Universidad Católica de Santa María Facultad de Ciencias e Ingenierías Físicas y Formales Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS DE DESTILADOR SOLAR DE DOBLE VERTIENTE ACOPLADO A COLECTOR SOLAR DE PLACA PLANA, COMO ALTERNATIVA DE OBTENCIÓN DE AGUA PURA A BASE DE ENERGÍA RENOVABLE, APLICADO A LA POBLACIÓN RURAL DEL DISTRITO DE MAJES. Tesis presentada por el Bachiller: Cutipa Coaquira, Harold Mateo Para optar el Título Profesional de Ingeniero Mecánico Electricista Asesor: MSc. Sierra Vásquez, Julio Raúl Arequipa – Perú 2023 DEDICATORIA Con amor para mi madre Elena Coaquira Orihuela y mi padre Mateo Cutipa Cabana, por su apoyo y compañía incondicional. Para mis hermanos Gaby y Gino. Y para mis familiares y amigos. Para todos aquellos que compartimos la pasión por la Ingeniería Mecánica-Eléctrica, en especial a aquellos que se ocupan del desarrollo e investigación de las Energías Renovables. i AGRADECIMIENTOS Ante todo, agradezco a Dios todopoderoso, por darme la oportunidad de ver su magnífica creación, por darme salud, una familia y una profesión. A mis familiares Jorge Valdivia, Rosario Coaquira y Lucila Coaquira por su apoyo y compañía para realizar este proyecto. ii RESUMEN El Distrito de Majes es uno de los veinte distritos que conforman la provincia de Caylloma en el departamento de Arequipa. Según el censo nacional del año 2017 la población de este distrito era de 60 108 habitantes, actualmente se estima que la población está cerca de los 100 000 habitantes (año 2021), con una tasa de crecimiento anual de 10.7%, y según las proyecciones realizadas se estima que dentro de los próximos años llegaría a los 120 000 habitantes. El presente trabajo presenta una alternativa a la escasez de agua potable en la población rural del Distrito de Majes. Para ello se diseñó, construyó y analizó un prototipo de destilador solar de doble vertiente, el cual puede operar sin colector, con un colector o con dos colectores solares. Para el diseño se presentó y analizó el modelo térmico-matemático que describe el comportamiento de este dispositivo, notándose que la producción y eficiencia dependen fuertemente de la profundidad (masa), temperatura del agua contaminada y del área de evaporación. Así mismo se observó que el número de colectores solares utilizados mejora la producción hasta cierto límite. Para la construcción de este dispositivo se utilizó acero inoxidable para la bandeja de evaporación y para las canaletas de recolección de agua pura, la cubierta de condensación fue de vidrio, y en los demás componentes se utilizó acero galvanizado, acero al carbono y aislamiento lana de vidrio. La etapa experimental tuvo lugar en la zona rural conocida como “Hijos de Colonos” en el mes de Junio del presente año. Las mediciones se realizaron a dos profundidades diferentes iii de agua contaminada (2cm y 4cm), se observó que la mínima producción fue de 6.16 L/día sin colector solar y la máxima producción fue de 10.20 L/día con dos colectores solares. Además se determinó que el costo de este sistema fue de S/. 4358.23 (con 1 solo colector), y el costo de agua destilada producida por día fue de 0.090 soles/litro. Además se observó que el retorno de la inversión para este sistema fue de 1.2 años (para una vida útil de 15 años). Palabras claves: Radiación solar, destilación solar, agua contaminada, agua destilada, población rural, población en crecimiento. iv ABSTRACT The District of Majes is one of the twenty districts that make up the province of Caylloma in the department of Arequipa. According to the national census of the year 2017, the population of this district was 60,108 inhabitants, currently it is estimated that the population is close to 100,000 inhabitants (year 2021), with an annual growth rate of 10.7%, and according to the projections made, it is estimated that within the next few years it would reach 120,000 inhabitants. This work presents an alternative to the scarcity of drinking water in the rural population of the District of Majes. For this, a prototype of a double-sided solar still was designed, built and analyzed, which can operate without a collector, with one collector or with two solar collectors. For the design, the thermal-mathematical model that describes the behavior of this device was presented and analyzed, noting that the production and efficiency strongly depend on the depth (mass), temperature of the contaminated water and the area of evaporation. Likewise, it was observed that the number of solar collectors used improves production up to a certain limit. For the construction of this device, stainless steel was used for the evaporation tray and for the pure water collection gutters, the condensation cover was made of glass, and galvanized steel, carbon steel, and glass wool insulation were used for the other components. The experimental stage took place in the rural area known as "Hijos de Colonos" in the month of June of this year. The measurements were made at two different depths of contaminated water (2cm and 4cm), it was observed that the minimum production was 6.16 v L/day without a solar collector and the maximum production was 10.20 L/day with two solar collectors. In addition, it was determined that the cost of this system was S/. 4358.23 (with only 1 collector), and the cost of distilled water produced per day was 0.090 soles/liter. In addition, it was observed that the return on investment for this system was 1.2 years (for a useful life of 15 years). Keywords: Solar radiation, solar distillation, contaminated water, distilled water, rural population, growing population. vi ÍNDICE RESUMEN .......................................................................................................................... iii ABSTRACT ........................................................................................................................... v LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... xvi LISTA DE TABLAS ......................................................................................................... xxiv LISTA DE ANEXOS ...................................................................................................... xxviii LISTA DE PLANOS ......................................................................................................... xxix NOMENCLATURA .......................................................................................................... xxxi SIGLAS Y ACRÓNIMOS .............................................................................................. xxxvii INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... xxxviii CAPÍTULO I .......................................................................................................................... 1 1. ASPECTOS GENERALES ................................................................................................ 1 1.1. ANTECEDENTES .......................................................................................................... 1 1.2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA................................................................................. 1 1.3. HIPÓTESIS ..................................................................................................................... 2 1.4. VARIABLES RELACIONADAS .................................................................................... 2 1.4.1. Variables Independientes............................................................................................2 1.4.2. Variables Dependientes ..............................................................................................3 1.5. OBJETIVOS .................................................................................................................... 3 1.5.1. Objetivo General ........................................................................................................3 1.5.2. Objetivos Específicos .................................................................................................3 1.6. ALCANCES .................................................................................................................... 4 1.7. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................ 5 1.7.1. Justificación Social.....................................................................................................5 1.7.2. Justificación Ambiental ..............................................................................................5 CAPÍTULO II ........................................................................................................................ 7 2. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 7 vii 2.1. EL AGUA ....................................................................................................................... 7 2.1.1. AGUA POTABLE .....................................................................................................8 2.1.2. AGUA DESTILADA .................................................................................................9 2.1.3. IMPORTANCIA DEL AGUA Y SU ESCASEZ EN EL MUNDO ........................... 10 2.1.3.1. Estadísticas sobre el Agua .................................................................................. 11 2.1.3.2. Agua y Salud ...................................................................................................... 12 2.1.3.3. Enfermedades por consumo de Aguas Contaminadas .......................................... 12 2.1.3.4. Acceso al Agua................................................................................................... 13 2.1.3.5. Desafíos que Afrontar ......................................................................................... 15 2.1.4. CONSUMO MÍNIMO DE AGUA POTABLE POR HABITANTE .......................... 16 2.2. ENERGÍA SOLAR ........................................................................................................ 17 2.2.1. DEFINICIONES ...................................................................................................... 17 2.2.1.1. El SOL ............................................................................................................... 17 2.2.1.2. ENERGÍA SOLAR ............................................................................................ 18 2.2.1.3. RADIACIÓN SOLAR ........................................................................................ 19 2.2.1.3.1. TIPOS DE RADIACIÓN SOLAR ................................................................ 20 2.2.1.3.2. VARIACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR ............................................... 21 2.2.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ................................................................................ 22 2.2.2.1. SISTEMAS DE ALTA TEMPERATURA .......................................................... 22 2.2.2.1.1. Centrales Tipo Torre ..................................................................................... 22 2.2.2.1.2. Discos Parabólicos ........................................................................................ 23 2.2.2.2. SISTEMAS DE MEDIA TEMPERATURA ....................................................... 23 2.2.2.2.1. Concentradores Cilindro Parabólicos ............................................................ 23 2.2.2.2.2. Concentradores Fresnel ................................................................................. 24 2.2.2.3. SISTEMAS DE BAJA TEMPERATURA .......................................................... 25 2.2.2.3.1. Agua Caliente Sanitaria (ACS)...................................................................... 25 2.2.3. CÁLCULO SOLAR ................................................................................................. 27 viii 2.2.3.1. CÁLCULO DE LA IRRADIACIÓN SOLAR ..................................................... 27 2.2.3.1.1. Ángulo de Declinación Solar (δ) ................................................................... 27 2.2.3.1.2. Ángulo Horario (ωs) ..................................................................................... 28 2.2.3.1.3. Horas Sol Teóricas (Nt) ................................................................................ 29 2.2.3.1.4. Factor de Corrección de la Excentricidad de la Órbita Terrestre (ϵo) ............. 29 2.2.3.1.5. Constante Solar o Irradiancia Solar Total (Gsc) ............................................. 29 2.2.3.1.6. Irradiación Solar Extraterrestre sobre una Superficie Horizontal (Io) ............. 29 2.2.3.1.7. Irradiación Solar Global Terrestre sobre una Superficie Horizontal (I) .......... 30 2.2.3.1.8. Índice de Claridad Horaria (KT) .................................................................... 30 2.2.3.1.9. Irradiación Solar Difusa sobre una Superficie Horizontal (Idif) ..................... 30 2.2.3.1.10. Irradiación Solar Directa sobre una Superficie Horizontal (Idir).................. 31 2.2.3.1.11. Factor para el cambio del Ángulo de Incidencia (Rb) .................................. 31 2.2.3.1.12. Irradiación Solar Directa sobre una Superficie Inclinada (Idir, θ) ................ 32 2.2.3.1.13. Irradiación Solar Difusa sobre una Superficie Inclinada (Idif, θ) .................. 32 2.2.3.1.14. Irradiación solar Reflejada sobre una Superficie Inclinada (Iref, θ) .............. 32 2.2.3.1.15. Irradiación Solar Total sobre una Superficie Inclinada (IT) ......................... 32 2.3. DESTILACIÓN SOLAR ............................................................................................... 