UTC Solar Distiller/es
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. Algunos de los métodos más comunes son la ebullición, la adición de productos químicos (yodo o cloro), la ósmosis inversa y la filtración . Todos estos métodos son eficaces, pero pueden requerir recursos inaccesibles en algunos lugares. Por ejemplo, si bien 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 de agua.
Este documento es una propuesta para implementar un prototipo de sistema de destilación solar pasiva como ejemplo práctico de utilización de la energía del sol para proporcionar agua potable para el consumo humano.
Teoría
La destilación solar pasiva de agua se considera una tecnología apropiada porque opera con los mismos principios que producen la lluvia, purificando el agua mediante 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, municipal, de pozo o de manantial. 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 E. coli [2] .
Un destilador solar convencional es una caja con un techo de vidrio, conocido como vidriado, dispuesto en un ángulo con respecto a la horizontal para garantizar una exposición solar óptima. Este ángulo es aproximadamente igual a la latitud de la ubicación. El destilador está orientado al sur si se encuentra en el hemisferio norte y al norte en el hemisferio sur [3] . El agua sin tratar se dirige a un depósito de retención dentro del destilador. La radiación solar penetra el vidrio y calienta el interior del destilador, lo que provoca la evaporación del agua del depósito. La absorción de radiación de mayor frecuencia calienta el agua y los componentes internos del destilador solar. El vidriado atrapa la re-radiación infrarroja, lo que provoca un efecto invernadero que resulta en temperaturas más altas [4] . El proceso de evaporación separa los contaminantes del agua y produce un condensado fino en la parte inferior de la cubierta de vidrio. El agua destilada condensada luego escurre del vidrio a un canal y se transfiere a un contenedor de almacenamiento de agua para uso doméstico. Los contaminantes y las partículas permanecen en el depósito y deben lavarse periódicamente.
Planos de construcción
Scott Harris y Jeffrey M. Hinton, participantes del programa Parras 2005, construyeron un destilador solar de agua y presentaron el análisis final de su proyecto el 5 de agosto de 2005. La unidad que construyeron se encuentra en el laboratorio de la Universidad Tecnológica de Coahuila, Campus Parras. Este proyecto sienta las bases para futuras investigaciones y desarrollos de destilación de agua a pequeña escala en Parras. Sin embargo, tras revisar el 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 de aislamiento, el revestimiento del suelo, 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 un factor a considerar en este prototipo. Los materiales y el diseño elegidos no facilitan su transporte. El vidriado es frágil, el marco interno de chapa de madera es frágil y el depósito metálico no está bien fijado. Esta unidad solo funcionará en el campus de UTC; las iteraciones posteriores de este diseño deben considerar cuestiones de portabilidad.
| Función | Material actual | Posibles alternativas | Justificación | Posibles problemas |
|---|---|---|---|---|
| Aislamiento | Espuma de poliestireno | Fibra de lechugilla, lana, mezcla de arcilla y paja [5] , mezclilla reciclada, perlita [Detalles] , fibra de vidrio como último recurso. | Sería preferible un aislante natural, y el poliestireno tiende a derretirse con el calor. | Inflamabilidad, absorción de agua, valor R, costo, disponibilidad, vida útil. |
| Comedero de recolección | Tubo de PVC | metal, cerámica, madera | El PVC se derrite por el calor. | Resistencia al calor, conductividad que elimina el calor del sistema. |
| Recubrimiento negro para retención de calor. | Pintura en aerosol | Azulejos de cerámica, lona tejida negra, vidrio tintado | La pintura en aerosol puede ser la única solución, pero sería preferible una capa negra más natural. | Lixiviación química, resistencia al calor, fragilidad. |
| Cuenca de agua sin tratar | Metal galvanizado pintado con aerosol | Acero inoxidable, cerámica | La pintura en aerosol y el sellador de silicona pueden contaminar el proceso de destilación de agua. | Dificultad para obtener sellador negro de alta temperatura. Encontrar un recipiente del tamaño adecuado. |
| Marco interno | Chapa de madera fina | Madera más gruesa con construcción más resistente o metal. | La chapa es demasiado fina y carece de soporte estructural. | Asequibilidad, disponibilidad, peso, facilidad de adhesión del color. |
Ubicación propuesta
Este experimento con un destilador solar pasivo de agua 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 laboral de 205 personas, lo que representa una demanda continua de agua potable. La demanda de agua es importante porque afecta directamente el diseño del destilador en cuanto a la cantidad de agua deseada.
