita triturada está contaminando toda la cámara de evaporación de agua.

• Sustitución del marco interno
• la adición de plástico negro reutilizado de tanques de almacenamiento de agua defectuosos, como reemplazo de la pintura en aerosol
• Sistema de entrada de agua con válvula de flotador
• Aislamiento de perlita como sustituto del poliestireno expandido.
• Gracias a la familia Madero, que acogió a Angela, tuvimos acceso a herramientas, ayuda y transporte. Sin ellos, este proyecto no habría sido posible.

• sistemas de entrada de agua
• El cubo con válvula de flotador es innecesario
  • Sin embargo, el cubo auxiliar ha sido esencial para las pruebas porque no tenemos una manguera lo suficientemente larga como para llegar desde el grifo más cercano hasta el lugar de la prueba.
  • Los materiales adicionales también incluyen una válvula de flotador de repuesto y piezas de manguera adicionales para futuros mantenimientos.
• Incompatibilidad de roscas con las uniones de las mangueras: rosca fina en la válvula de flotador, rosca gruesa en el conector de la manguera.
• Fugas en el acoplamiento de la manguera (actualmente se utiliza cinta de teflón y un sistema de recogida de goteo).
• El depósito de agua tiene fugas, pero los intentos por sellarlo no han tenido éxito.
• El aislamiento no está completamente sellado. La perlita entra en la cámara de destilación y las partículas de sílice se depositan en el depósito de agua sin tratar.
• El esmalte es muy difícil de sellar porque el marco de la caja está deformado y continúa deformándose.
  • Los intentos de sellar el esmalte con una junta de silicona de alta temperatura tuvieron un éxito parcial.
  • Se necesita más silicona de la que pudimos comprar para sellar la unidad.
  • La cinta metálica sería suficiente para sellar el esmalte. Encontrarla en Parras es difícil y no pudimos conseguirla. Se debería investigar más sobre la seguridad del uso de cinta de aluminio en posible contacto con agua destilada.

As a functional unit, this project was only partially successful. There are many issues that still need to be solved regarding the efficiency, ease of use, and maintainability of the distillation system. The water recovered from the distiller has not been properly tested, but this water is not likely to be much safer for consumption than the original untreated water.

As a continuation of the work from the previous year, the project has progressed. Several components, such as the water intake system, internal frame, insulation, and collection trough, have improved greatly. The addition of a float valve to allow for automatic water input solved one of the major problems encountered originally. The distiller no longer must be filled manually, and there is a much lower chance of the system going dry and melting internal components. The internal frame is now sturdier, and is using black plastic rather than spray paint to maintain internal temperature. The perlite insulation is far more resistant to heat than styrofoam. The collection trough is fabricated from metal and will not melt as did the previous PVC trough.

This project has good prospects of improving significantly in the years to come. The next group to work with the solar distiller will have two years of experience to draw from in designing and implementing the system which may one day provide safe drinking water for Universidad Technológia Coahuila in Parras de la Fuente.

Solar distillation

• Wikipedia:Solar distillation
• 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
• Solar Distillation in Parras 2005 (not available online)

Distillation background

• 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

Asbestos

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

Insulation

• Wikipedia:Thermal insulation

• Solar distillation
• Compound parabolic concentrators
• Understanding Solar Concentrators