Digital 16406

DISEÑO, CONSTRUCCION Y PRUEBAS DE UN DESTILADOR SOLAR

SUANN MELISSA COLMENARES ANGARITA JAIRO ALONSO PINZON RANGEL

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERIA Y ADMINISTRACION BUCARAMANGA 2008

DISEÑO, CONSTRUCCION Y PRUEBAS DE UN DESTILADOR SOLAR

SUANN MELISSA COLMENARES ANGARITA JAIRO ALONSO PINZON RANGEL

Trabajo de grado para optar el titulo de Ingeniero Mecánico

Director ALFONSO SANTOS JAIMES Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERIA Y ADMINISTRACION BUCARAMANGA 2008

Nota de aceptación: El

documento

presentado

fue

calificado y aprobado por los jurados por el comité académico, bajo las normas vigentes de la universidad.

Firma del Presidente de Jurados

Firma del Jurado

______________________________ Firma del Jurado

Bucaramanga, 2008

DEDICATORIA

Este trabajo lo dedico a mis padres por la confianza y el apoyo que depositaron en mí. A mi hermana y mi hermano por su comprensión y el ánimo que me brindaron todo el tiempo. A mi compañero y gran amigo Jairo Pinzón por su constancia, energía y compañía en la elaboración de este proyecto y en la vida universitaria. Melissa Colmenares.

DEDICATORIA

Dedico este trabajo principalmente a mis padres y hermanos por seguir muy de cerca este proceso de mi vida. A mis amigos y la familia Colmenares Angarita por apoyarme en esos momentos difíciles, dándome la confianza para terminar satisfactoriamente mi proyecto de grado. Jairo Pinzón

AGRADECIMIENTOS

Para llevar a cabo este proyecto exitosamente fue necesaria la colaboración de personas talentosas e íntegras.

Agradecemos profundamente al Ingeniero Alfonso Santos quien con su experiencia, conocimiento y su disposición nos apoyo y nos oriento para superar los obstáculos presentados en el transcurso del tiempo de la elaboración de este proyecto.

Al equipo de mantenimiento de la Universidad Pontificia Bolivariana, por su colaboración, en el desarrollo de las pruebas.

A los profesores y amigos de Ingeniería Mecánica.

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION………………………………………………………………………….1 1. ENRGIA SOLAR……………………………………………………………………….3 1.1 UTILIZACION DIRECTA…………………………………………………………….3 1.2 TRANSFORMACION EN CALOR………………………………………………….3 1.3 TRANSFORMACION EN ELECTRICIDAD……………………………………….3 2. RADIACION SOLR…………………………………………………………………….5 2.1 DISTRIBUCION DE PLANCK………………………………………………………7 2.2 LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN…………………………………………..8 2.3 RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE…………..9 2.4 TIPOS DE RADIACION SOLAR…………………………………………………..10 2.4.1 Directa……………………………………………………………………………..10 2.4.2 Difusa………………………………………………………………………………11 2.4.3 Albedo……………………………………………………………………………..11 2.5 PROPORCIONES DE RADIACION………………………………………………12 2.5.1 Condiciones meteorológicas………………………………………………….12 2.5.2 Inclinación de la superficie respecto al plano horizontal………………...12 2.5.3 Presencia de superficie reflectante…………………………………………..12

3. APLICACIONES DE LA RADIACION SOLAR……………………………………13 3.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS…………………………………………………...13 3.1.1 Sistemas aislados……………………………………………………………….13 3.1.2 Sistemas de conexión a red……………………………………………………14 3.1.3 Sistemas híbridos……………………………………………………………….15 3.2 ENERGIA SOLAR TERMICA……………………………………………………..16 3.2.1 Calentadores solares de agua…………………………………………………16 3.2.2 Climatización de piscinas………………………………………………………17 3.2.3 Cocinas solares………………………………………………………………….18 3.2.4 Destilador solar…………………………………………………………………..19 4. DESTILACION SOLAR………………………………………………………………21 4.1 CONCEPTO………………………………………………………………………….21 4.2 TIPOS DE DESTILADOR SOLAR………………………………………………..21 4.2.1 De poceta………………………………………………………………………….21 4.2.2 De mecha……………..…………………………………………………………..22 4.2.3 Destilador multiefecto…….……………………………………………………23 4.2.4 De caseta….………………………………………………………………………25 4.3 EFICIENCIA DE UN DESTILADOR………………………………………………27

4.4 BALANCE TERMICO EN UN DESTILADOR SOLAR…………………………27 4.4.1 Balance en la cubierta………………………………………………………….28 5. CALIDAD DEL AGUA……………………………………………………………….30 5.1 IMPUREZAS DEL AGUA…………………………………………………………..31 5.2 ANALISIS FISICO DEL AGUA…………………………………………………....32 5.2.2 Sólidos disueltos………………………………………………………………...32 5.2.3 Sólidos suspendidos…………………………………………………………....33 5.2.4 Sólidos volátiles y fijos…………………………………………………………33 5.2.5 Sólidos sedimentables………………………………………………………….33 5.3 ANALISIS BACTERIOLOGICO DEL AGUA…………………………………….34 5.3.1 Grupo coliforme………………………………………………………………….34 5.3.2 Caracteres bioquímicos………………………………………………………...34 5.3.3 Hábitat del grupo coliforme……………………………………………………34 5.3.4 Los coliformes como indicadores……………………………………………35 5.3.5 Coliformes totales y coliformes fecales…………………………………….36 5.3.5.1 Coliformes fecales…………………………………………………………….36 5.3.6 Contaminación fecal humana o animal……………………………………...37 5.3.7 Coliformes y aguas frescas……………………………………………………37

6. DISEÑO………………………………………………………………………………..38 6.1 CALCULO DEL AREA DEL DESTILADOR SOLAR…………………………..38 6.2 CALCULO ESPESOR DEL AISLANTE TERMICO……………………………43 7. DESCRIPCION DEL EQUIPO……………………………………………………...44 7.1 EQUIPOS UTILIZADOS…………………………………………………………...47 7.1.1 Pyranometro……………………………………………………………………...47 7.1.2 Indicador de radiación………………………………………………………….48 7.1.3 Multimetro………………………………………………………………………...49 7.1.4 Termocupla……………………………………………………………………….49 7.2 COMPORTAMIENTO DEL DESTILADOR………………………………………50 7.2.1 Evaporador………………………………………………………………………..50 7.2.2 Condensador……………………………………………………………………..50 8. PRUEBAS REALIZADAS Y RESULTADOS OBTENIDOS……………………..51 8.1 CALCULO DEL RENDIMIENTO DEL DESTILADOR………………………….51 8.1.1 Calculo del flujo másico del agua destilada producida
d………………52 8.1.2 Calculo del calor entregado por la fuente cal……………………………...54 8.1.3 Calculo del calor latente de evaporización del agua hfg………………….55 8.1.4 Rendimiento del destilador η………………………………………………….56 8.2 ANALISIS DEL AGUA……………………………………………………………..64

LISTA DE FIGURAS

1. Figura 1. Naturaleza direccional de la radiación solar fuera de la atmosfera terrestre…………………………………………………………………………………….6 2. Figura 2. Potencia emisiva espectral del cuerpo negro…………………………...8 3. Figura 3. Energía radiada por el sol y la tierra……………………………………...9 4. Figura 4. Intensidad media de la radiación………………………………………..10 5. Figura 5. Componente directa de la radiación solar……………………………...11 6. Figura 6. Sistemas fotovoltaicos…………………………………………………….13 7. Figura 7. Proceso de un calentador solar de agua……………………………….16 8. Figura 8. Esquema básico del sistema…………………………………………….18 9. Figura 9. Esquema, en corte transversal de un destilador solar………………...20 10. Figura 10. Tipo poceta……….………………………………………………….....22 11. Figura 11. Tipo mecha………………………………………………………………23 12. Figura 12. Prototipo de un destilador multiefecto.……………………………….24 13. Figura 13. Destilador de caseta con una pendiente…………………………….25 14. Figura 14. Flujo de calor en la cubierta del destilador…………………………..40 15. Figura 15.Temperaturas para un destilador solar de caseta…………………..41 16. Figura 16. Interior del destilador solar…………………………………………….44 17. Figura 17. Paredes laterales……………………………………………………….45 18. Figura 18. Sistema para levantar el vidrio……………………………………….46

19. Figura 19. Guía del agua y prensas para ajuste del vidrio……………………...46 20. Figura 20. Estructura………………………………………………………………..47 21. Figura 21. Pyranometro…………………………………………………………….48 22. Figura 22. Indicador de radiación………………………………………………….48 23. Figura 23. Multimetro………………………………………………………………..49 24. Figura 24. Termocupla……………………………………………………………...49 25. Figura 25. ΔT vs Vd para cada inclinación………………………………………..59 26. Figura 26. Eficiencia promedio respecto a la inclinación……………………….60 27. Figura 27. Cambios de temperaturas respecto a la inclinación………………..61 28. Figura 28. Inclinación 0°………………………………………………………… ....63 29. Figura 29. Inclinación 4.5°…………………………………………………… …….63 20. Figura 30. Inclinación 6.5°…………………………………………………… …….63

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Calculo de flujo másico de agua destilada producida  …………………53 Tabla 2. Radiación promedia…………………………………………………………..55 Tabla 3. Calor latente de vaporización del agua, hfg...............................................56 Tabla 4. Rendimiento del destilador durante las pruebas…………………………...57 Tabla 5. Datos promedios diarios para ángulo 0°………… …………………………58 Tabla 6. Datos promedios diarios para ángulo 4.5°…… …………………………….58 Tabla 7. Datos promedios diarios para ángulo 6.5°…… …………………………….58 Tabla 8. Promedios de ∆T y Vd………………………………………………………..59 Tabla 9. Promedios Ti, Te, Ta y ηprom para cada ángulo………………………….60 Tabla 10. Promedios de cada valor por hora, para ángulo 0°……………………...61 Tabla 11. Promedios de cada valor por hora, para ángulo 4.5°.…………………..62 Tabla 12. Promedios de cada valor por hora, para ángulo 6.5°……… ……………62 Tabla 13. Resultados del amb…………………………………………………………64

LISTA DE ANEXOS

Anexo A. Tablas de la radiación solar del destilador en el periodo de pruebas Anexo B. Tablas de temperatura y volumen de agua destilada diaria. Anexo C. Graficas del comportamiento de la radiación solar diaria Anexo D. Radiación solar en el área metropolitana de Bucaramanga Anexo E. Planos del destilador Anexo F. Planos de la estructura Anexo G. Conjunto solid edge Anexo H. Proceso de condensación por goteo en el vidrio (en sol) Anexo I. Proceso de condensación por goteo en el vidrio (en sombra) Anexo J. Vista trasera del destilador Anexo K. Vista frontal del destilador solar Anexo L. Interior del destilador solar Anexo M. Guía de laboratorio del destilador

TITULO:

DISEÑO, CONSTRUCCION DESTILADOR SOLAR.

AUTOR(ES):

SUANN MELISSA COLMENARES ANGARITA, JAIRO ALONSO PINZON RANGEL.

FACULTAD:

Facultad de Ingeniería Mecánica

DIRECTOR(A):

ALFONSO SANTOS JAIMES

Y

PRUEBAS

DE

UN

RESUMEN La energía solar, como fuente primaria de calor en la tierra, es hoy, una de las más empleadas como energía renovable, y es por esta razón que se han creado diferentes equipos con diversas utilidades, como lo son: las cocinas solares, calentamiento de agua domiciliaria, piscinas y obtención de agua potable. El objetivo principal de este trabajo consiste en diseñar y construir un prototipo de destilador solar, para realizar pruebas en un periodo de tiempo. En el diseño y construcción del prototipo se investigó sobre el tema, se identificaron cada una de las partes del destilador y con base en eso, se diseño un modelo que consta de una carcasa, una bandeja (evaporador), un vidrio (condensador), un canal de recolección de agua potable y una estructura que se acopla a un tornillo, para la variación del inclinación De la caseta con respecto a la radiación solar. Gracias a las pruebas realizadas con el prototipo se llegó a la conclusión que es posible su uso como una forma alternativa de obtener agua potable.

PALABRAS CLAVES:

RADIACION SOLAR, ENERGIA SOLAR, DESTILADOR SOLAR, EVAPORADOR, CONDENSADOR, INCLINACION CASETA.

TITULO:

DESIGN, BUILDING AND PROOF OF A SOLAR STILL.

AUTOR(ES):

SUANN MELISSA COLMENARES ANGARITA, JAIRO ALONSO PINZON RANGEL.

FACULTAD:

Facultad de Ingeniería Mecánica

DIRECTOR(A):

ALFONSO SANTOS JAIMES ABSTRACT

Solar energy, as primary source of heat, is one of the most common energies used today, because of that we can find different equipment, such as: solar cooker, solar collector, solar still, e.t.c. The main goal of this work is to design and make a prototype of solar still, to put it in practice in a period of time. A research on this subject was made to design and build this prototype; all of its parts have been identified and studied in order to improve it. Thanks to that a new more competitive model is proposed, this model has a carcass, a tray (evaporator), a glass (condenser), a channel to collect water, a structure that is attached to a screw to change the angle of incidence of radiation. It has been found as a conclusion that is possible to use it a real source to drinking water

PALABRAS CLAVES:

SOLAR RADIATION, SOLAR ENERGY, SOLAR STILL, EVAPORATOR, CONDENSER, INCIDENT’S ANGLE.