El suministro público es la fuente de agua más probable. Aunque el agua municipal ha recibido algún tratamiento, no siempre es potable. Actualmente, el agua municipal es el método más sencillo para obtenerla. En el futuro, se podría implementar un sistema de captación de agua de lluvia. Actualmente, la ubicación del destilador en el campus de la UTC es indeterminada, a la espera de que se investigue la mejor ubicación posible. Es necesario un área plana y nivelada con acceso directo al agua y al sol. Se debe tener cuidado para asegurar que no esté en un lugar donde el vidriado pueda dañarse fácilmente por vandalismo o rotura accidental. El sistema debe ubicarse en una zona que facilite el acceso y el mantenimiento.
Justificación
Actualmente, la UTC compra su agua potable de SierrAzul en garrafones de 5 galones (19 litros) a un costo aproximado de $1.40 USD ($14.50 pesos) cada uno. Los beneficios potenciales de implementar este sistema son la reducción del costo del agua y la autosuficiencia . Suponga 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 UTC consume un garrafón de 5 galones de agua por día, el sistema se pagaría solo en aproximadamente 133 días con base en los ahorros por no comprar el agua. La presencia de este proyecto en la UTC puede influenciar a los estudiantes a buscar educación adicional en tecnología solar, posiblemente llevando el conocimiento con ellos en su vida diaria y en el futuro.
Si implementamos con éxito el destilador solar de agua en UTC, podría haber mayor potencial de expansión e instalación en otras localidades de Parras. La destilación solar de agua podría aplicarse tanto a pequeños sistemas residenciales como a instalaciones más grandes en negocios o zonas agrícolas.
Actualización del proyecto: semana 5
Progreso físico
Semana 4: Se inició el desmontaje. Se retiraron e inspeccionaron parcialmente los componentes fundidos. Estos componentes incluyen poliestireno, tubería de PVC y revestimiento de plástico.
Fig. 1: Destilador con el esmalte eliminado, sin modificaciones.
Fig. 2: Gran parte del poliestireno se ha encogido y endurecido debido al calor excesivo.
Fig. 3: El aserrín puede ser un buen aislante, pero es muy sucio si no se controla. También se encontraron bolitas de poliestireno y varias baldosas cerámicas sueltas. *Materiales
Fig. 4: Se utilizó ampliamente pegamento de silicona. *Materiales
Fig. 5: El PVC no sobrevivió al calor. *Materiales
Fig 6: Canaleta colectora derretida, con cola.
Fig. 7: Primer plano del aislamiento que rodea el depósito de agua sin tratar.
Fig. 8: El aislamiento debajo de la cuenca también se derritió.
Fig. 9: Marco interior de madera que sostiene el recipiente de agua. Fabricado con chapa fina.
Fig. 10: Después de romper y descartar los pedazos grandes de poliestireno, se deben desechar los pedazos más pequeños.
Materiales propuestos
Aislamiento
El aislamiento es, sin duda, el material más difícil de elegir. Existen muchas opciones, y aún no hemos decidido qué material será el más adecuado al comparar precio, disponibilidad y eficacia. Algunas posibles soluciones:
Notas:
- Cualquier aislante inflamable puede requerir medidas adicionales para evitar incendios.
- La protección contra incendios significa algún tipo de sellado y/o tratamiento químico del aislamiento de relleno suelto.
- El aislamiento debe tener un contacto mínimo o nulo con el agua líquida y vaporizada.
- Un retardante de fuego y repelente de insectos bastante económico es
- 2,5 onzas de bórax mezclado con 2 tazas de agua hirviendo [6]
| Material | Justificación | Preocupaciones | Valor R estimado [7] |
|---|---|---|---|
| Fibra de algodón de fábrica de mezclilla | Disponible localmente | Posibles productos químicos tóxicos (tintes, etc.), peligro de incendio. | 3 a 3,8 (celulosa) |
| Perlita - Relleno suelto [8] [9] | Material común, vidrio de origen natural, probablemente disponible en [Parras Farm Stores]. Tolerancia a altas temperaturas. | precio, disponibilidad, posible contaminación del agua | 2.7 |
| Vermiculita [10] | Muy similar a la perlita, resistente al fuego. | Puede contener amianto [11] | 2.13 a 2.4 |
Puede ser útil combinar un aislante sólido con algún tipo de relleno suelto [12] o rociado en el lugar [13].