33 2.3.1. DEFINICIÓN........................................................................................................... 33 2.3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO .................................................................... 33 2.3.3. CARACTERÍSTICAS ............................................................................................. 34 2.3.3.1. Campo de aplicación .......................................................................................... 34 2.3.3.2. Ventajas ............................................................................................................. 35 2.3.3.3. Limitaciones ....................................................................................................... 35 2.3.4. CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE DESTILADORES SOLARES .............................. 36 2.3.4.1. Destilación Solar Pasiva ..................................................................................... 36 2.3.4.2. Destilación Solar Activa ..................................................................................... 37 2.3.5. DESARROLLO DE LA DESTILACIÓN SOLAR ................................................... 39 ix 2.3.5.1. Desarrollo de la Destilación Solar Pasiva ............................................................ 39 2.3.5.2. Desarrollo de la Destilación Solar Activa............................................................ 43 2.4. MODELO TÉRMICO DEL DESTILADOR SOLAR .................................................... 47 2.4.1. EVALUACIÓN TÉRMICA SOBRE EL COLECTOR SOLAR ............................... 47 2.4.1.1. Colector Solar de Placa Plana (Flat Plate Collector) ............................................ 47 2.4.1.1.1. Partes principales .......................................................................................... 47 2.4.1.2. Balance de Energía en el Colector Solar ............................................................. 48 2.4.1.3. Flujo de Calor Útil (Qútil) .................................................................................. 50 2.4.1.4. Flujo de Calor Perdido (Qpe) .............................................................................. 51 2.4.1.5. Coeficiente de Transferencia de Calor Total (ULC) ............................................. 51 2.4.1.5.1. Coeficiente de transferencia de calor total (Uinf) ........................................... 53 2.4.1.5.2. Coeficiente de transferencia de calor total (Usup) ......................................... 53 2.4.1.5.3. Coeficiente de transferencia de calor total (Ulat) ........................................... 56 2.4.1.6. Eficiencia Térmica del Colector Solar (ηc) ......................................................... 57 2.4.1.7. Eficiencia de la Placa de Absorción (F)............................................................... 57 2.4.1.8. Factor de Eficiencia del Colector (F′) ................................................................. 59 2.4.1.9. Factor de Remoción de Calor (FR) ...................................................................... 60 2.4.1.10. Temperatura del Fluido ..................................................................................... 61 2.4.1.11. Temperatura de Estancamiento ......................................................................... 62 2.4.1.12. Restricciones y Limitaciones ............................................................................ 62 2.4.2. EVALUACIÓN TÉRMICA SOBRE EL ALAMBIQUE SOLAR ............................ 63 2.4.2.1. ALAMBIQUE SOLAR DE DOBLE VERTIENTE ............................................ 63 2.4.2.1.1. Partes Principales .......................................................................................... 63 2.4.2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR INTERNO...................................................... 65 2.4.2.2.1. Transferencia de Calor Interno por Radiación ............................................... 66 2.4.2.2.2. Transferencia de Calor Interno por Convección ............................................. 67 2.4.2.2.3. Transferencia de Calor Interno por Evaporación............................................ 69 x 2.4.2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EXTERNO..................................................... 70 2.4.2.3.1. Transferencia de Calor por la Cubierta Superior ............................................ 70 2.4.2.3.2. Transferencia de Calor por los Lados y Parte Inferior .................................... 73 2.4.2.4. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALORES TOTALES ............... 75 2.4.2.4.1. Coeficiente de transferencia de calor total (Uwo) .......................................... 75 2.4.2.4.2. Coeficiente de transferencia de calor total (Ut) .............................................. 76 2.4.2.4.3. Coeficiente de transferencia de calor total (Ub) ............................................. 76 2.4.2.4.4. Coeficiente de transferencia de calor total (Us) ............................................. 77 2.4.2.4.5. Coeficiente de Transferencia de Calor Total (ULS) ........................................ 77 2.4.2.5. MODELO TÉRMICO Y BALANCE DE ENERGÍA ......................................... 78 2.4.2.5.1. BALANCE DE ENERGÍA SOBRE LA CUBIERTA DE VIDRIO ............... 79 2.4.2.5.2. BALANCE DE ENERGÍA SOBRE LA FUENTE ........................................ 81 2.4.2.5.3. BALANCE DE ENERGÍA SOBRE LA MASA DE AGUA.......................... 81 2.4.2.6. PRODUCCIÓN DE AGUA PURA..................................................................... 84 2.4.2.7. EFICIENCIA TÉRMICA DEL DESTILADOR SOLAR .................................... 85 2.4.2.7.1. Destilador Solar Pasivo ................................................................................. 85 2.4.2.7.2. Destilador Solar Activo ................................................................................. 85 2.4.2.8. RESTRICCIONES Y LIMITACIONES ............................................................. 86 CAPÍTULO III ..................................................................................................................... 87 3. DISEÑO Y COMPORTAMIENTO TEÓRICO ................................................................ 87 3.1. DISEÑO ........................................................................................................................ 87 3.1.1. DISTRITO DE MAJES: Datos Geográficos y Meteorológicos ................................. 87 3.1.2. CRITERIOS PARA EL DISEÑO ............................................................................. 88 3.1.2.1. Dimensiones ....................................................................................................... 88 3.1.2.2. Materiales de Construcción ................................................................................. 89 3.1.2.3. Orientación e Inclinación .................................................................................... 90 3.1.2.4. Profundidad del Agua Contaminada ................................................................... 91 xi 3.1.2.5. Alimentación del Agua Contaminada.................................................................. 91 3.1.2.6. Separación de Agua Pura y Agua Contaminada .................................................. 92 3.1.2.7. Sabor del Agua Destilada ................................................................................... 92 3.1.3. SISTEMA DE DESTILACIÓN SOLAR PROPUESTO ........................................... 92 3.1.4. PARÁMETROS DE DISEÑO.................................................................................. 93 3.1.4.1. Parámetros Generales ......................................................................................... 93 3.1.4.2. Parámetros de Diseño para el Colector Solar....................................................... 94 3.1.4.3. Parámetros de Diseño para el Alambique Solar ................................................... 94 3.2 COMPORTAMIENTO TEÓRICO DEL SISTEMA ....................................................... 95 3.2.1. CÁLCULO DE LA IRRADIACIÓN SOLAR TOTAL ............................................. 95 3.2.1.1- Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Colector Solar .............. 95 3.2.1.2. Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Alambique Solar ........... 97 3.2.2. COMPORTAMIENTO DEL COLECTOR SOLAR ................................................. 99 3.2.3- COMPORTAMIENTO DEL ALAMBIQUE SOLAR ............................................ 106 3.2.3.1. Sin utilizar Colector Solar ................................................................................. 106 3.2.3.2. Utilizando Colector Solar ................................................................................. 116 CAPÍTULO IV ................................................................................................................... 127 4. CONSTRUCCIÓN Y RESULTADOS ........................................................................... 127 4.1. CONSTRUCCIÓN ...................................................................................................... 127 4.1.1. MÉTODO DE CONSTRUCCIÓN ......................................................................... 127 4.1.2. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN .......................................................... 128 4.1.2.1. Construcción del Colector Solar de Placa Plana (FPC) ...................................... 129 4.1.2.2. Construcción del Alambique Solar .................................................................... 130 4.1.2.2.1. Construcción de la Estructura de Soporte .................................................... 130 4.1.2.2.2. Construcción del Evaporador ...................................................................... 131 4.1.2.2.3. Montaje del Evaporador .............................................................................. 133 4.1.2.2.4. Construcción del Condensador .................................................................... 134 xii 4.1.2.2.5. Montaje del Condensador ............................................................................ 136 4.1.2.3. Montaje del Alambique Solar ........................................................................... 136 4.1.2.4. Construcción del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada ............... 137 4.1.2.5. Montaje del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada ....................... 139 4.1.2.6. Montaje del Tanque de Reserva de Agua Contaminada ..................................... 139 4.1.2.7. Conexión de Componentes del Sistema de Destilación Solar ............................ 140 4.1.3. PUESTA EN MARCHA ........................................................................................ 140 4.1.4. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA .................................................................. 144 4.2. RESULTADOS EXPERIMENTALES ........................................................................ 146 4.2.1. Configuraciones Analizadas ................................................................................... 146 4.2.2. RESULTADOS SIN UTILIZAR COLECTOR SOLAR (Nc=0) ............................. 146 4.2.2.1- Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 2 cm .......................... 147 4.2.2.2- Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 4 cm .......................... 149 4.2.3. RESULTADOS UTILIZANDO 1 COLECTOR SOLAR (Nc=1) ........................... 152 4.2.3.1. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 2 cm ........................... 152 4.2.3.2. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 4 cm ........................... 155 4.2.4. RESULTADOS UTILIZANDO 2 COLECTORES SOLARES (Nc=2) .................. 158 4.2.4.1. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 2 cm ........................... 158 4.2.4.2. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 4 cm ........................... 161 4.2.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................. 164 4.2.5.1. Producción de Agua Destilada .......................................................................... 164 4.2.5.2. Temperaturas Alcanzadas ................................................................................. 170 4.2.5.2.1. Sobre el Alambique Solar ........................................................................... 170 4.2.5.2.2. Sobre el Colector Solar ............................................................................... 173 4.2.6. EVALUACIÓN DE PERDIDAS DE CALOR UTILIZANDO EL PROGRAMA AISLAM ......................................................................................................................... 177 4.2.6.1. PERDIDAS DE CALOR EN TUBERÍAS ........................................................ 178 4.2.6.1.1. Tubería de agua caliente .............................................................................. 179 xiii 4.2.6.1.2. Tubería de agua fría .................................................................................... 182 4.2.6.2. PERDIDAS DE CALOR EN EL ALAMBIQUE SOLAR ................................. 183 4.2.6.2.1. Perdida de calor por la parte inferior ........................................................... 183 4.2.6.2.2. Perdida de calor por la parte frontal y lateral ............................................... 185 CAPÍTULO V .................................................................................................................... 