OBJETIVO GENERAL • Diseñar y construir un prototipo de destilador solar, con estándares de calidad y realizar pruebas con base en investigaciones de la energía renovable, para mostrar a través de prácticas en el laboratorio de transferencia de calor.

OBJETIVOS ESPECIFICOS • Medir periódicamente la radiación solar con los instrumentos pertinentes. • Diseñar un prototipo que permita mostrar el proceso que le ocurre al agua contaminada, ser agua potable. • Construir una estructura que nos permita variar el ángulo del destilador solarl. • Determinar la eficiencia del destilador solar con base en pruebas que se realizaran. • Diseñar guía de laboratorio.

INTRODUCCION

A medida que pasa el tiempo y crece la problemática con el calentamiento global y los cambios de clima, se han presentado una serie de eventualidades en la naturaleza que afectan al mundo, y es ahí donde las energías renovables han

constituido una parte importante de la energía utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar.

Del estudio de la energía solar se han desarrollado diferentes tipos de equipos, como lo son: las cocinas solares, colectores solares, destiladores solares, e.t.c.

La destilación de agua para consumo humano, mediante la radiación solar, es una forma de aprovechamiento de la energía solar, y a su vez se encuentra entre las más importantes, esta técnica de purificación es muy sencilla, y se acopla a las necesidades económicas de las poblaciones que son afectadas por la contaminación del agua, ya que para su elaboración se pueden utilizar materiales de fácil acceso y de bajo costo.

La destilación solar elimina los microorganismos que se encuentran en ríos, lagos, etc., permitiendo la desinfección del agua, lo que disminuye el riesgo de contraer enfermedades debido al consumo de agua en zonas donde no existen redes de acueducto.

Este proyecto muestra un prototipo de destilador solar con ángulo de incidencia de radiación variable y eficiencia para cada uno de los días de prueba, por lo cual, puede servir como punto de partida a futuros diseños de equipos de destilación que permitan un mejor aprovechamiento de la energía solar presente en las zonas de aplicación y desarrollo de este método de purificación de agua.

1. ENERGIA SOLAR

La energía solar directa, es la energía del sol sin transformar, que calienta e ilumina, se necesitan sistemas de captación y de almacenamiento para aprovechar la radiación del sol de varias maneras diferentes, entre las cuales se tienen la utilización directa y transformación en calor o electricidad.

1.1 UTILIZACION DIRECTA. Se

aprovecha

la

incorporación

de

acristalamiento

y

otros

elementos

arquitectónicos con elevada masa y capacidad de absorción de energía térmica, es la llamada energía solar térmica pasiva.

1.2 TRANSFORMACION EN CALOR. Es la llamada energía solar térmica, que consiste en el aprovechamiento de la radiación que proviene del sol para calentar fluidos que circulan por el interior de captadores solares térmicos. Este fluido se puede destinar para el agua caliente sanitaria (ACS), dar apoyo a la calefacción para atemperar piscinas, etc.

1.3 TRANSFORMACION EN ELECTRICIDAD. Es la llamada energía solar fotovoltaica que permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares.

3

Esta electricidad se puede utilizar de manera directa, se puede almacenar en acumuladores para un uso posterior, e incluso se puede introducir en la red de distribución eléctrica. La energía renovable con mayor posibilidad de desarrollo, es la energía solar, sus ventajas y desventajas son:

Ventajas:

•

Escaso impacto ambiental.

•

No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente.

•

No tiene más costos que el mantenimiento del equipo el cual es sencillo, después de instalado.

Desventajas:

•

Se precisan sistemas de acumulación (baterías) que contienen agentes químicos peligrosos.

•

Puede afectar a los ecosistemas por la extensión ocupada de los sistemas de aprovechamiento, solo en casos de grandes instalaciones.

•

Impacto visual negativo, si no se cuida la integración de los módulos solares en el entorno.

4

2. RADIACION SOLAR

La radiación solar es, por supuesto, esencial para la vida en la tierra. A través del proceso de fotosíntesis, se satisface nuestra necesidad de comida, fibra y combustible. Además, a través de procesos térmicos y fotovoltaicos, se tiene el potencial para satisfacer muchas de nuestras demandas de calentamiento espacial. [2]

El sol es una fuente de radiación casi esférica que tiene 1.39 * 109 m de diámetro y se localiza a 1.50 * 1011 m de la tierra. Con respecto a la magnitud y a la dependencia espectral y direccional de la radiación solar incidente, es necesario distinguir entre las condiciones en la superficie de la tierra y en el extremo exterior de la atmosfera terrestre. Para una superficie horizontal fuera de la atmosfera terrestre, la radiación solar parece un haz de rayos casi paralelos que forman un ángulo θ, el ángulo cenital, relativo a la superficie normal (figura 1). La irradiación extraterrestre Gs,o depende de la latitud geográfica, así como del tiempo del día y del año, se puede determinar a partir de la ecuación 2.1.

,   cos 

(2.1)

Donde SC, la constante solar, es el flujo de energía solar incidente sobre una superficie normal a los rayos solares, cuando la tierra está a su distancia media del sol. Se sabe que tiene un valor de SC = 1353 W/m2. La cantidad f es un factor de corrección para tener en cuenta la excentricidad de la órbita de la tierra alrededor del sol (0.97

f

1.03). [1] 5

Figura 1. Naturaleza direccional de la radiación solar fuera de la atmosfera terrestre.

Tomada de: Incropera DeWitt, Fundamentos de Transferencia de Calor, Capitulo 12, PRENTICE HALL, México, 1999.pag 681.

La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. La energía procedente del sol es radiación electromagnética proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el núcleo del sol por fusión nuclear y emitida por la superficie solar.

El sol emite energía en forma de radiación de onda corta. Después de pasar por la atmósfera, donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusión, reflexión en las nubes y de absorción por las moléculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partículas en suspensión, la radiación solar alcanza la superficie terrestre oceánica y continental que la refleja o la absorbe. La cantidad de radiación absorbida por la superficie es devuelta en dirección al espacio exterior en forma de radiación de onda larga, con lo cual se transmite calor a la atmósfera.

6

La radiación es emitida sobre un espectro de longitud de ondas, con una cantidad específica de energía para cada longitud de onda, la cual puede ser calculada usando Ley de Planck: [13]

2.1 DISTRIBUCION DE PLANCK La distribución espectral de emisión de cuerpo negro es llamada de Planck, y se rige por la ecuación 2.2.

Eλ, b(λ,T) = C1/(λ52[exp(C2/λT)-1]) (2.2)

Donde la primera y segunda constante de irradiación son C1 = 2πhc02 = 3.742*108 w * µm4/m2 y C2 = (hc0/k) = 1.439 *104 µm.k, λ es la longitud de onda y T es la temperatura emitida por un cuerpo negro.

Para las temperaturas presentes en la figura 2, se debe constatar varias características importantes.

1. La radiación emitida varía de forma continua con la longitud de onda. 2. En cualquier longitud de onda la magnitud de la radiación emitida aumenta al ascender la temperatura 3. La región espectral en la que la radiación se concentra depende de la temperatura, dándose comparativamente más radiación que aparece para longitudes más pequeñas a medida que aumenta la temperatura.

7

4. Una fracción significativa de la radiación emitida por el sol, que se puede aproximar como un cuerpo negro a 5800 K, está en la región visible del espectro (figura 3), por el contrario, para T

800 K, la emisión está de manera

predominante en la región infrarroja del espectro y no es visible.[1]

2.2 LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN En la figura 2 la distribución espectral de un cuerpo negro tiene un máximo y que la longitud de onda correspondiente a

λmax depende de la temperatura, la

naturaleza de esta dependencia se obtiene de la ecuación 2.3.

λmax = C3/T

(2.3)

Donde la tercera constante de radiación C3 = 2897 µm.K. Para una temperatura de 5.800°K (temperatura de la superficie solar) la lon gitud máxima de energía es aproximadamente 0,5 µm (micrómetro, equivalente a 1x10-6 m). Esta longitud de onda corresponde a radiación en la parte del espectro visible.

Figura 2. Potencia emisiva espectral del cuerpo negro

B a n d a ra d ia n te d e e n e r g ía v i s ib le

Exitancia radiante espectral (Wm-2µ m-1)

C u r v a d e ra d ia c ió n p a r a u n c u e r p o n e g r o a la te m p e ra tu ra d e l S o l

C u r v a d e r a d ia c ió n p a r a u n c u e r p o n e g r o a la te m p e ra tu r a d e u n a lá m p a r a in c a n d e s c e n te

C u r v a d e r a d ia c ió n p a ra u n c u e r p o n e g r o a la te m p e r a tu r a d e la T ie r r a

L o n g itu d d e o n d a

Tomada de: IDEAM, leyes de radiación: www.ideam.gov.co/radiacion.htm. 8

Figura 3. Energía radiada por el sol y la tierra.

Tomada de: IDEAM, IDEAM leyes de radiación: www.ideam.gov.co/radiacion.htm. www.ideam.gov.co/radiacion.htm

2.3 RADIACION INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE

Es muy grande la cantidad de energía solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmósfera. Una comparación que permite apreciar la cantidad de energía solar que cada año incide sobre la Tierra es que equ equivale ivale a cerca de 160 veces la energía de las reservas mundiales de energía fósil o que es similar a más de 15.000 veces la energía anual usada usada de los combustibles fósiles, nucleares y de las plantas hidráulicas.

Una aproximación de la cantidad de energía incidente en la Tierra y de cómo se transforma en la atmósfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera: de la radiación total incidente, 173.000Teravatios, el 30% es reflejado al espacio exterior. La mayor parte del 70% restant restante calienta la superficie terrestre, la atmósfera y los océanos (47%) o se absorbe en la evaporación de agua (23%). Relativamente, muy poca energía es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosíntesis. En realidad prácticamente toda la energía es radiada al espacio exterior en forma de radiación infrarroja.

9

El efecto de atenuación de la radiación solar al atravesar la atmósfera se muestra en la figura 4. La radiación que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiación directa, difusa y global. [13]

Figura 4. Intensidad media de la radiación.

Tomado de: Méndez Javier, Cuervo Rafael, Energía Solar Fotovoltaica, capitulo 1, fundación comfemetal.

2.4 TIPOS DE RADIACION SOLAR En función de cómo inciden los rayos en la tierra se distinguen tres componentes de la radiación solar:

2.4.1 DIRECTA (Hb). Es la recibida desde el sol sin que se desvié en su paso por la atmosfera (figura 5); se puede calcular mediante la ecuación 2.4. 10

Hb = I’ = Isin 

(2.4)

Donde; I = es la intensidad de la reacción directa sobre la superficie normal a los rayos solares. h = ángulo entre la recta que une el sol con un punto de la superficie terrestre.

Figura 5. Componente directa de la radiación solar

Tomado de: Méndez Javier, Cuervo Rafael, Energía Solar Fotovoltaica, capitulo 1, fundación comfemetal.

2.4.2 DIFUSA (Hd).

Es la que sufre cambios en su dirección principalmente

debido a la reflexión y difusión en la atmosfera.

2.4.3 ALBEDO (A). Es la radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras superficies próximas, se determina mediante la ecuación 2.5. 

% *100

(2.5)



Donde A% = Albedo R = radiación reflejada 11

H = radiación incidente

Aunque las tres componentes están presentes en la radiación total que recibe la tierra, la radiación directa es la mayor y más importante en las aplicaciones fotovoltaicas, solo cuando la radiación directa no puede incidir sobre una superficie debido a un obstáculo, el área en sombra también recibe radiación gracias a la radiación difusa.

2.5 PROPORCIONES DE RADIACION Las proporciones de radiación directa, difusa y albedo que recibe una superficie depende de: condiciones metreologicas, inclinación de la superficie respecto al plano horizontal y la presencia de una superficie reflectante.

2.5.1 CONDICIONES METEOROLOGICAS. En un día nublado la radiación es prácticamente difusa, mientras en soleado es directa.

2.5.2 INCLINACION DE LA SUPERFICIE RESPECTO AL PLANO HORIZONTAL Una superficie horizontal recibe la máxima radiación difusa y la mínima reflejada.

2.5.3 PRESENCIA DE SUPERFICIE REFLECTANTE. Las superficies claras son las más reflectantes por lo que la radiación reflejada aumenta en invierno por el efecto de la nieve. [2]

12

3. APLICACIONES DE LA RADIACION SOLAR

Entre las aplicaciones de la radiación solar es común encontrar los sistemas fotovoltaicos, y la energía solar térmica.