Cuenca hidrográfica
El depósito de agua es bastante pequeño, está pintado con aerosol negro y sellado con silicona. Algunas ideas para mejorarlo:
- Fabricar o comprar un lavabo más grande
- Búsqueda de posibles alternativas a los lavabos metálicos
- Reutilizar un lavabo de color oscuro
- Fabricar un lavabo de cerámica
- Revestimiento del lavabo actual con cristal tintado o baldosas de cerámica oscura.
- El peso adicional es aceptable para este prototipo de destilador gracias a su diseño estacionario. Además, el depósito de agua puede desmontarse si es necesario transportarlo.
- Búsqueda de posibles alternativas a los lavabos metálicos
- Compre un segundo lavabo idéntico y coloque los dos uno al lado del otro.
- Quitar pintura en aerosol
- Encuentra una pintura negra alternativa no tóxica, con alta tolerancia a la temperatura.
- Si un canal de metal es la única opción, investigue otras soluciones de oscurecimiento, como la pátina o el teñido.
- Considere la posibilidad de utilizar un sistema de mecha para introducir agua sin tratar en el alambique.
Comedero de recolección
Esto podría reemplazarse con metal fabricado, cerámica u otro material resistente a altas temperaturas. Se debe considerar la conductividad del material elegido.
Sujetadores y selladores
Es necesario retirar gran parte del pegamento sobrante y reemplazarlo con fijaciones más resistentes, como soportes y tornillos. El material disponible en esta zona es el sellador de juntas de silicona RTV de alta temperatura.
Actualización del proyecto: semana 8
Semana 6
- Se implementó la plomería para el sistema de toma de agua, incluido un balde de almacenamiento externo y un sistema de válvula de flotador de cuenca.
- Decidí que el aislamiento sería de perlita. Visité varios viveros locales y encontré uno que puede pedir perlita a granel.
- Visité tiendas de construcción locales para comprar silicona negra de alta temperatura. No está disponible localmente.
- En lugar de eso compré dos tubos pequeños de sellador rojo de alta temperatura en Home Depot en Torreón.
Semana 7
- Lista de materiales finalizada
- Fui a Home Depot en Torreón a comprar materiales.
- El presupuesto propuesto hasta la fecha para el destilador es de $100,00 (dólares estadounidenses).
- El dinero gastado hasta la fecha es de $35,00 (dólares estadounidenses)
- Pedí perlita al vivero. Tengo dos cubos grandes pedidos y deberían llegar el jueves 13/10. Debido a un viaje programado, deben recogerse el sábado 15/10.
Sistema automático de toma de agua
- Implementado el domingo 9 de julio de 2006
Fig. 1: Válvula de flotador dentro del cubo de retención externo
Fig. 2: Salida del cubo de retención
Fig. 3: Perforación del orificio de entrada para el depósito de agua.
Fig. 4: Instalación de la válvula de flotador del depósito de agua
Fig. 5: Prueba del funcionamiento de la válvula de flotador
Fig. 6: Sifonando agua del recipiente para abrir la válvula de flotador
Fig. 7: Cuenca de agua en acción
Actualización del proyecto: semana 10
Resumen de artículos adquiridos
| Descripción | Descripción | Cantidad | Costo (Pesos) | Total |
|---|---|---|---|---|
| Cubeta Multiusos | Cubo de 5 galones | 1 | $69.00 | $69.00 |
| Silicona Roja | Junta roja de silicona | 2 | $28.50 | $57.00 |
| Válvula de 3/4" | Válvula de 3/4" | 2 | $38.50 | $77.00 |
| Unión Por Manguera | Unión de manguera | 3 | $25.00 | $75.00 |
| Flotador #3 Por Tanque | válvula de flotador de inodoro | 2 | $17.91 | $35.82 |
| Pintura Spray Master | Pintura Spray Master | 1 | $19.00 | $19.00 |
| Tapa Por Cubeta | Parte superior del cubo | 1 | $25.00 | $25.00 |
| Manguera Jardín 1/2" 3m | Manguera de jardín de 1/2" y 3 m | 1 | $16.80 | $16.80 |
| 1 Hoja Triplay 9mm | Una hoja de 3 contrachapados de 9 mm | 1 | $290 | $290 |
| 1 Hoja Triplay 60cm x 1.80 cm | Una hoja de madera contrachapada triple de 9 mm | 1 | $109 | $109 |
| Barrotitos 1x2x1.46 | Varios 1"x2" | 2 | $10 | $20 |
| Pijas 1/2" | Tornillos | 80 | $.28 | $28 |
| Pijas varias | varios tornillos | 50 | $.35 | $17.30 |
| Cinta de medir 3m | Cinta métrica de 3 m | 1 | $30 | $30 |
| Colector de agua metale - hecho de encargo | Colector de agua de metal - hecho a medida | 1 | $95 | $95 |
| Total | $935.92 | |||
| Dólares estadounidenses estimados (11,8:1 Pesos:Dólar) | $79.32 | |||
Construcción
Cortando madera con la ayuda de Mari Angél
Medición de las dimensiones internas del marco
Fijación del marco interior
Más construcción de marco interno
Adición de plástico negro utilizado para la retención de calor.