187 5. ANÁLISIS TÉCNICO ECONÓMICO ............................................................................ 187 5.1. ANÁLISIS TÉCNICO ................................................................................................. 187 5.1.1. Distrito de Majes .................................................................................................... 187 5.1.1.1. Estructura y Expansión Urbana ......................................................................... 188 5.1.1.2. Suministro de Agua Cruda al Distrito de Majes ................................................ 189 5.1.1.3. Sistema de Agua Potable .................................................................................. 190 5.1.1.4. Sistema de Agua de Regadío ............................................................................ 192 5.1.1.5. Población Rural y Ocupaciones Informales ....................................................... 194 5.1.2. Problemática del Agua Potable y Crecimiento Poblacional ..................................... 197 5.1.3. Destilación Solar como Alternativa de obtención de Agua Pura.............................. 204 5.2. ANÁLISIS ECONÓMICO .......................................................................................... 206 5.2.1. COSTO DE CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA ................................................... 206 5.2.1.1. Costo del Alambique Solar ............................................................................... 207 5.2.1.2. Costo del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada ........................... 210 5.2.1.3. Costo del Colector Solar de Placa Plana (FPC) ................................................. 210 5.2.1.4. Costo del Tanque de Reserva de Agua Contaminada ........................................ 211 5.2.1.5. Tuberías, mangueras, accesorios y otros ........................................................... 212 5.2.2. COSTO DEL AGUA POTABLE ........................................................................... 213 5.2.3. COSTO DEL AGUA DE REGADÍO ..................................................................... 214 5.2.4. COSTO DEL AGUA DESTILADA ....................................................................... 215 5.2.5. RENTABILIDAD DEL SISTEMA PROPUESTO ................................................. 216 CONCLUSIONES.............................................................................................................. 219 xiv RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 221 REFERENCIAS ................................................................................................................. 222 ANEXOS ........................................................................................................................... 227 PLANOS ............................................................................................................................ 249 xv LISTA DE FIGURAS Figura 1 Agua Elemento Esencial para mantener la Vida .......................................................7 Figura 2 Importancia del Agua para la Salud ....................................................................... 11 Figura 3 Consecuencias de la Escasez de Agua en el Mundo ............................................... 12 Figura 4 Abastecimiento de Agua Potable por Camión Cisterna en Arequipa....................... 14 Figura 5 Crecimiento Poblacional y Cambio Climático aumentan la Escasez de Agua ......... 15 Figura 6 Mapa Mundial de Irradiación Solar Global Horizontal ........................................... 18 Figura 7 Espectro de la Radiación Solar .............................................................................. 19 Figura 8 Tipos de Radiación Solar ....................................................................................... 21 Figura 9 Variación de la Radiación Solar Extraterrestre - Hemisferio Sur ............................ 21 Figura 10 Central Termosolar Tipo Torre ............................................................................ 22 Figura 11 Disco Parabólico de Stirling................................................................................. 23 Figura 12 Concentrador Solar Tipo Cilindro Parabólico....................................................... 24 Figura 13 Concentrador Tipo Fresnel................................................................................... 25 Figura 14 Sistema Natural o Termosifón para Obtención de ACS ........................................ 26 Figura 15 Sistema Forzado para Obtención de ACS ............................................................. 27 Figura 16 Ángulo de Declinación Solar ............................................................................... 27 Figura 17 Ángulo Horario.................................................................................................... 28 Figura 18 Destilador o Alambique Solar de Una Vertiente. .................................................. 34 Figura 19 Clasificación de los Sistemas de Destilación Solar y Tipos de Destiladores Solares más comunes ........................................................................................................................ 36 xvi Figura 20 Destiladores Solares Pasivos de 1 Vertiente con variaciones de ángulos de inclinación (izq.). Destilador Solar Pasivo de Doble Vertiente con Reflectores Auxiliares (der.) ............................................................................................................................................. 40 Figura 21 Destilador Solar Pasivo Tipo Pirámide Triangular ............................................... 40 Figura 22 Destilador Solar Tubular ...................................................................................... 41 Figura 23 Destilador Solar Hemisférico ............................................................................... 41 Figura 24 Destilador Solar Escalonado con Reflectores ....................................................... 42 Figura 25 Destilador Solar Pasivo de Vertiente Simple con Absorbedor Invertido ............... 42 Figura 26 Potabilizador Solar de Agua “Carocell” ............................................................... 43 Figura 27 Destilador Solar Activo Integrado con Colector de Placa Plana. ........................... 44 Figura 28 Alambique de Doble Vertiente con “n” Colectores PVT (izq.). Destilador Solar Activo Hibrido de Doble Vertiente con Colector de PVT y FPC (der.) .................................. 45 Figura 29 Destilador Solar de 4 Etapas acoplado a un Concentrador Solar Cilindro Parabólico ............................................................................................................................................. 45 Figura 30 Destilador Solar de Efecto Múltiple con Tubos de Vacío. .................................... 46 Figura 31 Sistema de Destilación Solar Hibrida con Concentrador Fresnel y Sistema Fotovoltaico. ........................................................................................................................ 47 Figura 32 Partes de un Colector Solar de Placa Plana........................................................... 48 Figura 33 Radiación Incidente sobre una Superficie Transparente ....................................... 49 Figura 34 Red de Resistencias Térmicas para la Transferencia de Calor en un Colector Solar Plano .................................................................................................................................... 52 Figura 35 Configuración de la Placa de Absorción en un Colector Solar Plano .................... 58 Figura 36 Partes Principales de un Alambique Solar de Doble Vertiente .............................. 64 Figura 37 Mecanismos de Transferencia de Calor sobre el Alambique Solar........................ 65 xvii Figura 38 Coeficientes de Transferencia de Calores Totales sobre el Alambique Solar ........ 75 Figura 39 Flujos de Energía presentes en el Alambique Solar .............................................. 78 Figura 40 Esquema del Sistema de Destilación Solar Propuesto ........................................... 93 Figura 41 Variación de la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Colector Solar ..................................................................................................................................... 97 Figura 42 Variación de la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Alambique Solar ..................................................................................................................................... 99 Figura 43 Variación de los Flujos de Calor respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) ................. 102 Figura 44 Variación del Coeficiente de Transferencia de Calor respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) .................................................................................................................................. 102 Figura 45 Variación de Temperaturas Alcanzadas respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) ...... 103 Figura 46 Variación de la Eficiencia de la Placa de Absorción, Factor de Eficiencia del Colector y Factor de Remoción de Calor Respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) .................................. 104 Figura 47 Variación de la Ganancia de Temperatura respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) .. 104 Figura 48 Variación de la Eficiencia Instantánea del Colector Solar respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) ......................................................................................................................... 105 Figura 49 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “TW0” (izq.) y “ITS” (der.) para Nc=0 .................................................................................................................................. 109 Figura 50 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “Xw” (izq.) y “As” (der.) para Nc=0 .................................................................................................................................. 112 Figura 51 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “v” (izq.) y “Ta” (der.) para Nc=0 .................................................................................................................................. 115 xviii Figura 52 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a "Tw0" (izq.) y "ITS" (der.) para Nc=1 .................................................................................................................................. 118 Figura 53 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “Xw” (izq.) y “As” (der.) para Nc=1 .................................................................................................................................. 121 Figura 54 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a "v" (izq.) y “Ta” (der.) para Nc=1 .................................................................................................................................. 124 Figura 55 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto al Número de Colectores Solares utilizados “Nc” ................................................................................................................... 126 Figura 56 Diagrama de flujo de la construcción de una pieza del sistema ........................... 128 Figura 57 Procedimiento de Construcción del Sistema de Destilación Solar....................... 129 Figura 58 Colector Solar de Placa Plana ............................................................................ 130 Figura 59 Estructura de Soporte del Alambique Solar ........................................................ 130 Figura 60 Bastidor del Evaporador .................................................................................... 131 Figura 61 Construcción de la Bandeja del Evaporador ....................................................... 132 Figura 62 Sujeción de la Bandeja al Bastidor ..................................................................... 132 Figura 63 Aislamiento Térmico ......................................................................................... 133 Figura 64 Evaporador ........................................................................................................ 134 Figura 65 Bastidor del Condensador .................................................................................. 135 Figura 66 Canaletas de Recolección .................................................................................. 135 Figura 67 Condensador ...................................................................................................... 136 xix Figura 68 Alambique Solar de Doble Vertiente .................................................................. 137 Figura 69 Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada ............................................ 138 Figura 70 Estructura de Soporte del Tanque de Control de Nivel de Agua ......................... 138 Figura 71 Montaje del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada ........................ 139 Figura 72 Montaje del Tanque de Reserva de Agua Contaminada ...................................... 140 Figura 73 Ingreso del Agua Contaminada al Alambique Solar ........................................... 141 Figura 74 Verificación de la Horizontalidad del Alambique Solar ...................................... 