3.1 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Son el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas independientemente de su utilización y de su potencia, se pueden clasificar en: sistemas aislados, conectados a red e híbridos. (figura 6)

Figura 6. Sistemas fotovoltaicos

Tomado de: Méndez Javier, Cuervo Rafael, Energía Solar Fotovoltaica, capitulo 1, fundación comfemetal.

3.1.1 Sistemas aislados. Tienen como objeto satisfacer total o parcialmente la demanda de energía eléctrica de aquellos lugares donde no existe red eléctrica de distribución o esta es de difícil acceso.

13

Los

sistemas

aislados

normalmente

están

equipados

con

sistemas

de

acumulación de energía, ya que solo pueden proporcionar energía durante el día y la demanda se produce a lo largo del día y de la noche, esto implica que el campo fotovoltaico ha de estar dimensionado de forma que permita, durante las horas de insolación, la alimentación de la carga y la recarga de las baterías de acumulación.

Los principales componentes de los sistemas aislados son:

• Módulos fotovoltaicos: captan la energía solar y la transforman en energía

eléctrica. • Reguladores de carga: protege a los acumuladores de un exceso de carga, y de

la descarga por exceso de uso. • Sistema de acumulación: almacena la energía sobrante para que pueda ser

reutilizada cuando se demande energía. • Inversor: transforma la corriente continua producida por los módulos, en

corriente alterna para la alimentación de las cargas que así lo necesiten. • Elementos de protección del circuito: protegen la descarga y derivación de

elementos en caso de fallo o situaciones de sobrecarga.

3.1.2 Sistemas de conexión a red. Los sistemas conectados a red no tienen sistemas de acumulación ya que la energía producida durante las horas de insolación es canalizada a la red eléctrica.

14

Estas instalaciones cuentan con sistemas de seguimiento del estado de la tensión de la red de distribución, de manera que se garantice el correcto funcionamiento de las mismas en lo referente a la forma de entregar la energía, tanto en modo como en tiempo, evitando situaciones peligrosas.

Los principales componentes son:

• Módulos fotovoltaicos. • Elementos de protección al circuito. • Contador de energía: mide la energía producida por el sistema fotovoltaico

durante su periodo de funcionamiento. • Inversor para la conexiona red: es uno de los componentes más importantes,

maximiza la producción, transforma la corriente continua en alterna y decide el momento de introducirla en la red de distribución.

3.1.3 Sistemas híbridos. Cuando un sistema fotovoltaico además del generador incorpora otro generador de energía se denomina sistema hibrido, y en general se utiliza la energía eólica, estas combinaciones se dan para aprovechar algún recurso energético localizado cerca de la instalación o para tener mayor fiabilidad en el suministro de energía.

La configuración de los sistemas híbridos puede ser variable, depende del tipo de equipos que se empleen para adaptar la potencia necesaria. [2]

15

3.2 ENERGIA SOLAR TERMICA La a energía solar térmica o energía termosolar consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y a partir de ella, de energía eléctrica. eléctrica

3.2.1 Calentadores es solares de agua.

Figura 7.. Proceso de un calentador solar de agua. agua

Tomada de: Aprotec, calentador: www.aprotec.com.co/pages/solar_term.html. www.aprotec.com.co/pages/solar_term.html

El calentador solar (figura 7) recibe la energía térmica de la luz solar y la transfiere al agua fría ía que circula, a medida que el agua aumenta su temperatura, y disminuye su densidad asciende a la parte superior del tanque térmico de almacenamiento. [4 4] 16

El agua caliente en ascenso desplaza al agua fría obligándola a circular a través de los colectores. En su movimiento a través de los colectores el agua desplazada aumenta de temperatura y asciende nuevamente al tanque. El ciclo se repite siempre y cuando existan diferencias de temperaturas en el sistema. Este proceso de circulación natural se llama termosifón.

Por razones de diseño, el tanque no siempre puede ubicarse por encima del nivel superior de los colectores, en tal caso el agua debe ser forzada a circular a través de los colectores por medio de una bomba. La circulación debe llevarse a cabo únicamente si la temperatura de los colectores es mayor a la temperatura del agua en el tanque.

3.2.2 Climatización de piscinas. Para diseñar el calentador solar de una piscina se debe hacer un balance de energía. Una piscina obtiene su única entrada de energía de la radiación solar incidente, en cambio pierde energía por conducción al entrar en contacto la masa de agua con el terreno a través de las paredes y el fondo; pierde energía por convección al ser enfriada por el viento; pierde energía por radiación ya que el agua tiene una mayor temperatura que la atmósfera; y pierde una gran cantidad de energía durante el proceso natural de evaporación del agua superficial. [8]

La bomba de purificación existente se encarga de circular el agua entre los colectores y la piscina a través de las tuberías, un termostato diferencial C (figura 8), gobernará la bomba y controlará el flujo de agua por los colectores si su temperatura es mayor que la del agua en la piscina.

17

Figura 8. Esquema básico del sistema para la climatización de piscinas

Tomada de: Aprotec, calentador: www.aprotec.com.co/pages/solar_term.html.

3.2.3 Cocinas solares. Una cocina solar utiliza la luz solar para calentar aire que se encuentra atrapado en un espacio térmicamente aislado y herméticamente sellado. La temperatura del aire en la cocina aumenta creándose un "efecto de invernadero" el cual da como resultado calor en espacios cerrados en los que el sol incide a través de un material transparente como el vidrio o el plástico, la luz visible pasa fácilmente a través del vidrio y es absorbida y reflejada por los materiales que estén en el espacio cerrado, la energía de la luz que es absorbida por las ollas negras y la plancha negra debajo de las ollas se convierte en energía calorífica que tiene una mayor longitud de onda, e irradia desde el interior de los materiales. La mayoría de esta energía radiante, a causa de esta mayor longitud de onda, no puede atravesar el vidrio y por consiguiente es atrapada en el interior del espacio cerrado. La luz reflejada, se absorbe por los otros materiales en el espacio ò atraviesa el vidrio si no cambia su longitud de onda.

Debido a la acción de la cocina solar, el calor que es recogido por la plancha y las 18

ollas de metal negro absorbente es conducido a través de esos materiales para calentar y cocinar la comida.

Las cocinas solares se dividen en dos familias:

• De concentración. Se basan en concentración de la radiación solar en un punto,

típicamente a través de un reflector parabólico. En dicho punto se coloca la olla que cocinará los alimentos. Generan altas temperaturas entre 180°C y 200°C, que permiten freír alimentos o hervir agua. Son particularmente peligrosas al usuario si no se tiene cuidado. • Horno o caja. Es una caja térmicamente aislada, para capturar la energía solar

y mantener caliente su interior. Los materiales generalmente son de baja conducción de calor, lo que reduce el riesgo de quemaduras a los usuarios y evita la posibilidad de incendio tanto de la cocina como en el lugar en el que se utiliza. [9]

3.2.4 Destilador solar. Consiste en un recipiente de fondo negro para absorber la luz del sol, cubierto con láminas de vidrio transparentes que forman un recinto hermético. Las cubiertas transparentes se inclinan sobre un canal colector. Cuando el destilador está en funcionamiento, la energía solar pasa a través de las cubiertas transparentes y es absorbida por el agua y el revestimiento interior del recipiente. La energía absorbida calienta el agua y hace que se evapore parte de ella y aumente la humedad ambiental junto a la superficie de la misma, produciéndose así corrientes de convección dentro del recinto del destilador. El aire húmedo, más caliente, asciende hasta el vidrio, mas frio, en cuya superficie

19

parte del vapor de agua se condensa, se desliza hacia abajo y cae goteando en el canal colector, saliendo por los extremos en forma de agua potable (figura 9). [6]

Figura 9. Esquema, en corte transversal de un destilador solar

Tomada de: Technbology for solar energy utilization, pagina 121. New york : 1978.

20

4. DESTILACION SOLAR

4.1 CONCEPTO La destilación de agua es la realización de dos procesos consecutivos: evaporación que es el proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial, y condensación que viene siendo el cambio de gas a liquido que es el producto final de la operación.

El objetivo de la destilación solar es ser capaz de remover cantidades relativamente pequeñas de contaminación, por lo tanto no se recomienda para purificar aguas negras, ni residuos industriales, es adecuada para potabilizar aguas superficiales (ríos, depósitos y lagos), agua de mar o aguas subterráneas.

Su funcionamiento es sencillo, el agua contaminada se coloca en una bandeja de fondo negro, expuesta al sol, la temperatura del absorbedor se eleva progresivamente, al calentarse el agua se evapora, quedando libre de sólidos y bacterias, y al momento de la condensación en el vidrio, ya el agua sin bacterias ni sólidos, apta para el consumo humano desliza a un canal y es recolectada en un recipiente a través de una manguera o tubería. [10]

4.2 TIPOS DE DESTILADOR SOLAR 4.2.1 De poceta El destilador de poceta (figura 10) se caracteriza por su sencillez y su facilidad de construcción, está formado por una poceta hecha generalmente

21

con materiales de la construcción (ladrillos o bloques, piedra de arena), angulares de acero y láminas de vidrios. Su construcción es sencilla y en situaciones es realizada por un albañil. Se recomienda su uso en instalaciones relativamente grandes. La eficiencia es de 30 a 50%. [11]

Figura 10. Tipo poceta

Tomadas de: www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/HTML/articulo03.htm

4.2.2 De mecha. En estos destiladores (figura 11), el agua de alimentación fluye lentamente a través de un material poroso - mecha que absorbe la radiación. Presenta dos ventajas fundamentales sobre los destiladores solares de caseta. La primera es que permite que el material poroso por el que escurre el agua pueda inclinarse, con lo que se consigue un mejor ángulo con el Sol, esto se traduce en una menor reflexión de los rayos solares y una mayor superficie efectiva. La segunda ventaja radica en que el material que conforma la mecha permite tener una capa de agua a destilar con un espesor muy fino, que puede ser calentada

22

más rápidamente y hasta una temperatura superior, al presentar una menor capacidad calorífica.[10] calorífica.

Figura 11. Tipo mecha

Tomadas de: www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/HTML/articulo03.htm www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/HTML/articulo03.ht

4.2.3 Destilador multiefecto Como una alternativa para solucionar la pérdida de energía en estos destiladores surge la opción de diseñar equipos multiefecto (Figura 12).

23

Figura 12. Prototipo de un destilador multiefecto

Tomada de: news.soliclima.com/?seccio=noticiesprof&accio=veure&id=131

Con estos equipos, la mayor pérdida de energía se produce en forma de calor latente de condensación del agua en la cubierta, con lo que la energía que es necesaria para producir el destilado es aproximadamente igual a su calor de vaporización. El rendimiento térmico de los destiladores solares puede incrementarse significativamente reutilizando dicho calor en dos o más etapas. Así, en un destilador solar tipo caseta se puede incorporar una superficie (o incluso más) entre la bandeja y la cubierta. Sobre esta superficie, que sirve de fondo de un recipiente que contiene agua contaminada, se condensa el vapor de agua que proviene de la bandeja. En dicha condensación el vapor cede su calor latente y calienta el agua contenida en este recipiente intermedio.

El proceso que ocurre en los destiladores multiefecto consiste en una bandeja que forma la primera etapa en la que hay agua contaminada pero esta podría ser

24

calentada por medio de un colector y concentrador solar, la siguiente lleva una inclinación para que las gotas que se formen deslicen y sea recolectadas, la última etapa igualmente inclinada esta enfriada por disipación al aire ambiente pero esta permite establecer el gradiente de temperatura entre el agua y el cubierta necesario para el sistema.[10]

4.2.4 De caseta. El destilador solar de caseta es el más conocido en el mundo y consiste en una cubierta de material semitransparente, generalmente vidrio, que se coloca sobre una bandeja que contiene agua contaminada. Por la forma de caseta y la forma en que ésta atrapa el calor, proveniente de la energía solar, les ha valido el nombre de “destiladores de invernaderos”. (figura 13)

El principio de funcionamiento es muy sencillo, la bandeja de pequeña profundidad que contiene agua con microorganismos está herméticamente tapada con un vidrio liso transparente. La radiación solar pasa a través del vidrio y calienta el agua, ya que el fondo de la bandeja se pinta de color negro, lo que resulta que el agua alcanza más altas temperaturas que el vidrio. El contenido de vapor de agua del aire interior es elevado y al entrar en contacto con la superficie interna del vidrio, alcanza la temperatura de rocío, empezando a condensar el vapor de agua contenido en el aire formando gotas de agua que se deslizan por el plano inclinado hasta el canal recolector. Esta agua condensada está prácticamente potable. El efecto “invernadero” hace que la temperatura del interior se eleve hasta del orden de 50 a 70°C.

Estos equipos cuando tienen láminas de agua de 1,5 a 2 cm de espesor, bajo condiciones de alta insolación, baja temperatura del aire ambiente y vientos apreciables (2 m/s o más) llegan a producir hasta un máximo de 3 a 5 L de agua 25

destilada por cada metro cuadrado de superficie cada día,

en el caso de

destiladores tipo caseta con una sola pendiente su producción se encuentra entre 1 y 4 litros por cada m2 de superficie. [10]

El valor característico de producción de los destiladores solares es del orden de 1 m3 de agua por metro cuadrado de captación por año, esto puede parecer un volumen muy pequeño, sin embargo, desde el punto de vista de obtener agua potable a escala familiar o para pequeñas comunidades, en muchos casos puede resultar adecuado, especialmente donde esta alternativa sea económica.[11]

Figura 13. Destilador de caseta con una pendiente.