Recorte de tornillos con amoladora
Medición de las dimensiones de la cubierta aislante
Corte de plástico para la cubierta aislante.
Angela a punto de cortar leña
Asegurando el plástico original (que se retira más tarde)
Listo para presentar pero no listo para usar
Reemplazo del plástico
Completo, menos el glaseado.
¡Casi listo para probar!
Pruebas
Día 1
- Nublado por la mañana. Lluvia torrencial más tarde.
- Todo el destilador se mojó y la parte inferior quedó saturada.
- No se evaporó agua.
Día 2
- Terminé la instalación por la mañana.
- Se trasladó el destilador a una posición orientada al sur para maximizar la exposición solar. Debido a esto, el sistema ya no está al alcance del grifo más cercano y el depósito de almacenamiento tuvo que llenarse manualmente.
- El glaseado no quedó debidamente sellado hasta las 17:00 horas.
- El agua se escapaba constantemente y no se producía evaporación.
- Después de sellar el glaseado, la evaporación comenzó inmediatamente.
- Se destilaron y recuperaron con éxito aproximadamente 10 ml de agua.
- Se perdió una cantidad significativa de agua porque 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 se deslizaran y cayeran sobre el marco de madera en la parte inferior del esmalte.
- Debido a otros compromisos, como clases y almuerzos, las lecturas de temperatura eran esporádicas. Todos los datos de temperatura tuvieron que desecharse porque el sistema no estaba sellado y no retenía el calor.
Día 3
- Selló el fondo del depósito de agua para evitar fugas.
- El lavabo no está bien sellado en las esquinas inferiores y sigue goteando.
- Conexión de manguera sellada al lavabo mediante cinta de teflón.
- Se agregó más junta de sellado a la manguera de goma utilizada para dejar caer agua en el canal.
- Corte la manguera por la mitad para reducir la posibilidad de que las gotas caigan más allá del canal de recolección.
- Se incrementó con éxito la probabilidad de que agua destilada caiga en el canal.
- Sellé completamente el esmalte usando junta de silicona de alta temperatura y cinta adhesiva.
- La cinta de metal sería una mejor opción, pero después de 3 horas de búsqueda infructuosa en Parras, la cinta adhesiva era la única opción.
- Se destiló una cantidad muy pequeña de agua en las horas restantes del día.
Día 4
- Día completo de sol con algo de nubosidad.
- Al final del día se destilaron aproximadamente 500 ml de agua.
- Aspecto del agua destilada: el agua es clara y huele a plástico.
- Prueba de sabor: Jeff Kinzer y Eddie Durán fueron los participantes. El consenso es que el agua sabe fatal, a plástico con regusto a algodón.
- Problemas encontrados:
- El depósito de agua sin tratar continuó perdiendo agua, lo que provocó la separación y deformación de la madera en el área frontal inferior del destilador.
- Al retirar el esmalte para trasladar la unidad al almacenamiento, una esquina del vidrio se rompió.
Instrucciones
Utilice
- Conecte la manguera de la fuente de agua a la cubeta. También puede conectar la manguera directamente al sistema. La cubeta solo sirve como almacenamiento temporal si es necesario desconectar la fuente de agua y usarla para otro fin.
- Abra el agua y controle el recipiente y el balde mientras se llenan.
- Espera pacientemente
- Cambie el recipiente de agua limpia cuando esté lleno
Mantenimiento
- Lavar periódicamente el recipiente con agua no tratada
- Esmalte limpio
- Compruebe si hay fugas en las mangueras
- Cubrir con una lona si llueve
- Reemplace las válvulas de flotador según sea necesario
- Compruebe los sellos de esmalte
- Compruebe las conexiones de las mangueras para detectar fugas y repárelas si es necesario.