142 Figura 75 Ajuste de la Profundidad del Agua Contaminada en el Alambique Solar ............ 142 Figura 76 Control del suministro de Agua Contaminada .................................................... 143 Figura 77 Destilador Solar de Doble Vertiente terminado .................................................. 143 Figura 78 Funcionamiento del Sistema de Destilación Solar Propuesto .............................. 145 Figura 79 Sistema de Destilación Solar sin utilizar Colector Solar ..................................... 147 Figura 80 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=0 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) ........................................................................................... 149 Figura 81 Temperaturas Alcanzadas promedio para Nc=0 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) .......... 149 Figura 82 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=0 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) ........................................................................................... 151 Figura 83 Temperaturas Alcanzadas promedio para Nc=0 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) .......... 151 Figura 84 Sistema de Destilación Solar utilizando 1 Colector Solar ................................... 152 Figura 85 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=1 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) ........................................................................................... 154 Figura 86 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar (izq.) y Colector Solar (der.) para Nc=1 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) .......................................................................... 154 xx Figura 87 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=1 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) ........................................................................................... 157 Figura 88 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar (izq.) y Colector Solar (der.) para Nc=1 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) .......................................................................... 157 Figura 89 Sistema de Destilación Solar utilizando 2 Colectores Solares ............................. 158 Figura 90 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=2 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) ........................................................................................... 160 Figura 91 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar para Nc=2 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) ...................................................................................................................... 160 Figura 92 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Colector Solar 1 (izq.) y Colector Solar 2 (der.) para Nc=2 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) ....................................................................... 161 Figura 93 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=2 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) ........................................................................................... 163 Figura 94 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar para Nc=2 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) ...................................................................................................................... 163 Figura 95 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Colector Solar 1 (izq.) y Colector Solar 2 (der.) para Nc=2 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) ....................................................................... 164 Figura 96 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=0, Xw=2cm y Xw=4cm ................................................................................................ 165 Figura 97 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=1, Xw=2cm y Xw=4cm ................................................................................................ 166 Figura 98 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=2, Xw=2cm y Xw=4cm ................................................................................................ 167 Figura 99 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Xw=2cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 ........................................................................................... 168 xxi Figura 100 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Xw=4cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 ........................................................................................... 169 Figura 101 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Nc=0, Xw=2cm y Xw=4cm ........................................................................................................................................... 170 Figura 102 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Nc=1, Xw=2cm y Xw=4cm ........................................................................................................................................... 171 Figura 103 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Nc=2, Xw=2cm y Xw=4cm ........................................................................................................................................... 171 Figura 104 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Xw=2cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 .................................................................................................................................. 172 Figura 105 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Xw=4cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 .................................................................................................................................. 173 Figura 106 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Nc=1, Xw=2cm y Xw=4cm ............................... 174 Figura 107 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Nc=2, Xw=2cm y Xw=4cm ............................... 175 Figura 108 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Xw=2cm, Nc=1 y Nc=2 .................................... 176 Figura 109 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Xw=4cm, Nc=1 y Nc=2 .................................... 177 Figura 110 Interfaz de Programa AISLAM ........................................................................ 178 Figura 111 Flujos de calor perdido para Tubería de Polipropileno y Tubería de Acero con aislamiento de Lana de Vidrio (Tubería agua caliente) ........................................................ 182 Figura 112 Flujos de calor perdido para Tubería de Polipropileno y Tubería de Acero con aislamiento de Lana de Vidrio (Tubería agua fría) .............................................................. 183 xxii Figura 113 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Lana de Vidrio, Poliuretano y Madera ......................................................................................... 185 Figura 114 Expansión Urbana del Distrito de Majes .......................................................... 189 Figura 115 Esquema Hidráulico Proyecto Majes Siguas .................................................... 190 Figura 116 Planta de Tratamiento de Agua Potable El Pedregal ......................................... 191 Figura 117 Planta de Tratamiento de Agua Potable Ciudad Majes ..................................... 192 Figura 118 Distribución del Agua de Regadío hacia el Distrito de Majes ........................... 193 Figura 119 Ocupación Informal, Asociación Hijo de Colonos ............................................ 195 Figura 120 Ocupación Informal, Ciudad Perdida ............................................................... 196 Figura 121 Distrito de Majes, Ocupaciones Informales ...................................................... 196 Figura 122 Grifo domiciliario, Agua No Potable (Agua Turbia), Asociación COPRAA ..... 197 Figura 123 Abastecimiento de Agua por Manguera (izq.) y Tanques de Almacenamiento (der.) ........................................................................................................................................... 198 Figura 124 Abastecimiento de Agua por Camión Cisterna y Camión de Carga .................. 199 Figura 125 Abastecimiento de Agua hacia la Zona Rural del Distrito de Majes.................. 200 Figura 126 Abastecimiento de Agua por Pozo ................................................................... 200 Figura 127 Abastecimiento de Agua por Canal a un Asentamiento en la “Sección Agraria E” ........................................................................................................................................... 201 Figura 128 Algunos pobladores de la Zona Rural del Distrito de Majes que podrían beneficiarse de la Destilación Solar ........................................................................................................ 205 xxiii LISTA DE TABLAS Tabla 1 Distribución del Agua en la Hidrosfera .....................................................................8 Tabla 2 Límites Máximos Permisibles para la Calidad del Agua Potable en el Perú ...............9 Tabla 3 Ingesta adecuada de Agua y Bebida total para Climas Templados ........................... 16 Tabla 4 Ingesta de Agua Recomendada para Mantenerse Hidratado ..................................... 17 Tabla 5 Estudio comparativo de algunos Destiladores Solares Activos................................. 38 Tabla 6 Datos Geográficos y Meteorológicos del Distrito de Majes ..................................... 87 Tabla 7 Parámetros Generales para el Sistema de Destilación Solar ..................................... 93 Tabla 8 Parámetros de Diseño para el Colector Solar de Placa Plana (FPC) ......................... 94 Tabla 9 Parámetros de Diseño para el Alambique Solar ....................................................... 95 Tabla 10 Valores de Irradiación Solar sobre el Colector Solar de Placa Plana (FPC) ............ 96 Tabla 11 Valores de Irradiación Solar sobre el Alambique Solar .......................................... 98 Tabla 12 Valores promedio asumidos para la Solución de las Ecuaciones sobre el Colector Solar ................................................................................................................................... 100 Tabla 13 Comportamiento de las variables del Colector Solar en función de la Temperatura de la Placa de Absorción “Tp”................................................................................................. 101 Tabla 14 Comportamiento de las variables del Colector Solar en función de la Radiación Solar Total “ITC” .......................................................................................................................... 101 Tabla 15 Valores y Resultados promedio obtenidos de la Evaluación sobre el Colector Solar ........................................................................................................................................... 106 Tabla 16 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura del Agua Inicial “Tw0” para Nc=0 ....................................................................................... 107 xxiv Tabla 17 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Radiación Solar Total “ITS” para Nc=0 ................................................................................................ 107 Tabla 18 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Profundidad del Agua en la Fuente “Xw” para Nc=0 ............................................................................... 110 Tabla 19 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función del Área del Alambique Solar “As” para Nc=0 ....................................................................................... 111 Tabla 20 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Velocidad del Viento “v” para Nc=0 ......................................................................................................... 113 Tabla 21 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura Ambiente “Ta” para Nc=0 .................................................................................................. 114 Tabla 22 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura del Agua Inicial “Tw0” para Nc=1 ....................................................................................... 116 Tabla 23 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de Radiación Solar Total “ITS” para Nc=1 ......................................................................................................... 117 Tabla 24 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función Profundidad del Agua en la Fuente “Xw” para Nc=1 ..................................................................................... 119 Tabla 25 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función del Área Efectiva del Alambique Solar “As” para Nc=1 ................................................................................. 120 Tabla 26 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Velocidad del Viento “v” para Nc=1 ......................................................................................................... 122 Tabla 27 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura Ambiente “Ta” para Nc=1 .................................................................................................. 