Tomada de: www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/HTML/articulo03.htm

26

4.3 EFICIENCIA DE UN DESTILADOR La eficiencia térmica de un destilador solar en general se define como el producto entre la cantidad de destilado y su calor latente de vaporización dividido entre la irradiación, como se define en la ecuación 4.1.



  ! " 

4.1

Donde; 

= flujo másico de volumen destilado en un día (Kg/seg).



= calor latente de evaporización del agua (KJ/Kg).

" 

= irradiación durante el día (w/m2). = área del evaporador (m2).

4.4 BALANCE TERMICO EN UN DESTILADOR SOLAR El balance térmico de un destilador solar se realiza en base a dos formas de análisis: desde el punto de vista termodinámico y el punto de vista de los principios de la transferencia de calor. El análisis termodinámico considera al destilador como un conjunto en equilibrio, en el cual la cantidad de calor aprovechado para que el proceso de destilación se realice, es igual a los cambios de energía del fluido de trabajo. El análisis por transferencia de calor, a diferencia del termodinámico, tiene en cuenta los mecanismos por los cuales se presentan los flujos de energía, y en base a estos se evalúa la cantidad de calor transferido entre los diferentes medios y superficies del destilador.

27

4.4.1 Balance en la cubierta. Está definido por la sumatoria de flujos de calor y energía sobre la cubierta, definida en la ecuación 4.2.

&'()*+  &,  - &*  - ./)01

(4.2)

El calor de entrada &'()*+ , puede definirse por la ecuación 4.3

&'()*+ 2 32

(4.3)

Donde; 2 es la radiación solar (W/m2), 32 es la absortividad.

El calor de salida es la sumatoria del calor por convección &, , por radiación &* y del calor útil ./)01 , que se expresan en las ecuaciones 4.4, 4.5 y 4.6.

&, 45 6 42 

(4.4)

Donde;  es el coeficiente por convección (W/m2K), 45 es la temperatura del

ambiente (K) y 42 es la temperatura en la superficie (K).

&* 784 9 2 6 4 9 5 

28

(4.5)

Donde; 7 es la emisividad y 8 es la constante de Stefan Boltzmann (W/m2K4).

./)01  

(4.6)

Donde;  es el flujo másico (Kg/seg) y  es la entalpia de vaporización (KJ/Kg).

29

5. CALIDAD DEL AGUA

El agua o dihidruro de oxigeno es un liquido incoloro, inodoro e insaboro, esencial para la vida animal y vegetal, solvente universal compuesto molarmente por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno.

Entre sus propiedades se destacan:

• Punto de fusión: 0˚c • Punto de ebullición: 100˚c a presión atmosférica (Nivel del mar) • Densidad: 1,0 kg/L a 4˚c • Masa molecular o mol: 18g. Como existen tres isótopos de hidrógeno y tres de

oxigeno, se pueden tener dieciocho diferentes masas moleculares para el agua. • El agua se mantiene liquida en un intervalo conveniente de temperatura. • El agua es un solvente ionizante. • Es transparente a los rayos solares en una región conveniente del espectro. [3]

30

5.1 IMPUREZAS DEL AGUA El agua pura no existe en la naturaleza. El agua lluvia recoge impurezas mientras pasa a través del aire. Los ríos y las quebradas recogen impurezas prevenientes del suelo y de las descargas de aguas residuales domésticas e industriales, transportándolas a los lagos, embalses y mares. Existe menos posibilidad de polución en las aguas superiores de un rio, donde la población es escasa, pero en ningún caso puede considerarse un agua superficial carente de contaminación, a pesar de que la purificación natural ocurre en todo cuerpo de agua gracias a la sedimentación y muerte de las bacterias patógenas.

Las impurezas en el agua pueden encontrarse en solución o en suspensión. La matrería suspendida debe removerse, al igual que toda sustancia disuelta que se halle en exceso o que haga el agua inadecuada para uso doméstico o industrial.

Existen diferentes términos para describir la calidad del agua, por lo que resulta conveniente tener claro el significado de algunos términos para evitar confusiones y errores en su empleo. Por ejemplo, polución es un término de uso general que significa introducir condiciones indeseables a un agua, haciéndola ofensiva al gusto o al olor y no satisfactoria para uso doméstico o industrial. Un tipo específico de polución seria la contaminación, la cual implica la introducción al agua de materiales tóxicos, bacterias u otras sustancias perjudiciales que harían que esa fuente no fuera apta para el consumo humano. [3]

Aguas puras, en el sentido de la palabra, no existen en la naturaleza; por consiguiente, se usa el concepto de agua segura y de agua potable. El agua segura es aquella cuyo consumo no implica ningún riesgo para la salud del

31

consumidor, mientras que el agua potable es aquella que además de ser segura es satisfactoria desde el punto de vista físico, químico y biológico, es decir, atractiva para su consumo como bebida, debe tomarse que el concepto de agua segura tiene un valor relativo y no absoluto, esto es, que de acuerdo con la técnica y métodos disponibles se puede afirmar que un agua es segura cuando no existe evidencia de riesgo para la salud del consumidor.[3]

5.2 ANALISIS FISICO DEL AGUA 5.2.1 Sólidos totales. Se define como sólidos la materia que permanece como residuo después de evaporación y secado. El valor de los sólidos totales incluye material disuelto y no disuelto (sólidos suspendidos). Para su determinación, la muestra se vapora en una cazuela pesada con anterioridad, preferiblemente de platino, sobre un baño de María, y luego se seca a 103 - 105˚c. El incremento de peso, sobre peso inicial, representa el contenido de sólidos totales o residuo total.

En aguas potables, la determinación de sólidos totales es la de mayor interés, por ser muy pequeña la cantidad existente de sólidos suspendidos. En general, en aguas para suministro público se recomienda un contenido de sólidos totales menor de 1.000 mg/L. [3]

5.2.2 Sólidos disueltos.

La determinación de sólidos disueltos totales mide

específicamente el total de residuos sólidos filtrables (sales y residuos orgánicos) a través de una membrana con poros de 2.0 µm (o más pequeños). Los sólidos disueltos pueden afectar adversamente la calidad de un cuerpo de agua o un efluente de varias formas. Aguas para el consumo humano, con un alto contenido

32

de sólidos disueltos, son por lo general de mal agrado para el paladar y pueden inducir una reacción fisiológica adversa en el consumidor. [3]

5.2.3 Sólidos suspendidos. Son partículas flotantes como trozos de vegetales, animales, basuras, etc. y aquellas que son perceptibles a simple vista. Como parámetro, miden la presencia de materiales corpusculares de tamaño mayor que unos 10-3 milímetros. De hecho. Si fuesen menores se clasificarían como materiales coloidales (10-6 a 10-3 mm) o, definitivamente, como especies disueltas (menores que 10-6 mm). Los sólidos suspendidos, como su nombre lo indica, permanecen en suspensión y sólo pueden ser retirados por una barrera física, como por ejemplo, un filtro.

5.2.4 Sólidos volátiles y fijos.

Esta determinación se suele hacer en aguas

residuales y lodos con el fin de obtener una medida de la cantidad de materia orgánica presente. Este se logra hacer a una temperatura de 550 ± 50˚c durante 15 a 20 minutos.

La determinación de sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles, es importantes para evaluar la concentración o fuerza de aguas residuales y para determinar la eficiencia de las unidades de tratamiento. [3]

5.2.5 Sólidos sedimentables.

Son aquellas partículas más gruesas que se

depositaran, por gravedad en los fondos de los receptores.

33

La determinación de sólidos sedimentables es básica para establecer la necesidad del diseño de tanques de sedimentación como unidades de tratamiento y para controlar su eficiencia.

5.3 ANALISIS BACTERIOLOGICO DEL AGUA 5.3.1 Grupo coliforme. La denominación genérica coliformes designa a un grupo de especies bacterianas que tienen ciertas características bioquímicas en común e importancia relevante como indicadores de contaminación del agua y los alimentos.

5.3.2 Caracteres bioquímicos El grupo coliforme agrupa a todas las bacterias entéricas que se caracterizan por tener las siguientes propiedades bioquímicas: • Ser aerobias o anaerobias facultativas • Ser bacilos Gram negativos • Ser oxidasa negativos • No ser esporógenas • Fermentar la lactosa a 35 °C en 48 horas, producie ndo ácido láctico y gas.

5.3.3 Hábitat del grupo coliforme Las bacterias de este género se encuentran principalmente en el intestino de los humanos y de los animales de sangre caliente, es decir, homeotermos, pero también ampliamente distribuidas en la naturaleza, especialmente en suelos, semillas y vegetales.

34

Los coliformes se introducen en gran número al medio ambiente por las heces de humanos y animales. Por tal motivo suele deducirse que la mayoría de los coliformes que se encuentran en el ambiente son de origen fecal. Sin embargo, existen muchos coliformes de vida libre.

5.3.4 Los coliformes como indicadores Tradicionalmente se los ha considerado como indicadores de contaminación fecal en el control de calidad del agua destinada al consumo humano en razón de que, en los medios acuáticos, los coliformes son más resistentes que las bacterias patógenas intestinales y porque su origen es principalmente fecal. Por tanto, su ausencia indica que el agua es bacteriológicamente segura.

Asimismo, su número en el agua es proporcional al grado de contaminación fecal; mientras más coliformes se aíslan del agua, mayor es la gravedad de la descarga de heces.

Los coliformes son una familia de bacterias que se encuentran comúnmente en las plantas, el suelo y los animales, incluyendo a los humanos. En general, las bacterias coliformes se encuentran en mayor abundancia en la capa superficial del agua o en los sedimentos del fondo. Por su amplia diversidad el grupo coliformes ha sido divido en dos grupos: coliformes totales y coliformes fecales. [3]

35

5.3.5 Coliformes totales y coliformes fecales. No todos los coliformes son de origen fecal, por lo que se hizo necesario desarrollar pruebas para diferenciarlos a efectos de emplearlos como indicadores de contaminación. Se distinguen, por lo tanto, los coliformes totales, que comprende la totalidad del grupo, y los coliformes fecales, aquellos de origen intestinal.

5.3.5.1 Coliformes fecales. Se define como coliformes fecales a aquellos que fermentan la lactosa a 44,5 – 45,5 °C, análisis que permite descartar a Enterobacter, puesto que ésta no crece a esa temperatura. La prueba de coliformes fecales positiva indica un 90% de probabilidad de que el coliforme aislado sea E. coli.

Los niveles recomendados de bacterias coliformes fecales son:

• Agua Potable: menos de 0 colonias por 100 ml de la muestra de agua • Natación: menos de 200 colonias por 100 ml de la muestra de agua • Navegar/Pescar: menos de 1,000 colonias por 100 ml de la muestra de agua.

El aislamiento de esta bacteria en el agua da alto grado de certeza de contaminación de origen fecal, alrededor del 99%. No es absoluta porque se han aislado cepas de E. coli que no tienen origen fecal, pero es un grado de certeza es más que razonable para certificar contaminación con ese origen.

36

Sin embargo, el aislamiento de este microorganismo no permite distinguir si la contaminación proviene de excretas humana o animal, lo cual puede ser importante, puesto que la contaminación que se desea habitualmente controlar es la de origen humano. Esto no significa menospreciar la de origen animal, especialmente dada la existencia de zoonosis, enfermedades que son comunes al hombre y animales, que también se pueden transmitir por el agua.

5.3.6 Contaminación fecal humana o animal. La Escherichia coli de origen animal y la de origen humano son idénticas. Sin embargo, algunos investigadores han encontrado que las bacterias del género Rodococcus se asocian solamente a la contaminación fecal por animales.

5.3.7 Coliformes y aguas frescas. La prueba de coliformes totales y fecales también se utiliza para determinar la calidad bacteriológica de los efluentes de los sistemas de tratamiento de aguas servidas. (12)

37

6. DISEÑO

Este capítulo mostrará, cuales aspectos se tomaron en cuenta para diseñar el destilador solar tipo caseta con una pendiente. Se partió de investigaciones ya realizadas en algunos prototipos como se muestra en el capítulo 4, para determinar sus características más comunes.

Como aspecto principal, el ángulo del vidrio con respecto a la horizontal, no debe ser menor de 20° ni mayor de 30° 1, esto debido a que si es muy inferior las gotas no se deslizaran con facilidad, y si es mayor, la distancia del condensador (vidrio) es muy lejana respecto al agua contaminada, como segundo aspecto, se recomienda un recubrimiento (pintura negra) en la bandeja, ya que absorbe muy bien la radiación solar, y el uso de un aislante térmico en las paredes para evitar pérdidas de energía. Para los materiales se debe tener en cuenta la economía sin despreciar los estándares de calidad.