Posibles puntos de fallo
- Agua acumulada en el fondo del sistema.
- Degradación del sello de esmalte, lo que provocará pérdida de eficiencia y aumentará la posibilidad de contaminación de fuentes externas.
- Fuga en la conexión de la manguera
- Degradación del marco de madera por filtraciones de agua y exposición a los elementos.
Cambios y actualizaciones futuras
- Solucione la discrepancia de rosca : Las válvulas de flotador usan una rosca fina, pero los conectores de manguera usan una rosca gruesa. Esta discrepancia provoca conexiones inestables y fugas constantes. Actualmente, se utilizan 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 algo que no sea madera, especialmente con tableros de partículas : el metal o el cemento pueden resistir mejor que la madera cuando se exponen a la lluvia, al viento y a altas cantidades de sol.
- Utilice un método diferente para depositar las gotas de agua condensada en el canal de recolección. El tubo no es completamente efectivo . Una posible solución es una pieza curva de plástico que se extienda desde el borde inferior del esmalte en diagonal hasta el canal de recolección.
- Instale una manguera fácil de conectar y desconectar en la parte trasera del destilador : el sistema debe ser fácil de conectar y desconectar para cualquier persona.
- Sella 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.
Conclusión
¿Qué sucedió?
- Sustitución del marco interior
- La adición de plástico negro reutilizado de tanques de almacenamiento de agua defectuosos, como reemplazo de pintura en aerosol.
- Sistema de admisión de agua con válvula de flotador
- Aislamiento de perlita como sustituto del poliestireno
- El acceso a herramientas, ayuda y transporte fue posible gracias a la familia Madero, anfitriona de Angela. Sin ellos, este proyecto no habría sido posible.
¿Qué falló?
- sistemas de entrada de agua
- No es necesario un cubo con válvula de flotador
- Sin embargo, el cubo extraño ha sido esencial para las pruebas porque no tenemos una manguera lo suficientemente larga para llegar desde el grifo más cercano hasta el sitio de prueba.
- Los materiales adicionales también proporcionan una válvula de flotador de repuesto y piezas de manguera adicionales para mantenimiento futuro.
- Desajuste de rosca con las uniones de la manguera: 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 recogedor de goteo)
- La cuenca de agua tiene fugas y los intentos de sellarla no tuvieron 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 para sellar la unidad de la que pudimos comprar.
- La cinta metálica sería suficiente para sellar el esmalte. Encontrarla en Parras es difícil, y no pudimos encontrarla. Se debe investigar más sobre la seguridad del uso de cinta de aluminio en caso de posible contacto con agua destilada.
Notas finales
Como unidad funcional, este proyecto solo tuvo un éxito parcial. Aún quedan muchos problemas por resolver en cuanto a la eficiencia, la facilidad de uso y el mantenimiento del sistema de destilación. El agua recuperada del destilador no se ha analizado adecuadamente, pero es probable que no sea mucho más segura para el consumo que el agua original sin tratar.
Como continuación del trabajo del año anterior, el proyecto ha avanzado. Varios componentes, como el sistema de entrada de agua, la estructura interna, el aislamiento y el canal de recolección, han mejorado considerablemente. La adición de una válvula de flotador para la entrada automática de agua solucionó uno de los principales problemas iniciales. El destilador ya no necesita llenarse manualmente, y hay una probabilidad mucho menor de que el sistema se seque y se derritan los componentes internos. La estructura interna ahora es más resistente y utiliza plástico negro en lugar de pintura en aerosol para mantener la temperatura interna. El aislamiento de perlita es mucho más resistente al calor que el poliestireno. El canal de recolección es de metal y no se derrite como el anterior canal de PVC.
Este proyecto tiene buenas perspectivas de mejora significativa en los próximos años. El próximo grupo que trabajará con el destilador solar contará con dos años de experiencia para diseñar e implementar el sistema que, en el futuro, podría proporcionar agua potable a la Universidad Tecnológica de Coahuila en Parras de la Fuente.
Referencias
Destilación solar
- Wikipedia:Destilación solar
- 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
- Destilación solar en Parras 2005 (no disponible en línea)
Antecedentes de destilación
- 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
Perlita
- http://www.perlite.info
- https://web.archive.org/web/20121127174713/http://www.perlite.org:80/perlite_info.htm
- Wikipedia:Perlita
Vermiculita
Amianto
Aislamiento