123 Tabla 28 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función del Número de Colectores Solares utilizados “Nc” ..................................................................................... 125 Tabla 29 Resultados sin utilizar Colector Solar (Nc=0) a una profundidad de 2 cm (Xw=2cm) ........................................................................................................................................... 148 xxv Tabla 30 Resultados sin utilizar Colector Solar (Nc=0) a una profundidad de 4 cm (Xw=4cm) ........................................................................................................................................... 150 Tabla 31 Resultados utilizando 1 Colector Solar (Nc=1) a una profundidad de 2 cm (Xw=2cm) ........................................................................................................................................... 153 Tabla 32 Resultados utilizando 1 Colector Solar (Nc=1) a una profundidad de 4 cm (Xw=4cm) ........................................................................................................................................... 156 Tabla 33 Resultados utilizando 2 Colectores Solares (Nc=2) a una profundidad de 2 cm (Xw=2cm) .......................................................................................................................... 159 Tabla 34 Resultados utilizando 2 Colectores Solares (Nc=2) a una profundidad de 4 cm (Xw=4cm) .......................................................................................................................... 162 Tabla 35 Flujos de calor perdido con Tubería de Polipropileno (Tubería agua caliente) ..... 181 Tabla 36 Flujos de calor perdido con Tubería de Acero y Aislamiento Lana de vidrio (Tubería agua caliente) ..................................................................................................................... 181 Tabla 37 Flujos de calor perdido con Tubería de Polipropileno (Tubería agua fría) ............ 182 Tabla 38 Flujos de calor perdido con Tubería de Acero y Aislamiento Lana de Vidrio (Tubería agua fría) ............................................................................................................................ 183 Tabla 39 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Lana de Vidrio de 50 mm ................................................................................................................ 184 Tabla 40 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Poliuretano 50 mm de espesor ............................................................................................ 184 Tabla 41 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Geomembrana y Madera de 1 y 50 mm de espesor respetivamente ..................................... 185 Tabla 42 Flujos de calor perdido por la parte frontal del Alambique Solar ......................... 186 Tabla 43 Flujos de calor perdido por la parte lateral del Alambique Solar .......................... 186 Tabla 44 Población Total del Distrito de Majes por Área Urbana, Rural y Género ............. 187 xxvi Tabla 45 Sectores Urbanos del Distrito de Majes ............................................................... 188 Tabla 46 Análisis Fisicoquímico realizado al Agua de Regadío Pampa de Majes ............... 193 Tabla 47 Viviendas Particulares, por Área Urbana y Rural, y Tipo de Vivienda ................. 194 Tabla 48 Viviendas Particulares con Ocupantes Presentes, por disponibilidad de Alumbrado Eléctrico por Red Pública, según Área Urbana y Rural, y Tipo de Procedencia de Agua ..... 198 Tabla 49 Viviendas Particulares con Ocupantes Presentes, por Entidades a la que pagan por el Servicio de Agua, según el Área Urbana y Rural, y Tipo de Vivienda ................................. 202 Tabla 50 Proyecciones de la Población del Distrito de Majes ............................................. 203 Tabla 51 Costo del Sistema de Destilación Solar Propuesto ............................................... 206 Tabla 52 Costo del Alambique Solar .................................................................................. 207 Tabla 53 Costo del Condensador........................................................................................ 208 Tabla 54 Costo del Evaporador .......................................................................................... 209 Tabla 55 Costo de la Estructura de Soporte del Alambique Solar ....................................... 209 Tabla 56 Costo del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada.............................. 210 Tabla 57 Costo del Colector Solar de Placa Plana (FPC) .................................................... 211 Tabla 58 Costo del Tanque de Reserva de Agua Contaminada ........................................... 212 Tabla 59 Precio de Tuberías, Mangueras, Accesorios y otros ............................................. 212 Tabla 60 Estructura de Tarifas de Agua Potable para Distrito de Majes .............................. 213 Tabla 61 Tarifa del Agua para Riego de la Pampa de Majes ............................................... 215 Tabla 62 Diferencia del Costo entre el Agua Potable y Agua para Riego............................ 216 Tabla 63 Costo total diario de producción de Agua Destilada............................................. 217 Tabla 64 Análisis de Rentabilidad del Sistema Propuesto .................................................. 217 xxvii LISTA DE ANEXOS ANEXO 1: Programación Utilizada (Engineering Equation Solver) ANEXO 2: Análisis Físico-Químico ANEXO 3: Fichas Técnicas de Materiales ANEXO 4: Distrito de Majes y sus Municipalidades Menores ANEXO 5: Sectores Urbanos del Distrito de Majes ANEXO 6: Mapa de Propuesta de Crecimiento Urbano del Distrito de Majes xxviii LISTA DE PLANOS PLANO 1: Esquema General PLANO 2: Colector solar, plano de conjunto PLANO 3: Colector solar, plano de montaje PLANO 4: Colector solar, plano de despiece (pieza 1, 2 y 3) PLANO 5: Colector solar, plano de despiece (pieza 4 y 5) PLANO 6: Colector solar, bastidor (pieza 6 (subconj.)), plano de conjunto PLANO 7: Colector solar, bastidor (pieza 6 (subconj.)), plano de montaje PLANO 8: Colector solar, bastidor (pieza 6 (subconj.)), plano de despiece PLANO 9: Alambique solar, plano de conjunto PLANO 10: Alambique solar, plano de montaje PLANO 11: Alambique solar, cubierta superior (pieza 1 (subconj.)), plano de conjunto PLANO 12: Alambique solar, cubierta superior (pieza 1 (subconj.)), plano de montaje PLANO 13: Alambique solar, cubierta superior (pieza 1 (subconj.)), plano de despiece PLANO 14: Alambique solar, plano de despiece (pieza 2) PLANO 15: Alambique solar, bastidor de condensador (pieza 3 (subconj.)), plano de conjunto PLANO 16: Alambique solar, bastidor de condensador (pieza 3 (subconj.)), plano de montaje PLANO 17: Alambique solar, bastidor de condensador (pieza 3 (subconj.)), plano de despiece PLANO 18: Alambique solar, plano de despiece (pieza 4) xxix PLANO 19: Alambique solar, aislamiento (pieza 5 (subconj.)), plano de conjunto PLANO 20: Alambique solar, aislamiento (pieza 5 (subconj.)), plano de montaje PLANO 21: Alambique solar, aislamiento (pieza 5 (subconj.)), plano de despiece PLANO 22: Alambique solar, bastidor de evaporador (pieza 6 (subconj.)), plano de conjunto PLANO 23: Alambique solar, bastidor de evaporador (pieza 6 (subconj.)), plano de montaje PLANO 24: Alambique solar, bastidor de evaporador (pieza 6 (subconj.)), plano de despiece PLANO 25: Alambique solar, plano de despiece (pieza 7) PLANO 26: Tanque de control de nivel, plano de conjunto PLANO 27: Tanque de control de nivel, plano de montaje PLANO 28: Tanque de control de nivel, plano de despiece PLANO 29: Tanque de reserva, plano de conjunto PLANO 30: Tanque de reserva, plano de montaje PLANO 31: Tanque de reserva, plano de despiece (pieza 1) PLANO 32: Tanque de reserva, plano de despiece (pieza 2) xxx NOMENCLATURA Para el Cálculo Solar: a, b : Coeficientes empíricos [-] W Gsc : Constante solar [ ]m2 W∗h I : Irradiación solar global terrestre sobre una superficie horizontal [ ] m2 W∗h Io : Irradiación solar extraterrestre sobre una superficie horizontal [ ]m2 W∗h IT : Irradiación solar total sobre una superficie inclinada [ ]m2 W∗h Idif : Irradiación solar difusa sobre una superficie horizontal [ ] m2 W∗h Idir : Irradiación solar directa sobre una superficie horizontal [ ]2 m W∗h Idir,θ : Irradiación solar directa sobre una superficie inclinada [ ]m2 W∗h Idif,θ : Irradiación solar difusa sobre una superficie inclinada [ ]m2 W∗h Iref,θ : Irradiación solar reflejada sobre una superficie inclinada [ ] m2 KT : Índice de claridad horaria [-] n : Número de día del año [-] nr : Número de horas sol reales [h] Nt : Número de horas sol teóricas [h] Rb : Factor para el cambio del ángulo de incidencia [-] t1, t2 : Tiempo inicial y final del brillo solar efectivo [h] Letras griegas: δ : Ángulo de declinación solar [°] ϵo : Factor de corrección de la excentricidad de la órbita terrestre [-] θ : Ángulo de inclinación de la cubierta receptora [°] ρs : Coeficiente de reflexión del suelo o albedo [-] ф : Latitud de la zona [°] ωs : Ángulo horario o ángulo del ocaso [°] Para el Colector Solar de Placa Plana: Ac : Área efectiva del colector solar [m 2] J Cf : Calor especifico del fluido [ ] kg∗K W Cb : Conductancia entre tubo-placa de absorción [ ] K C, n : Constantes experimentales [-] du : Cambio de energía interna almacenada en el colector [W] dt D : Diámetro exterior de los tubos del colector solar [m] xxxi Di : Diámetro interno de los tubos del colector solar [m] ea : Espesor del aislante térmico [m] ea,lat : Espesor del aislante térmico en los lados [m] eP : Espesor de la placa de absorción [m] F : Eficiencia de la placa de absorción [-] F′ : Factor de eficiencia del colector solar [-] FR : Factor de remoción de calor [-] h : Altura del colector solar [m] W hc,p−v : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre placa de absorción-vidrio [ ]m2 ∗K W hc,t−f : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre tubo-fluido [ ]m2 ∗K W hc,v−a : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre vidrio-ambiente [ ] m2∗K W hp−a : Coeficiente de transferencia de calor entre placa de absorción - ambiente [ ]2 m ∗K W hr,p−v : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre placa de absorción-vidrio [ ] m2∗K W hr,v−a : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre vidrio-ambiente [ ]m2 ∗K W ITC : Radiación solar total sobre la superficie inclinada del colector solar [ ]2 m W ka : Conductividad del aislante térmico [ ] m∗K W ka,lat : Conductividad del aislante térmico en los lados [ ] m∗K W kf : Conductividad térmica del fluido [ ] m∗K W kP : Conductividad térmica de la placa de absorción [ ] m∗K Ltub : Longitud de los tubos del colector solar [m] kg ṁC : Flujo másico del fluido en el colector solar [ ] s h Nh : Número de horas sol efectivas por día [ ] día ntub : Número de tubos en el colector solar [-] P : Perímetro del colector solar [m] Q̇útil : Flujo de calor útil transportado al fluido por el colector solar [W] Q̇pe : Flujo de calor perdido en el colector solar [W] K R1 : Resistencia térmica contra la conducción de calor [ ] W K R2 : Resistencia térmica contra la convección y radiación de calor [ ] W K R3 : Resistencia térmica contra la convección y radiación de calor [ ] W K R4 : Resistencia térmica contra la convección y radiación de calor [ ] W W S : Radiación solar incidente sobre la placa de absorción [ ] m2 Test : Temperatura de estancamiento del colector solar [K] Tf : Temperatura promedio del fluido en el colector [K] xxxii Tfe : Temperatura del fluido a la entrada del colector [K] Tfs : Temperatura del fluido a la salida del colector [K] Tp : Temperatura promedio de la placa de absorción [K] Tv : Temperatura promedio de la cubierta de vidrio [K] W Uinf : Coeficiente de transferencia de calor por la parte inferior del colector solar [ ]2 m ∗K W Ulat : Coeficiente de transferencia de calor por la parte lateral del colector solar [ ]2 m ∗K W ULC : Coeficiente de transferencia de calor total para el colector solar [ ]m2 ∗K W Usup : Coeficiente de transferencia de calor por la parte superior del colector solar [ ]m2 ∗K W : Separación entre tubos [m] Letras griegas: α : Absortividad de la placa de absorción del colector solar [-] m2 αf : Difusividad térmica del fluido [ ] s (ατ)c : Factor por perdidas ópticas y por absorción [-] 1 βf : Coeficiente de expansión volumétrica del fluido [ ] K ∆Tp−v : Diferencia de temperatura entre placa de absorción-vidrio [°C] ∆Tt−f : Diferencia de temperatura entre tubo-fluido [K] ∆Tf : Ganancia de temperatura del fluido [K] εp : Emisividad de la placa de absorción [-] εv : Emisividad de la cubierta de vidrio [-] ηc : Eficiencia térmica instantánea del colector solar [%] ι : Espaciamiento entre placa de absorción-vidrio [cm] m2 νf : Viscosidad cinemática del fluido [ ] s ρd : Reflectividad difusa de la cubierta del colector solar [-] τ : Transmisividad de la cubierta del colector solar [-] Subíndices: a : ambiente c : colector f : fluido p : placa de absorción v : vidrio Para el Alambique Solar: As : Área inferior del alambique solar (Área efectiva) [m 2] Ass : Área lateral del alambique solar [m 2] J Cw : Calor especifico del agua líquida [ ] kg∗K xxxiii C, n : Constantes experimentales [-] dTw K : Razón de cambio de la temperatura del agua en relación al tiempo [ ] dt s W hb : Coeficiente de transferencia de calor entre fuente-ambiente [ ] m2∗K W hc,b−a : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre lados y