Se parte de querer destilar 200ml en el transcurso 9:20 a.m a 3:00 p.m. la cual son las horas criticas de radiación solar. (ver Anexo D)

6.1 CALCULO DEL AREA DEL DESTILADOR SOLAR

Para hallar el calor útil se usa la ecuación (6.1) . : =  * hfg

(6.1)

____________ 1

Dato tomado de: PANORAMAENERGETICO, www.panoramaenergetico.com

38

<

Donde; ; = es el flujo másico y hfg2 [KJ/Kg] es la entalpia de vaporización 2

respecto a la temperatura del agua.

Luego;  = (Vd * ρ) / t

(6.2)

Donde; Vd es el volumen deseado a destilar, ρ3 es la densidad respecto a la temperatura del agua y t es el tiempo de producción diaria.

 = ((2x10-4 m3 * 988kg/m3) / 20400s) = 9.686x10-6kg/s

De la ecuación 6.1 se obtiene: . : = (9.686x10-6kg/s) * (2378kJ/kg) = 23.03W

En el balance de energías (figura 14), se tuvo en cuenta la cubierta para calcular el área, suponiendo que el área del vidrio es aproximadamente igual al área de la bandeja y la radiación solar entra perpendicular a la bandeja.

____________ 2

Dato tomado de: INCROPERA, DEWITT. Fundamentos de transferencia de calor,

Tabla A6, México, Prentice Hall, 1999. 3

Dato tomado de: CENGEL, YUNUS A. Termodinámica, Anexos, México, Mc Graw

Hill, 2003.

39

Figura 14. Flujo de calor en la cubierta del destilador.

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón

Para el balance de energías (ecuación 6.3), se tomó la temperatura ambiente promedio en Bucaramanga de 25°C, la temperatura de la superficie del vidrio con un valor de 39°C, con respecto a una investigación por la revista asades (figura 15) como constante, y la radiación solar promedio (Gs) de 500W/m2, se obtuvo de los datos publicados por la CDMB.(Ver anexo D)

40

Figura 15.Temperaturas para un destilador solar de caseta

. Tomada de: Revista asades, Argentina.

Balance de energía. Eentra – Esale = 0

(6.3)

Remplazando se obtiene la ecuación 6.4.

GsαsA = Aqconv + Aqrad + . u

(6.4)

Luego;

GsαsA = hA(ts - t∞) + ɛσA(ts4 – talr4) + . u Despejando A,

41

(6.5)



>

?@A@B CD@ B D5B ED@F – DHIJF  !

Donde, Gs es la radiacion solar, αs absortividad, ɛ

4

(6.6)

emisividad del vidrio, σ

constante de Stefan Boltzmann, ts temperatura de la superficie externa del vidrio, t∞ temperatura ambiente en Bucaramanga, talr temperatura alrededores, y h

5

factor de conveccion por conveccion libre para gases.

Remplazando se tiene;



23.03 N

0.14492 15N 5.67V10BW N N 9 9 312 6 298 S O500 2Q 0.9 6 2 S 14S 6 0.9 2 S 9

Con base a este valor de área se diseñó el prototipo de destilador solar.

___________ 4

Dato tomado de: INCROPERA, DEWITT. Fundamentos de transferencia de calor,

Tabla A11, México, Prentice Hall, 1999. 5

Dato tomado de: INCROPERA, DEWITT. Fundamentos de transferencia de calor,

Tabla 1.1, pag 8, México, Prentice Hall, 1999. 42

6.2 CALCULO DEL CALOR CONDUCCION Para calcular el calor por conducción, utilizamos la ecuación 6.7.

.

YZ B Y[ \ \ \ a bc a ] ^_` ] ^bc ] ^_`

(6.7)

T2 = 40°C (valor asumido para la temperatura máxima en el interior del destilador) T1= 25°C (valor asumido para la temperatura mínima de l medio exterior) L= 1mm = 0.001m (espesor de la lamina de aluminio) LDW = 2.5cm (espesor del aislante térmico) Kal= 238W/m°C (conductividad térmica del aluminio) KDW= 0.041W/m°C (conductividad térmica del Duct Wrap) A= 0.1449m2 (área calculada anteriormente)

Obtenemos al reemplazar: . 3.5N

43

7. DESCRIPCION DEL EQUIPO

Se diseñó un prototipo de destilador solar tipo caseta, de 51 cm X 37.5 cm, con un área transversal de incidencia con el sol de 0.1495 m2, y un área de absorción (bandeja) de 0,09625 m2, con una estructura que permite variar el ángulo de la caseta, un espesor de 2.5cm de aislante térmico (DUCT WRAP), esto para evitar pérdidas por las paredes del destilador.

El prototipo consta de un depósito (bandeja) con una pequeña inclinación en su base, para dar nivel al agua en el instante en el que la caseta varié su ángulo, este se construyo de acero inoxidable, con una capa de pintura de color negro como revestimiento del absorbedor (figura 16), que contiene el agua por destilar.

Figura 16. Interior del destilador solar

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón

44

También forma parte del prototipo dos paredes (figura 17), con alturas diferentes, una de las paredes de este equipo (la posterior), tiene una altura de 27cm y otra de 8.5cm para dar la inclinación de 20° necesaria a l vidrio, y permitir el deslizamiento de las gotas de agua destilada, hasta el canal de recolección (figura 16) , al cual se acopla una manguera unida directamente a una probeta (100ml) de almacenamiento del agua destilada.

Figura 17. Paredes laterales

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón

Tiene además, en la parte superior cerrando el equipo una cubierta de vidrio de 4mm de espesor ajustada a través de dos bisagras (figura 18) cada una en una esquina del destilador, con el fin de permitir que el vidrio se pueda levantar para introducir el agua contaminada a la bandeja.

45

Figura 18. Sistema para levantar el vidrio

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón

En la parte inferior tiene una guía (figura 19) para orientar las gotas hacia el canal, y dos pequeñas prensas en las esquinas inferiores del destilador para el ajuste del vidrio. El ángulo que forma el vidrio respecto a la horizontal es de 20.

Figura 19. Guía del agua y prensas para ajuste del vidrio

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón 46

Para poder desplazar el destilador a diferentes ambientes se diseño una estructura sencilla con ruedas (Figura 20), en esta se encuentra también el tornillo que permite variar el ángulo de la caseta.

Figura 20. Estructura

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón

7.1 Equipos utilizados

7.1.1 Pyranometro. El piranómetro es un instrumento para medir la irradiación solar sobre una superficie plana. Es un sensor diseñado para medir la densidad del flujo de radiación solar (watios por metro cuadrado) en un campo de 180 grados. En las pruebas se uso un Pyranometro CM3 de Kipp and Zone (figura 21), sus especificaciones son:

47

Respuesta espectral banda de frecuencias: 305 a 2800 nm Irradiación máxima: 2000 W / m² Señal de salida: 0 a 50 mV Sensibilidad: 10 a 35 µ V / W / m ²

Figura 21. Pyranometro

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón

7.1.2 Indicador de radiación. Muestra los datos de la radiación solar. En las pruebas se utilizó un indicador de radiación CC20 de Kipp and zone (figura 22).

Figura 22. Indicador de radiación

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón 48

7.1.3 Multimetro. Es un instrumento de medida que ofrece la posibilidad de medir la temperatura. Se uso un multimetro Koban KMY65. (figura 23)

Figura 23. Multimetro

Tomada de: www.sumelnet.com/multimetro-digital-koban-kmy65-p-505.html

7.1.4 Termocupla. Una termocupla (figura 24), básicamente es un transductor de temperaturas, es decir un dispositivo que convierte una magnitud física en una señal eléctrica. Está constituida por dos alambres metálicos diferentes que unidos, desarrollan una diferencia de potenciad eléctrica entre sus extremos libres que es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre estas puntas y la unión.

Figura 24. Termocupla

Por: Melissa Colmenares y Jairo Pinzón

49

7.2 Comportamiento del destilador El destilador consta de dos partes esenciales: el evaporador y el condensador; en el evaporador se realiza el cambio de fase de liquido a gas y en el condensador el de gas a liquido.

7.2.1 Evaporador. La bandeja de color negro donde se deposita el agua es el evaporador, porque ahí es donde ocurre el cambio de fase de líquido a gas, para lograr este fenómeno se le suministra calor (radiación solar) al agua logrando que se desprenda vapor, este gas se acumula en el espacio superior del fluido.

La temperatura del agua en el periodo de prueba fue mayor que la temperatura interna del vidrio. (Ver Figura 26)

7.2.2 Condensador.

El vidrio transparente que sella el destilador, es el

condensador, porque es ahí donde se presenta el cambio de fase de gas a líquido.

La condensación ocurre cuando el vapor que está en el espacio entre el fluido y el vidrio, entra en contacto con el condensador que se encuentra a una temperatura más baja; logrando una película liquida o gotitas de agua que cuando se saturan teniendo como ayuda la inclinación y la gravedad, empieza a deslizarse hasta un punto de recolección.

50

8. PRUEBAS REALIZADAS Y RESULTADOS OBTENIDOS

Las pruebas al destilador se realizaron variando el ángulo de la caseta cada seis días, lo anterior se hizo con el fin de evaluar el equipo en cada caso y analizar su comportamiento.

Los parámetros medidos fueron los siguientes: 1. Cantidad de agua destilada recogida diariamente, Vd. 2. Temperatura del agua dentro de la bandeja, Ta. 3. Temperatura interna del vidrio, Ti. 4. Temperatura externa del vidrio, Te. 5. Temperatura interna del aire, Tia (solo en la última inclinación). 6. Radiación solar, RAD.

Se muestra en los anexos A,B,C la tabulación de la información recolectada para determinar la eficiencia del destilador solar.

8.1 CALCULO DEL RENDIMIENTO DEL DESTILADOR La eficiencia del destilador se define como el cociente entre el calor útil y el calor incidente diario entregado por la fuente caliente; está definida por la ecuación 8.1.



  ! .,+1

51

8.1

Donde:  = Flujo másico de agua destilada producida, Kg/s.  = Calor latente de vaporización del agua, KJ/Kg. .,+1 = Calor entregado por la fuente caliente, KJ/s.

La eficiencia es calculada para los días en que se hicieron las pruebas, esto es desde mayo 14 hasta junio 13, para cada configuración del destilador (ángulo 0°, ángulo 4.5°, ángulo 6.5°).

8.1.1 Cálculo del flujo másico de agua destilada producida,  Para el cálculo de este término se toma como tiempo efectivo diario de irradiación solar cinco horas, desde las 9:20 a.m., hasta las 2:20 p.m, y se obtiene atreves de la ecuación 8.2



de Oρagua Q )

jk/m

(8.2)

Donde: Vd = Producción de volumen de agua destilada (cm3). (Ver Anexos)

ρagua = Densidad del agua, calculada a la temperatura media diaria (Kg/cm3). t = Tiempo efectivo de producción de condensado = 5* 3600 = 18000s

En la tabla 1 se muestran los resultados del cálculo de  para cada día

52

Tabla 1. Calculo de flujo másico de agua destilada producida  .

DIA Mayo 14 Mayo 15 Mayo 16 Mayo 17 Mayo 19 Mayo 21 Mayo 22 Mayo 23 Mayo 28 Mayo 30 Mayo 31

ANGULO

1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2

Vd (cm3)

183 196 220 10 114 91 89 153 85 242 225

ρagua@Ta promedio (Kg/cm3)



n  OρaguaQ o

0.0009859

1.00x10-5

0.0009866

1.07x10-5

0.0009861

1.20x10-5

0.0009936

1.38x10-6

0.0009907

6.27X10-6

0.000992

5.01X10-6

0.0009906

4.89X10-6

0.0009892

8.40X10-6

0.0009917

4.67X10-6

0.0009853

1.23X10-5

0.0009864

1.23X10-5

Junio 03

2

99

0.0009902

5.44X10-6

Junio 04

2

149

0.000988

8.17X10-6

Junio 05

3

154

0.0009888

8.45X10-6

Junio 07

3

80

0.0009909

4.4X10-6

Junio 10

3

131

0.0009886

7.19X10-6

Junio 11

3

188

0.0009883

1.03X10-5

Junio 12

3

224

0.0009844

1.22X10-5

Junio 13

3

218

0.000986

1.19X10-5

53

jk/m

8.1.2 Calculo del calor entregado por la fuente, .,+1 . El calor entregado por la fuente caliente se define como el producto entre la radiación solar promedio diaria que incide sobre el destilador y el área de este, así tenemos que:

 p q ;r=

(8.3)

Donde: p = Radiación solar promedio diaria (5h) que incide sobre el destilador solar

(w/m2). q = 0.09625m Área de la bandeja del destilador solar.

Para p, es necesaria la radiación solar acumulada diaria ", esta se obtiene al graficar los puntos de radiación solar incidente Vs hora y calcular el área bajo la curva en cada caso, estos datos se encuentran en la tabla 2, (Ver Anexo C).

54

Tabla 2. Radiación promedia (w/m2) HORA 9:20 DIA 14-May-08 15-May-08 16-May-08 17-May-08 19-May-08 21-May-08 22-May-08 23-May-08 28-May-08 30-May-08 31-May-08 3-Jun-08 4-Jun-08 5-Jun-08 7-Jun-08 10-Jun-08 11-Jun-08 12-Jun-08 13-Jun-08

695 703 410 624 225 720 566 350 376 692 703 426 728 803 397 460 780 705 360

10:20 11:20 12:20 13:20 14:20 p[Wh/m2]

820 781 753 350 440 691 583 472 358 773 742 418 796 704 411 407 819 773 518

931 855 780 149 467 305 533 604 530 920 840 450 933 477 640 693 858 763 736

930 566 791 0 312 285 312 877 527 753 841 440 652 917 323 647 614 722 782

937 478 678 0 704 213 296 595 333 420 689 469 325 879 250 630 598 898 809

405 466 564 0 437 145 217 379 349 775 224 435 260 664 177 515 413 443 831

4168 3264 3488 736 2253 1927 2114 2911 2111 3599 3575 2206 3201 3710 1911 2865 3485 3730 3439

H[W/m2]

833.5 652.9 697.7 368 450.6 385.4 422.9 582.3 422.2 719.9 714.9 441.3 640.1 742.0 382.2 572.9 697.0 746.0 687.9

8.1.3 Calculo del calor latente de vaporización del agua, hfg. Este parámetro se obtiene de las tablas de vapor y se halla para cada día a la temperatura promedia del agua, Ta promedio, a una presión de saturación los valores obtenidos se encuentran reportados en la tabla 3.

55

Tabla 3. Calor latente de vaporización del agua, hfg. DIA

TEMPERATURA [°C]

h fg [KJ/Kg]

Mayo 14

53.9

2375.54

Mayo 15

52.6

2376.46

Mayo 16

53.6

2374.06

Mayo 17

34.4

2420.28

Mayo 19

42.4

2400.98

Mayo 21

38.7

2409.79

Mayo 22

42.7

2400.27

Mayo 23

46.6

2390.92

Mayo 28

39.7

2407.41

Mayo 30

55.1

2370.7

Mayo 31

52.9

2375.74

Junio 03

43.7

2397.89

Junio 04

50

2382.7

Junio 05

47.7

2388.26

Junio 07

41.8

2402.41

Junio 10

48.3

2386.81

Junio 11

49

2385.12

Junio 12

56.9

2366.06

Junio 13

53.8

2373.58

8.1.4 Rendimiento del destilador. La eficiencia o rendimiento del destilador, . Se calcula para cada día en los que se realizaron las pruebas, los valores encontrados se relacionan en la tabla 4.

56

Tabla 4. Rendimiento del destilador durante las pruebas.

DIA


 s t

uv x w

yzv t

u{ x uv

 |}~

p q t

u{ x w

n


 s yzv !  €

Mayo 14

1.00X10-5

2375.54

0.08022

29.61

Mayo 15

1.07X10-5

2376.46

0.06284

40.46

Mayo 16

1.20X10-5

2374.06

0.06715

42.42

Mayo 17

1.38X10-6

2420.28

0.03901

9.42

Mayo 19

6.27X10-6

2400.08

0.04337

34.69

Mayo 21

5.01 X10-6

2409.79

0.03709

32.55

Mayo 22

-6

4.89 X10

2400.27

0.04070

28.83

Mayo 23

8.40 X10-6

2390.92

0.05604

35.83

Mayo 28

4.67 X10-6

2407.41

0.04063

27.67

Mayo 30

1.32X10-5

2370.7

0.06929

45.16

Mayo 31

1.23X10-5

2375.74

0.06880

42.47

Junio 03

5.44 X10-6

2397.89

0.04247

30.71

Junio 04

-6

8.17 X10

2382.7

0.06160

31.60

Junio 05

9.94 X10-6

2388.26

0.07141

33.24

Junio 07

4.4 X10-6

2402.41

0.03678

28.74

Junio 10

7.19 X10-6

2386.81

0.05514

31.12

Junio 11

1.03X10-5

2385.12

0.06708

36.62

Junio 12

1.22X10-5

2366.06

0.07180

40.20

Junio 13

-5

2373.58

0.06621

41.58

1.16X10

57

A continuación se muestran tablas y graficas del comportamiento del destilador solar.

Tabla 5. Datos promedios diarios para ángulo 0° DIA

Ti (°C)

Te (°C)

Ta (°C)

5/14/2008 5/15/2008 5/16/2008 5/17/2008 5/19/2008 5/21/2008

52 43.6 45 31.4 35.8 35.8

46.8 40.8 39.7 22.8 35.1 32.7

53.9 52.6 53.6 34.4 42.4 38.7

ΔT=(Ta-Ti) (°C) 1.9 9 8.6 3 6.6 2.9

Vd (cm3) 168 188 210 10 100 85

RAD. [W/m2] 833.5 652.9 697.7 368 450.6 385.4

Tabla 6. Datos promedios diarios para ángulo 4.5° DIA

Ti (°C)

Te (°C)

Ta (°C)

ΔT(Ta-Ti)(°C)

Vd (cm3)

5/22/2008 5/23/2008 5/28/2008 5/30/2008 5/31/2008 6/3/2008 6/4/2008

35.5 42.5 32 51.6 46.1 35 41.5

32.8 37.1 32.8 43 43.8 34.3 41.3

42.7 46.6 39.7 55.1 52.9 43.7 50

7.2 4.1 7.7 3.5 6.8 8.7 8.5

83 140 73 232 210 91 143

RAD. [W/m2] 422.9 582.3 422.2 719.9 714.9 441.3 640.1

Tabla 7. Datos promedios diarios para ángulo 6.5° DIA

Ti (°C)

Te (°C)

Ta (°C)

ΔT(Ta-Ti)(°C)

Vd (cm3)

6/5/2008 6/7/2008 6/10/2008 6/11/2008 6/12/2008 6/13/2008

46.7 34.1 38.9 44.6 46.9 47.1

42.4 35.1 37.5 43.9 43 41.1

47.7 41.8 48.3 49 56.9 53.8

1 7.7 9.4 4.4 10 6.7

181 76 122 177 213 192

58

RAD. [W/m2] 742 382.2 572.9 697 746 687.9

De las tablas 5-7 se calcularon promedios de ΔT y Vd (Tabla 3) para observar la correlación entre estas variables (figura 25).

Tabla 8. Promedios de ΔT y Vd Inclinación

ΔTprom(Ta-Ti)(°C)

Vd (cm3)

0°

5.3

126.3

4.5°

6.4

138.8

6.5°

6.5

160.1

Figura 25. ΔT vs Vd para cada inclinación

Vd (Cm3)

ΔT vs Vd 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 5,3

6,4

6,5

ΔT (°C)

La figura 25 muestra como el volumen de agua destilada es mayor a medida que la diferencia de temperaturas (Ta-Ti) aumenta.

59

Tabla 9. Promedios Ti, Te, Ta y ηprom para cada ángulo (figura 26 y 27). inclinación

Ti

Te

Ta

ηprom

0°

40.6 36.3 45.9

31.52

4.5°

40.6 37.8 47.2

34.61

6.5°

43

40.5 49.5

35.25

Figura 26. Eficiencia promedio respecto a la inclinación

ηprom Vs Inclinacion y = -1,225x2 + 6,765x + 25,98

36 35

Eficiencia

34 33 ηprom

32

Polinómica (ηprom) 31 30 29 0°

4.5°

6.5°

En la tabla 9 y figura 26 se observa como aumenta la eficiencia térmica aumenta a medida que se varia el ángulo de la caseta

60

Figura 27. Cambios de temperaturas respecto a la inclinación

Ti, Ta vs Inclinacion

60 50 Ti, Ta

40 30

Ti

20

Ta

10 0 0°

4.5°

6.5°

La figura 27 permite observar que la temperatura del agua siempre es mayor que la temperatura interna del vidrio, sin importar la inclinación.

Tabla 10. Promedios de cada valor por hora, para ángulo 0° (figura 28) HORA

Ti (°C)

Te (°C)

Ta (°C)

Vd (cm3)

RAD PROMEDIO (w/m2)

9:20

31.3

28

27.5

0

562.8

10:20

42.7

38.4

46

10.1

639.2

11:20

45.1

40.1

51

34

581.1

12:20

43.4

39.9

51.2

36.5

577

1:20

42.4

38.7

48.8

32.6

602

2:20

37.5

34.8

43.5

22.8

403

3:00

30.7

29.4

36

10.6

48

61

Tabla 11. Promedios de cada valor por hora, para ángulo 4.5° (figura 29) HORA 9:20

Ti (°C) 27.7

Te (°C) 25.4

Ta (°C) 27.4

Vd (cm3) 0

RAD PROMEDIO (w/m2) 548.7

10:20

39.8

35.7

41.9

6.7

591.6

11:20

47.4

46.4

54.5

35

687.1

12:20

46.5

44.1

55.7

42.4

628.8

1:20

39.4

37.4

48.3

32.4

446.6

2:20

34.1

32.7

42

22.2

376.9

3:00

28.2

29.3

35.8

10

553.3

Tabla 12. Promedios de cada valor por hora, para ángulo 6.5° (figura 30) HORA 9:20

Ti (°C) 27.3

Te (°C) 26.8

Ta (°C) 24.5

10:20

39.5

36.5

42.7

7

605.4

11:20

48.9

46.8

55.6

37.8

694.3

12:20

47.7

46.2

56.8

41.6

667.2

1:20

44.1

42.5

52.7

35.6

677.3

2:20

40.4

38.7

47.6

38

507.2

3:00

31.8

32

40.8

12.1

34.3

62

Vd (cm3) 0

RAD PROMEDIO (w/m2) 584.2

Figura 28. Inclinación 0°

Vd

Hora Vs Vd 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Vd

9:20

10:20

11:20

12:20

1:20

2:20

3:00

HORA

Figura 29. Inclinación 4.5°

Vd (cm3)

Hora Vs Vd 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Vd

9:20

10:20

11:20

12:20

1:20

HORA

63

2:20

3:00

Figura 30. Inclinación 6.5°

Hora Vs Vd 50 Vd (cm3)

40 30 20 Vd

10 0 9:20

10:20

11:20

12:20

1:20

2:20

3:00

HORA

De las figuras 28-30 es claro apreciar que el mayor volumen destilado ocurre a las 12:20 p.m.

8.2 ANALISIS DEL AGUA La primera prueba muestra que el agua está libre de coliformes y E. coli, luego es apta para el consumo humano, ya que presenta cero en ambos parámetros, a diferencia de la segunda que con el hecho de tener 2 coliformes totales no es recomendable su utilidad para el consumo humano. Tabla 13. Resultados del amb. PARAMETRO

CRUDA

PRUEBA 1

PRUEBA 2

4200

0

2

1300

0

0

RECUENTO DE COLIFORMES TOTALES E. COLI

64

CONCLUSIONES

• Se construyó un prototipo de destilador solar que permite variar el ángulo de la

caseta entre 0° y 15°, además de facilitar la insta lación de termocuplas para medir las temperaturas del agua, del aire y del vidrio dentro del equipo. (Ver Anexo F y figura 19) • Las pruebas realizadas al prototipo muestran que a medida que se vario el

ángulo de la caseta, la eficiencia térmica en el destilador solar aumentaba. (Ver figura 25) • El proceso de destilación depende de la cantidad de energía almacenada

dentro del prototipo y no de la radiación solar instantánea que llegue al equipo, esto se demuestra mediante la generación de destilado en los periodos de tiempo durante los cuales el sistema estuvo en la sombra. (Ver Anexo B) • La cantidad de destilado y la eficiencia del equipo depende principalmente de

las diferencias de temperatura que se logren obtener entre el agua y la superficie interna del vidrio, teniendo un comportamiento directamente proporcional entre estas. (Ver figura 24) • La destilación solar es un método aceptable para la desinfección microbiológica

del agua proveniente de afluentes naturales como ríos, quebradas, lagos, e.t.c; sin alcanzar siempre los requerimientos exigidos por el decreto No. 475 de 1998 sobre normas técnicas de calidad del agua potable. • El prototipo construido permite inferir una cantidad máxima de destilado de

2.3l/m2 en las cinco horas de pruebas, este valor concuerda con la literatura

65

• encontrada, donde los valores oscilan entre 1 y 4litros/m2 durante un día. La

cantidad de destilado puede ser mayor si se aprovecha las doce horas diarias donde existe radiación.(Anexo x). • Para validar algunos resultados del destilador solar se tuvo en cuenta estudios

de, soliclima energía solar y centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES).

66

BIBLIOGRAFIA

[1] INCORPERA, Frank P. Fundamentos de transferencia de calor. Mexico, Prentice Hall, 1999.

[2] MENDEZ, javier maria. Energia solar fotovoltaica, Capitulo 1, pagina 37-42, Fundacion Confemetal.

[3] ROMERO Jairo alberto. Calidad del agua, paginas 107-114, 337-343, Bogota : Escuela Colombiana de Ingenieria, 2005.