base - ambiente [ ]m2 ∗K W hc,g−a : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre vidrio- ambiente [ ]m2 ∗K W hc,w−g : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre agua-vidrio [ ]2 m ∗K W he,w−g : Coeficiente de transferencia de calor por evaporación entre agua-vidrio [ ] m2∗K W hr,b−a : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre lados y base - ambiente [ ]m2 ∗K W hr,g−a : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre vidrio-ambiente [ ]m2 ∗K W hr,w−g : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre agua-vidrio [ ] m2∗K W ht,b−a : Coeficiente de transferencia de calor combinado entre lados y base - ambiente [ ]m2 ∗K W ht,g−a : Coeficiente de transferencia de calor externo total entre vidrio-ambiente [ ]2 m ∗K W ht,w−g : Coeficiente de transferencia de calor interno total entre agua-vidrio [ ]m2 ∗K W hw : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre fuente-agua [ ]m2 ∗K W Ieff : Radiación solar efectiva [ ] m2 W ITS : Radiación solar total sobre la superficie inclinada del alambique solar [ ]m2 W kg : Conductividad térmica del vidrio [ ] m∗K W ki : Conductividad térmica del aislamiento [ ] m∗K W kw : Conductividad térmica del agua [ ] m∗K J L : Calor latente de vaporización del agua [ ] kg Li : Espesor del aislamiento térmico [m] Lg : Espesor de la cubierta de vidrio [m] kg ṁew : Masa de agua destilada por hora [ ] h kg Mew,day : Masa de agua destilada por día [ ] día Mw : Masa de agua en la fuente [kg] Nc : Número de colectores solares [-] h Nh : Número de horas sol efectivas por día [ ] día Pgi : Presión parcial del vapor a la temperatura “Tgi” [Pa] Pw : Presión parcial del vapor a la temperatura “Tw” [Pa] W q̇b : Flujo de calor entre fuente-ambiente [ ]m2 W q̇c,g−a : Flujo de calor por convección entre vidrio-ambiente [ ] m2 xxxiv W q̇c,w−g : Flujo de calor por convección entre agua-vidrio [ ] m2 W q̇e,w−g : Flujo de calor por evaporación entre agua-vidrio [ ] m2 W q̇g : Flujo de calor por conducción en la cubierta de vidrio [ ]m2 W q̇r,g−a : Flujo de calor por radiación entre vidrio-ambiente [ ] m2 W q̇r,w−g : Flujo de calor por radiación entre agua-vidrio [ ] m2 W q̇t,g−a : Flujo de calor total entre vidrio-ambiente [ ]2 m W q̇t,w−g : Flujo de calor total entre agua-vidrio [ ]m2 W q̇u : Flujo de calor útil ganado por el colector solar [ ]2 m W q̇w : Flujo de calor por convección entre fuente-agua [ ]m2 t : Tiempo [s] Tb : Temperatura de la fuente [K] Tgi : Temperatura de la superficie interna de la cubierta de vidrio [K] Tgo : Temperatura de la superficie externa de la cubierta de vidrio [K] Tsky : Temperatura del cielo [K] Tw : Temperatura del agua en la fuente [K] Tw0 : Temperatura del agua en la fuente cuando t = 0, [K] W Ub : Coeficiente de transferencia de calor total por la parte inferior entre agua-ambiente [ ] m2∗K W Ueff : Coeficiente de transferencia de calor total efectivo [ ]m2 ∗K W ULS : Coeficiente de transferencia de calor total para el alambique solar [ ]2 m ∗K W Us : Coeficiente de transferencia de calor total por la parte lateral entre agua-ambiente [ ]m2 ∗K W Ut : Coeficiente de transferencia de calor total por la parte superior entre agua-ambiente [ ] m2∗K W Uwo : Coeficiente de transferencia de calor total entre agua-vidrio [ ] m2∗K xw : Profundidad del agua en la fuente [m] Letras griegas: αb : Absortividad de la fuente [-] αg : Absortividad del vidrio [-] αw : Absortividad del agua [-] 1 β : Coeficiente de expansión volumétrica del agua [ ] K ∆T : Diferencia de temperatura entre superficie de agua - superficie del vidrio [K] ∆Tw : Diferencia de temperatura entre fuente – agua [K] εeff : Emisividad efectiva entre el agua-vidrio [-] εg : Emisividad del vidrio [-] εw : Emisividad del agua [-] xxxv ηs,pas : Eficiencia térmica instantánea del destilador solar pasivo [%] ηs,act : Eficiencia térmica instantánea del destilador solar activo [%] μw : Viscosidad dinámica del agua líquida [Pa ∗ s] m2 νw : Viscosidad cinemática del agua líquida [ ] s kg ρw : Densidad del agua líquida [ ]m3 Subíndices: b : fuente o bandeja (basin) c : colector (collector) eff : efectivo (effective) g : vidrio (glass) s : alambique (still) v : vapor (vapour) w : agua (water) Valores comunes y otros: m g : Aceleración de la gravedad = 9.81 [ ] s2 Ta : Temperatura ambiente [K] m v : Velocidad del viento [ ] s σ : Constante de Boltzmann =5.67 ∗ 10−8 W [ ] m2∗K4 Gr : Número de Grashof [-] Nu : Número de Nusselt [-] Pr : Número de Prandtl [-] Ra : Número de Rayleigh [-] xxxvi SIGLAS Y ACRÓNIMOS AUTODEMA : Autoridad Autónoma de Majes DIGESA : Dirección General de Salud Ambiental INEI : Instituto Nacional de Estadística e Informática JUMP : Junta de Usuarios Pampa de Majes OMS : Organización Mundial de la Salud SEDAPAR : Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Arequipa SENAMHI : Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento xxxvii INTRODUCCIÓN La llegada de nuevos pobladores provenientes de las provincias de Puno, Cuzco, y Arequipa por motivos laborales y comerciales viene incrementando la población del Distrito de Majes. Esta tendencia del aumento de la población se pronostica que continuará por los siguientes años. Al aumentar el número de pobladores va aumentando también la demanda de los servicios básicos como el agua potable, el desagüe y la energía eléctrica. Estas necesidades son más notorias conforme uno se va alejando del centro urbano del Distrito de Majes, por lo que la población rural de este distrito es la menos favorecida con estos servicios. La falta de capacidad de abastecimiento y distribución de agua potable para la población rural en este distrito se visualiza a fututo como un problema común. Y actualmente la escasez de este recurso es un problema aún leve pero real. Por lo que hoy en día no es ajeno mencionar que los pobladores en especial de los sectores rurales que no cuentan con agua potable consuman aguas no aptas para el consumo humano, poniendo en riesgo su salud por la posibilidad de sufrir enfermedades digestivas. Ahora bien, mi propósito de realizar este trabajo de tesis es resaltar este problema que es la falta de agua potable hacia los pobladores de los sectores rurales del Distrito de Majes y proponer una solución alternativa mediante el uso del destilador solar. Para ser más específico haciendo uso del destilador de doble vertiente y el colector solar de placa plana, este último elemento como una forma de aumentar la productividad de litros por día de agua que nos brinda un destilador solar común. xxxviii CAPÍTULO I 1. ASPECTOS GENERALES 1.1. ANTECEDENTES La destilación solar es un método usado desde 1872 en la actualidad se siguen de realizando investigaciones sobre este tema en diferentes partes del mundo. En todo este periodo se lograron diseñar y construir diversos modelos de destiladores solares, desde los destiladores muy básicos que nos brindan agua pura de 1 a 2 L/m2 por día hasta los destiladores más complejos que llegan a los 7 y 9 L/m2 por día, pendiendo principalmente del diseño del sistema de destilación y de los niveles de radiación solar que reciben. En este proyecto tomaremos como referencia trabajos de investigación (papers) enfocados en el estudio que se ha desarrollado sobre este tema, además de tesis de algunas universidades y los datos necesarios de la red de información concerniente a la destilación solar. Resaltamos el análisis experimental de los investigadores y científicos, la construcción física y la obtención de resultados (litros de agua por día) de acuerdo al tipo de destilador que se desarrolló para cada caso. Los resultados de las investigaciones desarrolladas serán de mucha utilidad para tomarlos como referencia y compararlos con los resultados que logremos alcanzar. 1.2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA La población humana va creciendo y demanda mayores cantidades de agua para satisfacer sus necesidades, la disponibilidad del recurso hídrico en la actualidad se torna cada vez más escaza para todos los sectores, debido a diversas causas como el Calentamiento Global producto de la Contaminación Atmosférica está los problemas de falta de capacidad de abastecimiento y distribución del agua potable por parte de las entidades responsables. Esto 1 ocasiona que sectores de la población humana consuman aguas no tratadas, y al no ser estas aptas se pone en riesgo la salud, ocasionando que el poblador común adquiriera enfermedades tales como el cólera, fiebre tifoidea, hepatitis, diarrea, malestar estomacal, entre otras. 1.3. HIPÓTESIS Cuando se piensa en grandes obras de ingeniería para el suministro de agua potable, el meollo del problema no es tecnológico sino financiero en recursos para el desarrollo de la infraestructura y el suministro de la energía que se consuma. La energía solar es la única energía que se recibe gratuita en la tierra, en forma continua y en cantidad muy superior a toda la energía disponible en nuestro planeta. Se requiere desarrollar tecnologías para la solución del suministro de agua potable hacia los sectores reducidos de la población, es decir los sectores rurales, que presentan dificultades técnicas para ser abastecidas por la red de agua potable de su ciudad. Una de las posibles soluciones es hacer uso de los destiladores solares, estos han sido estudiados y aplicados en otros países logrando obtener resultados satisfactorios. La destilación solar como se le conoce en el campo de la energía solar, se nos presenta como una alternativa desde los puntos de vista de tecnología sanitaria y de tecnología energética. Ambos puntos de vista son interesantes e importantes en la situación actual en nuestro país. (Hermosillo, 1989) 1.4. VARIABLES RELACIONADAS 1.4.1. Variables Independientes - Irradiación solar promedio - Temperatura ambiente - Velocidad del viento 2 - Humedad relativa - Presión atmosférica 1.4.2. Variables Dependientes - Temperatura del agua - Temperatura de vapor - Temperatura de condensado - Volumen de agua destilada. - Eficiencia de destilación 1.5. OBJETIVOS 1.5.1. Objetivo General Diseñar y construir un prototipo de destilador solar de doble vertiente acoplado a uno o dos colectores solares de placa plana, para ser aplicado hacia la población rural del Distrito de Majes con el objetivo de obtener agua pura (destilada) a partir del agua de regadío (agua cruda), aprovechando los niveles de radiación solar y considerando las condiciones y características ambientales sobre este distrito. Resaltando que esta es una forma simple, económica y versátil de purificar el agua a través de energías renovables. 1.5.2. Objetivos Específicos - Presentar a la destilación solar; principio, características, clasificación y avances principales como una alternativa de obtención de agua pura a pequeña escala. - Diseñar y construir un destilador solar de doble vertiente acoplado al colector solar de placa plana sustentándonos en los cálculos solares (radiación solar recibida), y en los principios termodinámicos y de transferencia de calor. 3 - Usar el programa EES (Engineering Equation Solver) para dar solución a las ecuaciones involucradas en comportamiento del sistema propuesto y para realizar un análisis teórico detallado (tablas y gráficas). - Analizar los resultados experimentales obtenidos en términos de producción de agua pura (L/día) y temperaturas alcanzadas (°C) para el sistema de destilación propuesto y sus diversas configuraciones. - Realizar un breve análisis técnico y económico que describa el estado o situación actual de la población rural del Distrito de Majes, así como también describir el costo de fabricación del sistema propuesto, el costo del agua potable, agua de regadío y agua destilada. - Presentar los planos, indicaciones y sugerencias para la construcción de un destilador solar de doble vertiente. 1.6. ALCANCES La presente tesis comprende el estudio teórico de un destilador solar, basado en cálculos solares, principios termodinámicos y de transferencia de calor, apoyado con el uso del programe EES (Engineering Equation Solver). En este proyecto de tesis no realizaremos un estudio experimental muy detallado sobre el comportamiento del destilador solar propuesto como los que se realizan en los artículos científicos (papers) por ejemplo. Siendo más la intención de esta tesis la búsqueda de la aplicación de la destilación solar. 4 1.7. JUSTIFICACIÓN 1.7.1. Justificación Social El agua tratada obtenida de las plantas potabilizadoras está dirigida hacia la población relativamente grande como la población urbana, además en esta es común que los volúmenes de agua distribuidos sean insuficientes y no abastezcan a un porcentaje de la población. Típicamente los sectores rurales en crecimiento son los afectados, como es el caso del Distrito de Majes. En nuestro país “El estado reconoce el derecho de toda persona a acceder de forma progresiva y universal al agua potable, y garantiza este derecho priorizando el consumo humano sobre otros usos” (Congreso de la República, 2017). Todos tenemos derecho de una calidad de vida digna, esto significa a contar con salud y bienestar para nuestras familias; y derecho de oportunidades, refiriéndonos a tener los recursos necesarios para el progreso, uno de estos recursos como es el caso, es contar con un suministro de agua potable. 