[4] FRANSON Mary ann h. Metodos normalizados para el analisis de aguas potables y residuales.

[5] DONALD R. Pitts Teoria y problemas de transferencia de calor. MacGraw-Hill.

[6] Technbology for solar energy utilization, paginas 121. New york : 1978.

[7] INCONTEC. Tesis y otros trabajos de grado.

[8] APROTEC. [Online] www.aprotec.com.co/pages/solar_term_html. 67

[9] WIKIPEDIA. [Online] es.wikipedia.org/wiki/cocina_solar.

[10] SOLOICLIMA.[Online]news.soliclima.com/?seccio=noticiesprof&accio=veure& id=131.

[11] CUBASOLAR. [Online] www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia16/html/ articulo03.htm

[12] WIKIPEDIA. [ONLINE] es.wikipedia.org/wiki/Coliforme

[13] IDEAM. [Online] www.ideam.gov.co/radiacion.htm.

[14] SOLARPEDIA. [Online] www.solarpedia.es/index.php/Piranómetro

68

ANEXOS

69

Anexo A. Tablas de la radiación solar en el periodo de pruebas (W/m2)

HORA FECHA 14-may-08 15-may-08 16-may-08 17-may-08 19-may-08 20-may-08 21-may-08 23-may-08 28-may-08 30-may-08 31-may-08 03-jun-08 04-jun-08 05-jun-08 07-jun-08 10-jun-08 11-jun-08 12-jun-08 13-jun-08

9:20 695 703 410 624 225 720 566 350 376 692 703 426 728 803 397 460 780 705 360

9:25 698 712 483 438 232 851 584 359 380 694 664 431 738 839 382 416 785 719 380

9:30 759 727 768 549 258 892 576 397 303 688 724 420 746 930 414 480 800 728 415

9:35 791 740 767 318 265 847 580 403 410 722 745 417 757 509 378 520 784 740 400

9:40 800 762 755 446 271 933 612 405 391 742 736 408 763 426 382 465 785 744 477

9:45 809 774 765 263 316 527 585 421 467 766 750 420 797 510 368 507 792 757 468

9:50 821 781 772 319 403 792 622 467 330 782 799 402 776 706 390 514 803 770 472

9:55 833 764 783 343 424 931 613 467 310 865 761 403 805 666 367 524 810 777 488

10:00 848 771 779 363 876 685 577 469 365 873 696 408 822 456 508 515 824 788 505

10:05 859 806 796 308 836 313 510 505 349 887 761 412 838 548 512 330 835 795 526

10:10 866 834 799 262 394 514 524 543 359 613 732 413 856 784 393 228 850 807 627

10:15 866 854 802 242 447 503 592 581 345 807 746 413 854 950 359 268 859 812 694

HORA FECHA 10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 14-may-08 880 896 908 915 916 906 927 948 939 930 955 955 15-may-08 841 861 885 896 873 892 847 926 923 978 995 190 16-may-08 784 786 820 856 832 875 946 1014 520 976 520 401 17-may-08 257 179 200 153 172 143 111 142 142 138 155 103 19-may-08 432 1075 538 694 480 473 387 354 374 312 302 311 20-may-08 343 385 390 313 275 270 520 175 179 297 270 287 21-may-08 620 646 636 410 567 572 572 581 563 508 505 448 23-may-08 591 598 577 599 603 566 549 581 600 614 650 656 28-may-08 401 428 488 414 385 419 400 444 1082 451 458 611 30-may-08 829 857 916 899 903 896 954 958 988 940 950 780 31-may-08 794 842 885 861 839 826 809 814 843 855 829 825 03-jun-08 468 514 385 365 407 485 302 427 372 358 572 589 04-jun-08 801 863 859 877 894 939 1068 1053 1112 1090 860 443 05-jun-08 929 458 446 428 426 513 502 514 503 492 488 474 07-jun-08 439 342 376 535 643 575 699 735 809 723 837 822 10-jun-08 221 317 415 681 718 703 765 784 871 889 720 726 11-jun-08 876 894 899 910 925 932 938 939 962 982 1016 460 12-jun-08 823 827 834 840 842 861 868 892 842 835 729 247 13-jun-08 710 740 727 706 744 722 759 793 840 358 777 823

70

HORA FECHA

11:20 11:25 11:30 11:35 11:40 11:45 11:50 14-may-08 975 959 971 975 1013 991 463 15-may-08 992 947 226 1046 1053 356 1133 16-may-08 813 798 896 634 319 301 519 17-may-08 151 0 0 0 0 0 0 19-may-08 304 299 287 228 162 149 154 20-may-08 301 428 334 460 320 231 252 21-may-08 389 367 231 122 160 259 380 23-may-08 653 698 719 782 824 886 1041 28-may-08 780 519 602 535 714 563 672 30-may-08 999 1023 278 345 1005 997 1033 31-may-08 848 856 772 814 838 813 748 03-jun-08 622 425 374 673 662 569 320 04-jun-08 1138 1078 261 826 1152 372 1236 05-jun-08 477 491 509 1083 1118 1034 978 07-jun-08 578 500 663 662 212 201 188 10-jun-08 726 690 726 720 640 756 660 11-jun-08 441 1120 1108 1041 1124 501 790 12-jun-08 540 257 244 267 322 281 1063 13-jun-08 837 854 765 719 693 694 720

11:55 823 316 780 0 210 216 296 1083 472 1057 815 298 826 973 146 645 643 1046 835

12:00 1008 413 1121 0 266 119 367 1116 485 625 853 356 546 979 183 647 196 1010 838

12:05 12:10 12:15 992 976 973 365 344 319 1030 930 1030 0 0 0 336 379 530 229 289 264 278 367 444 1040 438 1124 356 379 441 1220 693 418 850 863 916 455 388 393 377 396 406 977 975 945 641 213 131 598 601 557 210 211 200 1056 1074 1035 866 828 794

HORA FECHA

12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:00 13:05 13:10 13:15 14-may-08 1012 1038 1001 990 934 912 955 930 945 918 906 881 15-may-08 273 331 597 675 278 983 990 331 213 777 165 126 16-may-08 1128 741 446 989 338 331 394 820 1152 1122 276 396 17-may-08 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19-may-08 741 800 750 790 822 780 793 771 419 646 474 660 20-may-08 283 154 260 374 450 227 250 112 108 121 96 116 21-may-08 469 555 548 261 268 182 151 157 196 320 276 164 23-may-08 767 753 677 607 611 456 605 574 423 632 667 368 28-may-08 589 525 435 364 299 270 260 272 256 235 218 272 30-may-08 346 346 351 558 329 305 249 382 391 373 302 1104 31-may-08 949 914 870 706 1032 1063 1079 413 420 468 207 150 03-jun-08 367 525 454 396 727 738 745 694 274 223 228 251 04-jun-08 349 313 273 219 227 253 410 378 379 314 340 450 05-jun-08 940 928 896 920 923 938 936 975 943 919 335 897 07-jun-08 135 63 70 117 98 217 116 172 673 808 271 261 10-jun-08 520 525 594 664 687 717 796 547 581 623 714 595 11-jun-08 221 253 339 401 631 723 1166 295 534 1185 1154 268 12-jun-08 1004 1022 998 903 977 997 1010 226 817 946 940 938 13-jun-08 774 383 849 816 760 785 877 884 854 897 917 911

71

HORA FECHA

13:20 13:25 13:30 13:35 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14-may-08 833 874 298 340 262 192 300 185 782 450 446 360 372 15-may-08 877 205 229 438 2261 286 252 208 266 210 179 178 165 16-may-08 682 979 285 427 551 734 540 557 242 1008 259 500 378 17-may-08 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19-may-08 616 534 538 420 396 409 401 404 376 364 422 360 359 20-may-08 330 251 200 193 113 124 128 79 74 76 93 78 69 21-may-08 116 147 163 208 249 269 269 265 246 240 226 203 201 23-may-08 304 225 160 790 367 883 198 687 410 177 138 207 207 28-may-08 484 568 367 361 302 266 243 239 259 331 363 405 312 30-may-08 1006 946 448 874 844 344 988 906 923 780 313 927 240 31-may-08 181 128 159 197 227 252 252 239 239 246 277 292 306 03-jun-08 415 341 428 369 536 597 378 334 325 597 460 435 500 04-jun-08 382 338 241 222 229 236 306 226 227 215 276 222 225 05-jun-08 620 977 320 1026 925 1043 304 272 1055 740 485 197 120 07-jun-08 333 115 85 182 220 268 190 180 154 153 87 159 205 10-jun-08 530 432 490 605 630 647 521 501 361 420 470 572 630 11-jun-08 387 650 404 352 681 1000 266 233 336 124 248 278 208 12-jun-08 955 940 959 941 178 190 210 183 217 224 145 174 184 13-jun-08 869 860 857 886 866 839 808 792 814 793 798 795 785

72

Anexo B. Tablas de temperatura y volumen de agua destilada diaria.

Mayo 14 de 2008 – Angulo 0° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

Ta (°C)

9:20

36

32

27

9:40

45

38

41

10:00

48

47

50

10:20

53

47

58

10:40

57

51

60

11:00

58

52

62

11:20

58

54

63

11:40

58

52

62

12:00

55

49

59

12:20

56

51

59

12:40

56

50

59

13:00

59

51

59

13:20

57

48

58

13:40

50

46

54

14:00

43

41

47

14:20

44 Ta promedio: 53.9°C

40 Vd: 168 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

38

35

42

3:00

36

33

40

Vd: 15cm3

73

45

Mayo 15 de 2008 – Angulo 0° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

38

34

33

9:40

47

42

48

10:00

51

46

56

10:20

52

51

62

10:40

54

47

65

11:00

54

53

66

11:20

54

49

65

11:40

51

44

61

12:00

46

45

58

12:20

41

41

53

12:40

38

35

49

13:00

39

38

49

13:20

36

35

46

13:40

34

34

43

14:00

32

33

42

14:20

31

27

40

Ta promedio: 52.6°C

Ta (°C)

Vd: 188 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

29

27

37

3:00

29

26

35

Vd: 8cm3

74

Mayo 16 de 2008 – Angulo 0°

HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

27

27

27

9:40

38

35

39

10:00

45

43

56

10:20

50

49

59

10:40

53

45

63

11:00

54

42

65

11:20

51

46

62

11:40

52

46

62

12:00

45

37

56

12:20

51

45

59

12:40

47

43

58

13:00

43

39

54

13:20

41

36

52

13:40

43

35

50

14:00

41

34

49

14:20

39

34

47

Ta promedio: 53.6°C

Ta (°C)

Vd: 210 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

32

33

42

3:00

28

28

38

Vd: 10cm3

75

Mayo 17 de 2008 – Angulo 0°

HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

31

22

26

9:40

36

30

35

10:00

34

24

38

10:20

33

23

39

10:40

30

21

35

11:00

29

20

34

11:20

27

20

34

Ta promedio: 34.4°C

76

Vd:10cm3

Ta (°C)

Mayo 19 de 2008 – Angulo 0° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

23

23

25

9:40

26

25

27

10:00

34

31

34

10:20

37

36

43

10:40

42

40

49

11:00

41

40

48

11:20

37

37

46

11:40

33

34

42

12:00

29

31

40

12:20

28

29

38

12:40

40

39

46

13:00

43

40

49

13:20

43

41

50

13:40

41

41

49

14:00

38

39

47

14:20

39

36

45

Ta promedio: 42.4°C

Ta (°C)

Vd: 100 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

31

32

39

3:00

29

30

37

Vd: 14cm3

77

Mayo 21 de 2008 – Angulo 0° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

33

30

27

9:40

46

40

42

10:00

49

44

51

10:20

45

41

51

10:40

41

38

47

11:00

38

36

44

11:20

34

31

41

11:40

38

33

41

12:00

35

32

40

12:20

33

30

38

12:40

33

30

36

13:00

31

28

35

13:20

30

28

32

13:40

30

28

33

14:00

29

28

31

14:20

29

27

31

Ta promedio: 38.7°C

Ta (°C)

Vd: 85 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

28

26

30

3:00

27

24

29

Vd: 6cm3

78

Mayo 22 de 2008 – Angulo 4.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

24

25

26

9:40

36

34

38

10:00

43

36

48

10:20

44

39

50

10:40

44

38

51

11:00

45

38

52

11:20

42

38

50

11:40

37

34

46

12:00

36

33

44

12:20

35

34

44

12:40

34

33

45

13:00

31

30

41

13:20

30

29

38

13:40

28

27

37

14:00

29

28

37

14:20

30

29

37

Ta promedio: 42.7°C

Ta (°C)

Vd: 83 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

28

27

35

3:00

27

27

32

Vd: 6cm3

79

Mayo 23 de 2008 – Angulo 4.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

24

18

24

9:40

31

26

29

10:00

35

31

34

10:20

41

36

41

10:40

44

39

46

11:00

44

39

50

11:20

47

41

52

11:40

49

44

54

12:00

49

47

58

12:20

52

48

60

12:40

50

45

58

13:00

47

41

55

13:20

43

37

51

13:40

42

36

45

14:00

44

35

44

14:20

38

31

43

Ta promedio: 46.6°C

Ta (°C)

Vd: 140 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

32

28

39

3:00

30

26

37

Vd: 13cm3

80

Mayo 28 de 2008 – Angulo 4.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

23

24

21

9:40

26

27

27

10:00

29

30

33

10:20

31

31

36

10:40

34

34

40

11:00

39

38

43

11:20

42

38

48

11:40

39

40

48

12:00

40

41

50

12:20

37

39

49

12:40

36

37

45

13:00

33

34

43

13:20

26

29

40

13:40

27

29

39

14:00

27

29

37

14:20

24

26

36

Ta promedio: 39.7°C

Ta (°C)

Vd: 73 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

23

26

34

3:00

22

24

31

Vd: 12cm3

81

Mayo 30 de 2008 – Angulo 4.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

33

27

26

9:40

44

35

43

10:00

52

42

53

10:20

56

47

58

10:40

59

51

63

11:00

60

52

66

11:20

62

53

68

11:40

61

52

67

12:00

60

51

66

12:20

55

47

63

12:40

49

41

55

13:00

45

37

51

13:20

47

38

50

13:40

48

40

52

14:00

48

38

51

14:20

47

37

50

Ta promedio: 55.1°C

Ta (°C)

Vd: 232 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

39

34

44

3:00

34

30

39

Vd: 10cm3

82

Mayo 31 de 2008 – Angulo 4.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

29

28

28

9:40

42

37

41

10:00

45

41

51

10:20

49

46

56

10:40

53

49

60

11:00

54

50

62

11:20

55

50

62

11:40

54

51

63

12:00

54

50

63

12:20

56

51

63

12:40

54

52

62

13:00

52

50

51

13:20

42

42

52

13:40

35

36

46

14:00

33

34

43

14:20

32

34

41

Ta promedio: 52.9°C

Ta (°C)

Vd: 210 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

30

32

38

3:00

29

28

36

Vd: 15cm3

83

Junio 03 de 2008 – Angulo 4.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

28

26

29

9:40

31

29

34

10:00

34

31

39

10:20

35

34

31

10:40

36

35

44

11:00

36

37

45

11:20

42

38

49

11:40

41

41

51

12:00

38

39

49

12:20

36

37

48

12:40

38

38

49

13:00

40

38

50

13:20

30

30

44

13:40

31

31

43

14:00

33

33

43

14:20

31

32

40

Ta promedio: 43.7°C

Ta (°C)

Vd: 91 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

28

29

36

3:00

25

27

34

Vd: 8cm3

84

Junio 04 de 2008 – Angulo 4.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

33

30

38

9:40

38

34

36

10:00

44

38

46

10:20

50

46

56

10:40

50

50

62

11:00

54

53

66

11:20

55

56

67

11:40

53

53

65

12:00

52

51

63

12:20

44

44

57

12:40

35

38

47

13:00

33

34

45

13:20

34

33

44

13:40

31

34

42

14:00

30

30

41

14:20

29

38

36

Ta promedio: 50°C

Ta (°C)

Vd: 143 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

26

27

35

3:00

27

24

32

Vd: 6cm3

85

Junio 05 de 2008 – Angulo 6.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

28

28

15

9:40

36

32

29

10:00

42

36

40

10:20

48

44

47

10:40

46

43

49

11:00

47

43

49

11:20

47

43

49

11:40

51

47

53

12:00

56

50

59

12:20

57

53

61

12:40

55

49

60

13:00

52

47

56

13:20

46

41

52

13:40

47

41

49

14:00

47

42

49

14:20

43

40

47

Ta promedio: 47.7°C

Ta (°C)

Vd: 181 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

2:40

35

34

39

3:00

32

31

35

Vd: 12cm3

86

Junio 07 de 2008 – Angulo 6.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

Ta (°C)

9:20

24

27

27

27

9:40

29

30

32

34

10:00

35

34

38

39

10:20

39

36

43

42

10:40

41

38

36

47

11:00

44

43

51

50

11:20

48

46

55

56

11:40

43

43

55

53

12:00

36

39

48

45

12:20

33

36

44

41

12:40

29

33

40

36

13:00

30

32

37

37

13:20

32

33

40

29

13:40

29

32

39

27

14:00

28

31

38

35

14:20

27

30

36

33

Ta promedio: 41.8°C

Tia(°C)

Vd: 76cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

Tiv (°C)

2:40

24

26

34

31

3:00

22

24

31

30

Vd: 4cm3

87

Junio 10 de 2008 – Angulo 6.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

27

26

21

21

9:40

30

28

34

39

10:00

31

30

40

43

10:20

31

31

40

41

10:40

35

34

44

47

11:00

41

40

52

54

11:20

44

42

57

58

11:40

46

43

57

58

12:00

45

43

57

56

12:20

44

43

56

56

12:40

44

43

55

56

13:00

45

42

55

56

13:20

42

41

54

54

13:40

41

40

52

53

14:00

39

38

51

50

14:20

38

37

48

49

Ta promedio: 48.3°C

Ta (°C)

Tia(°C)

Vd: 122cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

Tiv (°C)

2:40

31

33

38

39

3:00

28

29

34

35

Vd: 9cm3

88

Junio 11 de 2008 – Angulo 6.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

29

30

27

39

9:40

38

36

37

49

10:00

48

45

50

59

10:20

50

51

56

65

10:40

55

54

61

68

11:00

56

55

62

68

11:20

53

52

60

62

11:40

58

56

64

69

12:00

47

48

56

57

12:20

37

39

45

65

12:40

35

37

42

64

13:00

40

41

46

50

13:20

41

42

47

50

13:40

40

41

45

48

14:00

41

40

45

48

14:20

47

36

41

43

Ta promedio: 49°C

Ta (°C)

Tia(°C)

Vd: 177 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

Tiv (°C)

2:40

35

34

35

34

3:00

29

30

34

31

Vd: 11cm3

89

Junio 12 de 2008 – Angulo 6.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

30

23

32

40

9:40

42

25

47

52

10:00

48

44

57

60

10:20

53

50

62

64

10:40

54

52

66

68

11:00

57

55

68

69

11:20

52

50

64

64

11:40

43

42

55

52

12:00

49

46

60

59

12:20

51

47

63

61

12:40

53

48

62

65

13:00

51

46

60

60

13:20

51

46

61

60

13:40

47

43

58

54

14:00

37

38

48

45

14:20

33

34

43

40

Ta promedio: 56.9°C

Ta (°C)

Tia(°C)

Vd: 213 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

Tiv (°C)

2:40

31

32

40

39

3:00

30

32

39

37

Vd: 11cm3

90

Junio 13 de 2008 – Angulo 6.5° HORA

Ti (°C)

Te (°C)

9:20

26

27

25

28

9:40

31

30

31

32

10:00

37

35

39

40

10:20

44

41

48

50

10:40

50

48

55

56

11:00

55

52

61

62

11:20

56

53

63

63

11:40

52

52

63

62

12:00

54

52

63

62

12:20

57

53

64

63

12:40

49

49

61

59

13:00

49

48

61

60

13:20

50

48

60

59

13:40

50

48

59

59

14:00

48

43

57

57

14:20

46

44

52

54

Ta promedio: 53.8°C

Ta (°C)

Tia(°C)

Vd: 192 cm3

SOMBRA HORA

Ti (˚C)

Te (˚C)

Ta (˚C)

Tiv (°C)

2:40

44

41

48

45

3:00

41

38

43

42

Vd: 20cm3

91

Anexo C. Graficas del comportamiento de la radiación solar diaria.

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 14 de mayo de 2008 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

14-May-08

10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 15 de mayo de 2008 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

15-May-08

10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

92

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 16 de mayo de 2008 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

16-May-08

10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 17 de mayo de 2008 400 350 300 250 200 150

17-May-08

100 50 0 10:20

11:20

12:20

HORAS

93

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 19 de mayo de 2008 800 700 600 500 400 300

19-May-08

200 100 0 10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

Radiacion solar Irradiada el 21 de mayo de 2008 RADIACION INCIDENTE W!m2

800 700 600 500 400 300

21-May-08

200 100 0 10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

94

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 22 de mayo de 2008 700 600 500 400 300 22-May-08

200 100 0 10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 23 de mayo de 2008 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

23-May-08

10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

95

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 28 de mayo de 2008 600 500 400 300 200

28-May-08

100 0 10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 30 de mayo de 2008 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

30-May-08

10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

.

96

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 31 de mayo de 2008 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

31-May-08

10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 3 de Junio de 2008 480 470 460 450 440 430 420 410 400 390

3-Jun-08

10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

97

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 4 de Junio de 2008 1000 800 600 400 4-Jun-08 200 0 10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 5 de Junio de 2008 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

5-Jun-08

10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

98

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 7 de Junio de 2008 700 600 500 400 300 7-Jun-08

200 100 0 10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 10 de Junio de 2008 800 700 600 500 400 300

10-Jun-08

200 100 0 10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

99

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 11 de Junio de 2008 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

11-Jun-08

10:20

11:20

12:20

13:20

14:20

HORAS

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 12 de Junio de 2008 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

12-Jun-08

10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

100

14:20

RADIACION INCIDENTE W/m2

Radiacion solar Irradiada el 13 de Junio de 2008 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

13-Jun-08

10:20

11:20

12:20

13:20

HORAS

101

14:20

ANEXO D. Radiación solar en el área metropolitana de Bucaramanga.

102

Anexo E. Planos del destilador

103

Anexo F. Planos de la estructura

104

Anexo G. Conjunto solid edge

105

Anexo H. Proceso de condensación por goteo en el vidrio (en sol)

106

Anexo I. Proceso de condensación por goteo en el vidrio (en sombra)

107

Anexo J. Vista trasera del destilador

108

Anexo K. Vista frontal del destilador solar

109

Anexo L. Interior del destilador solar

110

Anexo M. Guía de laboratorio del destilador

1. Introducción

3) Analizar las posibles pérdidas, por transferencia de calor. 4) Establecer un diagrama con los flujos de calor presentes en el destilador solar.

La tecnología de destilación solar reduce la problematica que existe entre las actuales condiciones de agua de muchos lugares del mundo y los sistemas centralizados de purificación de agua que se planean para el futuro. En muchas regiones del país donde hay mínimas posibilidades de establecer cualquier tipo de sistema centralizado para el tratamiento de agua, los destiladores proporcionan una solución inmediata, barata y sencilla para la obtención de agua limpia y buena para el consumo humano.

3. Fundamento Para el caso de la destilación solar, el sol representa el único requerimiento de energía en este proceso. Un destilador consiste en una superficie cubierta con un material trasparente y expuesta a los rayos del sol, el agua sufre un calentamiento debido a que la radiación solar que atraviesa la cubierta no es reirradiada, completamente, hacia el exterior, a que los materiales tienen la capacidad de absorber la radiación y a que la cubierta solo permite la salida parcial de la radiación.

La tecnología solar trae beneficios inmediatos a los usuarios evitándoles problemas de salud, defectos de nacimiento, muertes causadas por enfermedades transmitidas por el agua. Los destiladores incluso reducen las posibilidades de dolores e incomodidades debido a problemas de salud causados por agua contaminada. Esto a su vez, ayuda a la población a ser más activa y tener una vida más productiva. Además los destiladores pueden usarse en cualquier lugar donde brille el sol.

El factor más importante que afecta ala producción es la intensidad y cantidad de energía solar que llega al destilador. La producción de agua destilada (medida en kg/m2 día)es la cantidad de energía utilizada en vaporizar el agua en el destilador (Joules/m2 día), dividida por el calor latente de vaporización del agua (J/Kg). La eficiencia del destilador es entonces la cantidad de energía utilizada para vaporizar el agua en el destilador dividido entre la cantidad de energía incidente en el destilador (J/m2 día).

2. Objetivos de la guía 2.1 Objetivo general Comprender el funcionamiento de un destilador de simple efecto. 2.2 Objetivos específicos 1) Entender de manera general el fenómeno físico de la destilación solar. 2) Calcular el rendimiento de agua destilada por unidad de área de incidencia de la radiación solar.

4. Materiales • Destilador solar • Pyranometro 111

• Multimetro • Termocuplas • Probeta de 100ml 5. Metodología 1. Alimentar el destilador. 2. Medir con el Pyranometro la radiación incidente en el lapso de la destilación. 3. Medir la cantidad de agua recolectada por unidad de tiempo. 4. Con el dato anterior y con el calor latente de vaporización del agua calcular la energía utilizada para destilar dicha agua. 5. Determinar la eficiencia del destilador solar mediante los datos obtenidos con el Piranómetro y con la energía utilizada para destilar el agua. 6. Determinar las posibles pérdidas, por transferencia de calor en el destilador solar.

6. Bibliografía [1] DONALD R. Pitts Teoría y problemas de transferencia de calor. MacGraw-Hill. [2] INCORPERA, Frank P. Fundamentos de transferencia de calor. México, Prentice Hall, 1999 [3] Technology for solar energy utilization, paginas 121. New York: 1978.

112