1.7.2. Justificación Ambiental Es tiempo de que como sociedad y como individuos estemos dispuestos a hacer un cambio en nuestro estilo de vida, para lograr un ambiente más saludable para el hombre y para el planeta. Esto conlleva a dejar de usar los tipos de energía que contaminan y priorizar las fuentes de energías limpias. Una de estas energías limpias que a la vez es fuente de otras energías como la eólica y la hidráulica es pues la energía solar. El sol es la fuente de energía que hace posible los procesos naturales, por lo que deberíamos mimetizar estos procesos y aprovechar más esta energía ya sea a gran o pequeña escala a fin de evitar utilizar otros recursos contaminantes y costosos, de esta manera encaminarnos hacia un mejor futuro. 5 La destilación solar es una manera simple y eficaz de obtener agua pura, usando la energía del sol. El principio de operación para la destilación mediante energía solar es el mismo que el que utiliza la propia naturaleza en el ciclo hidrológico que conocemos todos. (Hermosillo, 1989) 6 CAPÍTULO II 2. MARCO TEÓRICO 2.1. EL AGUA El agua es una sustancia cuya molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). El término agua generalmente se refiere a la sustancia en su estado líquido, aunque la misma puede hallarse en su forma sólida, llamada hielo, y en su forma gaseosa, denominada vapor. Es una sustancia bastante común en la tierra y el sistema solar, donde se encuentra principalmente en forma de vapor o de hielo. Es esencial e imprescindible para el origen y la supervivencia de la gran mayoría de todas las formas conocidas de vida. Figura 1 Agua Elemento Esencial para mantener la Vida Fuente: Wikipedia (2022) El agua recubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza principalmente en los océanos, donde se concentra el 96,5% del agua total. A los glaciares y casquetes polares les corresponde el 1,74%, mientras que los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales concentran el 1,72%. El restante 0,04% se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos. (Wikipedia, 2022) En total, la Tierra contiene unos 1 386 000 000 km³ de agua que se distribuyen de la siguiente forma: 7 Tabla 1 Distribución del Agua en la Hidrosfera Fuente: Wikipedia (2022) 2.1.1. AGUA POTABLE El agua potable, también llamada agua para consumo humano, es el agua que por su calidad química, física, bacteriológica y organoléptica es apta para el consumo humano (SUNASS, 2004). En cuanto a los parámetros bacteriológicos, físicos y químicos, estos están basados en el reglamento de requisitos oficiales físicos, químicos y bacteriológicos que deben reunir las aguas de bebida para ser consideradas potables y en las guías de la Organización Mundial de la Salud. (SUNASS, 2004) 8 Tabla 2 Límites Máximos Permisibles para la Calidad del Agua Potable en el Perú Parámetro Límite máximo Referencia permisible Coliformes totales, UFC/100mL 0 (1) Coliformes termotolerantes, UFC/100mL 0 (1) Bacterias heterotrótricas, UFC/mL 500 (1) pH 6.5 - 8.5 (1) Turbiedad, UNT 5 (1) Conductividad, 25°C uS/cm 1500 (3) Color, UCV-Pt-Co 20 (2) Cloruros, mg/L 250 (2) Sulfatos, mg/L 250 (2) Dureza, mg/L 500 (3) Nitratos, mg NO3/L (*) 50 (1) Hierro, mg/L 0.3 (2) Manganeso, mg/L 0.2 (2) Aluminio, mg/L 0.2 (1) Cobre, mg/L 3 (2) Plomo, mg/L (*) 0.1 (2) Cadmio, mg/L (*) 0.003 (1) Arsénico, mg/L (*) 0.1 (2) Mercurio, mg/L (*) 0.001 (1) Cromo, mg/L (*) 0.05 (1) Flúor, mg/L 2 (2) Selenio, mg/L 0.05 (2) Nota: (1) Valores tomados provisionalmente de los valores guía de la OMS. (2) Valores establecidos por “Reglamento de requisitos oficiales físicos, químicos y bacteriológicos que deben reunir las aguas de bebida para ser considerados (3) En el caso de los parámetros de conductividad y dureza, considerando que son parámetros que solo afecta la calidad estética del agua. (*) Compuestos tóxicos. Fuente: SUNASS (2004) Los parámetros físicos y químicos que determinan la calidad del agua se dividen en dos grupos: uno conformado por los compuestos que afectan la aceptabilidad del agua por parte de la población y generan quejas, pero que no afectan directamente la salud: turbiedad, pH, conductividad, cloruros, sulfatos, dureza, hierro, manganeso, aluminio y otro conformado por aquellos compuestos que sí afectan la salud: nitratos, plomo, arsénico, cadmio, mercurio, cromo, etc. (SUNASS, 2004). 2.1.2. AGUA DESTILADA “El agua destilada es aquella sustancia cuya composición se basa en la unidad de moléculas de H2O y ha sido purificada o limpiada mediante destilación” (Wikipedia, 2022). 9 Cuando el agua ha sido destilada se ha perdido iones presentes (magnesio, calcio, etc.), además de otros elementos de diferentes puntos de ebullición (metales, amonio, dióxido de carbono, etc.). El agua destilada, al estar libre de estos compuestos, no requiere de potabilización. El agua destilada y el agua con bajo contenido en minerales pueden tener características negativas en cuanto al gusto y a la menor capacidad de saciar la sed, pero son perfectamente bebibles, y no causan ningún daño al organismo. (OMS, 2006). 2.1.3. IMPORTANCIA DEL AGUA Y SU ESCASEZ EN EL MUNDO El agua salubre y fácilmente accesible es importante para la salud pública, ya sea que se utilice para beber, para uso doméstico, para producir alimentos o para fines recreativos. La mejora del abastecimiento de agua, del saneamiento y de la gestión de los recursos hídricos puede impulsar el crecimiento económico de los países y contribuir en gran medida a la reducción de la pobreza. En 2010, la Asamblea General de las Naciones Unidas reconoció explícitamente el derecho humano al abastecimiento de agua y al saneamiento. Todas las personas tienen derecho a disponer de forma continuada de agua suficiente, salubre, físicamente accesible, asequible y de una calidad aceptable, para uso personal y doméstico. (OMS, 2019). 10 Figura 2 Importancia del Agua para la Salud Fuente: Tomada de https://rpp.pe/lima/actualidad/importancia-del-agua-para-la-salud- noticia-758801 2.1.3.1. Estadísticas sobre el Agua A continuación, veremos algunos datos interesantes que nos proporciona la Organización Mundial de la Salud, referente al tema del agua. En 2015, el 71% de la población mundial (5200 millones de personas) utilizaba un servicio de suministro de agua potable gestionado de forma segura, es decir, ubicado en el lugar de uso, disponible cuando se necesita y no contaminado. El 89% de la población mundial (6500 millones de personas) utilizaba al menos un servicio básico, es decir, una fuente mejorada de suministro de agua potable para acceder a la cual no es necesario un trayecto de ida y vuelta superior a 30 minutos. 844 millones de personas carecen incluso de un servicio básico de suministro de agua potable, cifra que incluye a 159 millones de personas que dependen de aguas superficiales. En todo el mundo, al menos 2000 millones de personas se abastecen de una fuente de agua potable que está contaminada por heces. Se calcula que la contaminación del agua potable provoca más de 502 000 muertes por diarrea al año. De aquí a 2025, la mitad de la población mundial vivirá en zonas con escasez de agua. (OMS, 2019). 11 2.1.3.2. Agua y Salud Los servicios de agua y saneamiento inexistentes, insuficientes o gestionados de forma inapropiada exponen a la población a riesgos prevenibles para su salud. Esto es especialmente cierto en el caso de los centros sanitarios en los que tanto los pacientes como los profesionales quedan expuestos a mayores riesgos de infección y enfermedad cuando no existen servicios de suministro de agua, saneamiento e higiene. A nivel mundial, el 15% de los pacientes contraen infecciones durante la hospitalización por escasez de servicios de agua, proporción que es mucho mayor en los países de bajos ingresos. (OMS, 2019). 2.1.3.3. Enfermedades por consumo de Aguas Contaminadas La escasez de agua y la falta de sistemas de potabilización adecuados obligan a recurrir a fuentes de agua contaminadas que pueden provocar enfermedades. En base a los datos de la Organización Mundial de la Salud, se puede afirmar que el agua contaminada puede transmitir enfermedades como la diarrea, el cólera o la poliomielitis. La contaminación del agua produce más de 502.000 muertes por diarrea al año. Además, la falta de agua, puede producir deshidratación y generar ulteriores complicaciones. (ACNUR Comité Español, 2019). Figura 3 Consecuencias de la Escasez de Agua en el Mundo Fuente: ACNUR Comité Español (2019) 12 La gestión inadecuada de las aguas residuales urbanas, industriales y agrícolas conlleva que el agua que beben cientos de millones de personas se vea peligrosamente contaminada o polucionada químicamente. Se calcula que unas 842 000 personas mueren cada año de diarrea como consecuencia de la insalubridad del agua, de un saneamiento insuficiente o de una mala higiene de las manos. En muchas partes del mundo, los insectos que viven o se crían en el agua son portadores y transmisores de enfermedades como el dengue. Algunos de estos insectos, denominados vectores, crecen en el agua limpia, y los contenedores domésticos de agua de bebida pueden servir como lugares de cría. Tan solo con cubrir los contenedores de agua es posible reducir la cría de vectores, y reducir también la contaminación fecal del agua en el ámbito doméstico. (OMS, 2019). 2.1.3.4. Acceso al Agua En los objetivos de desarrollo del milenio, la meta de reducir la proporción de población mundial sin acceso sostenible a agua potable se midió mediante el indicador de la población que utilizaba fuentes mejoradas de suministro de agua potable, pero sin tener en cuenta la ubicación, disponibilidad o calidad del agua. 13 Figura 4 Abastecimiento de Agua Potable por Camión Cisterna en Arequipa Fuente: Tomada de https://rpp.pe/peru/arequipa/el-80-de-la-poblacion-de-la-provincia-de- arequipa-no-tendra-agua-potable-noticia-1052538 En 2015, 5200 millones de personas utilizaban servicios de suministro de agua potable gestionados de forma segura, es decir, utilizaban fuentes mejoradas de suministro de agua situada en el lugar de uso, disponible cuando se necesitaban y no contaminadas. Entre los restantes 2100 millones de personas sin servicios gestionados de forma segura se contaban en 2015: - 1300 millones de personas con servicios básicos, es decir, con acceso a una fuente mejorada de suministro de agua a menos de 30 minutos en un trayecto de ida y vuelta. - 263 millones de personas con servicios limitados, o sea una fuente mejorada de suministro de agua para acceder a la cual se precisan más de 30 minutos. - 423 millones de personas que se abastecen de agua procedente de pozos y manantiales no protegidos. - 159 millones de personas que recogen agua superficial no tratada en lagos, estanques, ríos o arroyos. Persisten acusadas desigualdades geográficas, socioculturales y económicas, no solo entre las zonas rurales y urbanas, sino también en el seno de las ciudades, donde las personas 14 que viven en asentamientos informales, ilegales o de bajos ingresos tienen por lo general un menor acceso a fuentes mejoradas de abastecimiento de agua potable que otros residentes. (OMS, 2019). 2.1.3.5. Desafíos que Afrontar El cambio climático, el aumento de la escasez de agua, el crecimiento de la población, los cambios demográficos y la urbanización ya suponen desafíos para los sistemas de abastecimiento de agua. De aquí a 2025, la mitad de la población mundial vivirá en zonas con escasez de agua. La reutilización de las aguas residuales para recuperar agua, nutrientes o energía se está convirtiendo en una estrategia importante. Los países están utilizando cada vez más las aguas residuales para regar: en los países en desarrollo, esto representa el 7% de las tierras de regadío. Si bien esta práctica plantea riesgos para la salud, la gestión segura de las aguas residuales puede aportar múltiples, como el aumento de la producción de alimentos. (OMS, 2019) Figura 5 Crecimiento Poblacional y Cambio Climático aumentan la Escasez de Agua Fuente: Tomada de https://definicionyque.es/crecimiento-poblacional/ Las fuentes de abastecimiento de agua potable y de riego seguirán evolucionando, con una presencia cada vez mayor de las aguas subterráneas y de fuentes alternativas, como las 15 aguas residuales. El cambio climático conllevará mayores fluctuaciones en la cantidad de agua de lluvia recogida. La gestión de todos los recursos hídricos tendrá que mejorarse para garantizar el abastecimiento y la calidad. (OMS, 2019). 2.1.4. CONSUMO MÍNIMO DE AGUA POTABLE POR HABITANTE El agua se pierde a través de la orina y las heces; por la respiración y a través de la piel (pérdidas insensibles); y mediante sudor, especialmente a temperaturas ambiente más altas y niveles más altos de actividad. La ingesta de agua suficiente es necesaria para reponer las pérdidas y atener el equilibrio hídrico normal del organismo. La deshidratación ocurre cuando el cuerpo recibe agua insuficiente. (OMS, 2020) El Instituto de Medicina de la Academia de Ciencias de los Estados Unidos (IOM) publicó los niveles de ingesta de agua adecuados, basados en estimaciones de observaciones y evidencia experimental, que refleja la ingesta media de agua en individuos sanos de EE. UU. y Canadá que viven en climas templados, esto representa la ingesta total de agua (agua, bebidas y alimentos). Para varones y mujeres adultos, la ingesta de agua recomendada es 3.7 y 2,7 L/día, respectivamente Por otra parte se recomienda 0,3 L/día y 1,1 L/día adicionales para mujeres embarazadas y lactantes, respectivamente. Tabla 3 Ingesta adecuada de Agua y Bebida total para Climas Templados Varón Mujer Etapa de vida Bebidas (L/día) Agua total (L/día) Bebidas (L/día) Agua total (L/día) 0 a 6 meses 0.7 0.7 0.7 0.7 7 a 12 meses 0.6 0.8 0.6 0.8 1 a 3 años 0.9 1.3 0.9 1.3 4 a 8 años 1.2 1.7 1.2 1.7 9 a 13 años 1.8 2.4 1.6 2.1 14 a 18 años 2.6 3.3 1.8 2.3 Más de 19 años 3.0 3.7 2.2 2.7 En embarazo - - 2.3 3.0 En lactación - - 3.1 3.8 Fuente: OMS (2020) 16 La definición de la cantidad de agua “mínima absoluta” para sostener la hidratación sigue siendo esquiva, ya que depende de factores fisiológicos individuales, clima, actividad y dieta. Aun así, la cantidad de agua requerida para la hidratación (ingesta total directa, incluyendo alimentos) debe ser como mínimo de 3,2 L/día para adultos en climas templados. Para tiempos de trabajo moderados a temperaturas moderadamente altas esto podría aumentar a 4.6 L/día. Tabla 4 Ingesta de Agua Recomendada para Mantenerse Hidratado INGESTA DE AGUA (L/persona/día) CATEGORÍA Actividad física moderada a Lactación, actividad física moderada Sedentaria/Moderada temperatura cálida a temperatura cálida (6.5 horas entre 28 a 32°C) Mujer adulta 2.7 4.6 5.3 Varón adulto 3.2 4.6 - Volumen mínimo recomendado 3.2 4.6 5.3 Fuente: OMS (2020) Para períodos más largos de tiempo, con actividad física moderada a temperaturas más altas y trabajo mucho más extenuante o el calor más extremo esta ingesta de agua puede aumentar sustancialmente. Estas cifras se aplican a todo individuo y abarcan rangos sobre impactos beneficiosos para la prevención de las enfermedades coronarias y la aparición de cálculos renales. (OMS, 2020) 2.2. ENERGÍA SOLAR 2.2.1. DEFINICIONES 2.2.1.1. El SOL El Sol es la estrella cercana a la tierra catalogada como una estrella enana amarilla, tiene un diámetro aproximado de 1.39 x 109 m y una masa de 2.0 x 1030, emite radiación en forma 17 continua a razón de 3.8 x 10 26 W, y aproximadamente 1.7 x 1017 W choca contra la tierra, lo cual es suficiente para mantenerla caliente y poder sostener la vida. Debido a la reacción continúa llamada fusión en la cual dos átomos de hidrogeno se funden para formar uno de helio se producen temperaturas tan elevadas como 40 000 000 K en su núcleo y 5 800 K en la región exterior. El Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro, el cual emite energía siguiendo la ley de Planck (Cengel & Ghajar, 2011). 2.2.1.2. ENERGÍA SOLAR Es la obtenida del aprovechamiento de la radiación electromagnética proveniente del Sol (luz, calor y rayos ultravioleta), que recorre una distancia aproximada de 150 millones de kilómetros en 8 minutos y 20 segundos hasta nuestro planeta. La energía solar es una forma de energía renovable fuente de otras formas de energía conocidas como la eólica e hidráulica. Figura 6 Mapa Mundial de Irradiación Solar Global Horizontal Fuente: Tomado de https://globalsolaratlas.info/download?c=-9.449062,-10.546875,2 Existen diversas formas para el aprovechamiento de la energía solar, siendo las más utilizadas por conversión térmica y por conversión fotovoltaica. Las diferentes tecnologías solares se pueden clasificar en pasivas o activas según como capturan, convierten y distribuyen 18 la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores solares térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa térmica favorable o que tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de espacios mediante ventilación natural. (Wikipedia, 2022). 2.2.1.3. RADIACIÓN SOLAR Es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol, La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas son absorbidas por los gases de la atmósfera. (Wikipedia, 2022) El espectro de radiación solar es una representación gráfica de la variación de la energía de radiación en función de la longitud de onda. Figura 7 Espectro de la Radiación Solar Fuente: Wikipedia (2022) La palabra radiación se aplica al cuerpo que emite, mientras que irradiación se aplica al cuerpo expuesto. La superficie terrestre es irradiada por lo que los mapas solares son de 19 irradiación solar, sin embargo, es común usar el término radiación para referirse a la irradiación. En cuanto a la medición de irradiación solar es común utilizar los siguientes términos: Irradiancia Solar: Es la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación solar, su unidad es el W/m2. Irradiación Solar: Es la energía solar obtenida por unidad de área, expresando la energía en función de la potencia y el tiempo, su unidad es el Wh/m2. 2.2.1.3.1. TIPOS DE RADIACIÓN SOLAR En relación a como se recibe la radiación respecto a la superficie terrestre tenemos: Radiación Solar Directa: Es la que se recibe directamente, se distingue por proyectar una sombra definida en los cuerpos que la interceptan. Radiación Solar Difusa: Es la que va en todas las direcciones, como resultado de las reflexiones y absorciones de todos aquellos cuerpos que fueron interceptados por la radiación directa. Se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los objetos interpuestos, las superficies horizontales reciben más radiación difusa. Radiación Solar Reflejada: Es la reflejada por la superficie terrestre, la cantidad depende del coeficiente de reflexión de la superficie también llamado albedo, las superficies horizontales no reciben nada de radiación reflejada. Radiación Solar Global: Es el resultado de la radiación directa y difusa, y que normalmente se mide en una superficie horizontal. Radiación Solar Extraterrestre: Es la radiación solar incidente en el tope de la atmosfera terrestre. 20 Figura 8 Tipos de Radiación Solar Fuente: Tomado de http://www.ideam.gov.co/web/tiempo-y-clima/la-radiacion-solar-y-su- paso-por-la-atmosfera 2.2.1.3.2. VARIACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR La energía solar varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la tierra y el sol, tomando en cuenta que esta distancia varia a lo largo del año y en base a diferentes latitudes tenemos el siguiente gráfico: Figura 9 Variación de la Radiación Solar Extraterrestre - Hemisferio Sur Fuente: SENAMHI (2003) 21 2.2.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA De acuerdo al nivel de temperatura de funcionamiento podemos clasificarlas como: 2.2.2.1. SISTEMAS DE ALTA TEMPERATURA Temperaturas mayores a los 800 °C son alcanzadas, a través de receptores como en las centrales de torre y a través de discos parabólicos. Mediante estos se consigue que la radiación solar caliente a alta temperatura un fluido primario llamado fluido caloportador, luego este transmite el calor a un circuito secundario el cual trabaja con un segundo fluido normalmente agua que por la acción de ganancia de calor se convierte en vapor y este pone en marcha a una turbina acoplada a un generador eléctrico. 2.2.2.1.1. Centrales Tipo Torre Se distingue porque está constituida de un grupo de concentradores individuales llamados helióstatos que guían la radiación solar concentrada hacia un receptor central situado en la torre. Este conjunto de espejos o helióstatos pueden moverse mediante servomotores. Figura 10 Central Termosolar Tipo Torre Fuente: Tomado de https://www.revistaenergia.com/?p=13212 22 2.2.2.1.2. Discos Parabólicos Están compuestos por un reflector con forma paraboloide, además de receptor situado en el foco de dicho paraboloide y un equipo de generación eléctrica compacto normalmente turbina más generador o por motor Stirling. El principio de funcionamiento se basa en concentrar la radiación solar en el paraboloide, y reflejar esta energía sobre el receptor, donde se convierte energía térmica y esta es utilizada para generar electricidad a través del equipo generador turbina. (De la Cuesta Corado, s.f.) Figura 11 Disco Parabólico de Stirling Fuente: Tomado de https://revistadigital.inesem.es/gestion-integrada/centrales-termosolares- en-espana/ 2.2.2.2. SISTEMAS DE MEDIA TEMPERATURA Para estos sistemas el rango máximo de temperatura está cercano a los 300 °C. Las aplicaciones están asociados a procesos industriales y pequeñas centrales termosolares. 2.2.2.2.1. Concentradores Cilindro Parabólicos Está compuesto de espejos cilindros parabólicos los cuales reflejan la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor ubicado en una línea focal. Este concentrador 23 produce el calentamiento del fluido que circula por un tubo receptor. Por otro lado, estos dispositivos no captan la radiación solar difusa debido a su geometría de diseño, son realmente eficaces sobre todo cuando cuentan con sistemas de rastreo solar y alcanzan temperatura alrededor de los 400 °C. Figura 12 Concentrador Solar Tipo Cilindro Parabólico Fuente: Tomado de http://www.agrificiente.cl/instalacion-captadores-cilindro-parabolicos- seguimiento-solar/ 2.2.2.2.2. Concentradores Fresnel Se reemplaza los espejos cilindros parabólicos por espejos planos que operan en conjunto y los cuales tienen diversas inclinaciones a fin de focalizar mejor la radiación solar reflejada. La ventaja de usar los espejos planos en vez de los cilindros parabólicos es la reducción del costo de fabricación de estos. Este tipo de concentradores permiten llegar a temperaturas medias alrededor de los 400°C para Fresnel lineales de grandes dimensiones. 24 Figura 13 Concentrador Tipo Fresnel Fuente: Tomado de https://revistadigital.inesem.es/gestion-integrada/centrales-termosolares- en-espana/ 2.2.2.3. SISTEMAS DE BAJA TEMPERATURA El rango de temperatura para estos sistemas se encuentra por debajo de los 90 °C. Una característica de estos sistemas es la utilización de colectores solares planos e intercambiadores de calor. Su sector de aplicación común es en edificios, viviendas, hoteles, oficinas, etc. 2.2.2.3.1. Agua Caliente Sanitaria (ACS) Aplicado al sector doméstico y de servicios. El ACS se usa normalmente a una temperatura menor a los 45 °C. Esta temperatura puede ser alcanzada sin mayores problemas mediante captadores o también llamados colectores solares planos que llegan alcanzar temperaturas alrededor de los 80 °C. Cuando la radiación solar es muy escasa debido entre otras causas a las variaciones a lo largo del año se utiliza sistemas auxiliares para ayudar al calentamiento que habitualmente suele ser gas o energía eléctrica. Según el sistema de circulación las instalaciones pueden ser: Sistemas Naturales o de Termosifón: Ocurre por convección natural, esto es de la siguiente manera, el fluido caloportador asciende a medida que aumenta su temperatura como 25 consecuencia de la radiación solar, hasta alcanzar el acumulador que se encuentra encima de captador a este transfiere su calor para luego volver al captador a baja temperatura, de ahí se repite este ciclo. Aquí no existe el funcionamiento de otros mecanismos auxiliares como bombas ni controles, por lo que se requiere de un diseño y montaje muy detallado para logran un aprovechamiento eficiente. Figura 14 Sistema Natural o Termosifón para Obtención de ACS Fuente: Tomado de http://www.actiweb.es/solarenovable/pagina2.html Sistemas Forzados: Se destaca por la utilización de una o más bombas, esta impulsa el agua a través de los captadores. Las bombas son activadas en función de las temperaturas que dispongamos en los acumuladores y captadores, por lo que estos sistemas llevan un sistema de regulación. Estos sistemas tienes un mayor coste de instalación y mantenimiento debido a mayor cantidad de componentes. 26 Figura 15 Sistema Forzado para Obtención de ACS Fuente: https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn188.html#seccion12 2.2.3. CÁLCULO SOLAR 2.2.3.1. CÁLCULO DE LA IRRADIACIÓN SOLAR 2.2.3.1.1. Ángulo de Declinación Solar (𝛅) Permite mediante coordenadas geocéntricas, localizar la posición angular del sol, y es el ángulo entre la línea Sol-Tierra y el plano Ecuatorial celeste (proyección del Ecuador terrestre). Figura 16 Ángulo de Declinación Solar Fuente: Imágenes Google (2022) La declinación solar es cero en las fechas de los equinoccios, (21 de marzo y 22 de septiembre) variando cíclicamente de +23,45° que corresponde al solsticio de verano (junio 22) 27 a -23,45° que corresponde al solsticio de invierno (diciembre 22), entonces: -23.45° < δ <+23.45. La siguiente ecuación sirve para calcular este ángulo. 360∗(284+n) δ = 23.45 ∗ sen [ ] Ec. (1) 365 Donde: δ : Ángulo de declinación solar [°] n : Número de día del año, 1 ≤ n ≤ 365 [-] 2.2.3.1.2. Ángulo Horario (𝛚𝐬) Es el ángulo de desviación con respecto al mediodía. Para la medición de este ángulo, se considera al mediodía como 0°, cada hora equivale a 15°. Su valor será, ω < 0 en la mañana y ω > 0 en la tarde. Es el desplazamiento angular del sol hacia el este o el oeste del meridiano local, debido al movimiento de rotación de la tierra alrededor del eje. Figura 17 Ángulo Horario Fuente: Imágenes Google (2022) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: ωs = acos[−tan( δ) ∗ tan( ф)] Ec. (2) 28 Donde: ωs : Ángulo horario o ángulo del ocaso [°] ф : Latitud de la zona [°] 2.2.3.1.3. Horas Sol Teóricas (𝐍𝐭) El número de horas teóricas se puede calcular por medio de la siguiente ecuación: 2 Nt = ∗ ωs Ec. (3) 15 Donde: Nt : Número de horas sol teóricas [h] 2.2.3.1.4. Factor de Corrección de la Excentricidad de la Órbita Terrestre (𝛜𝐨) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: 360∗n ϵo = 1 + 0.033 ∗ cos ( ) Ec. (4) 365 Donde: ϵo : Factor de corrección de la excentricidad de la órbita terrestre [-] 2.2.3.1.5. Constante Solar o Irradiancia Solar Total (𝐆𝐬𝐜) Es la cantidad de energía recibida (en forma de radiación solar) por unidad de tiempo y superficie, medida en la parte externa de la atmósfera terrestre sobre un plano perpendicular a los rayos del sol. W Gsc = 1353 [ ]2 , (NTP 399.400, 2001) m 2.2.3.1.6. Irradiación Solar Extraterrestre sobre una Superficie Horizontal (𝐈𝐨) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: 29 12 Io = Gsc ∗ ϵo ∗ {sen(δ) ∗ sen(ϕ) ∗ (t2 − t1) + ∗ cos(δ) ∗ cos(ϕ) ∗ [sen(15 ∗ t1) − sen(15 ∗ tπ 2 )]} Ec. (5) Donde: W∗h Io : Irradiación solar extraterrestre sobre una superficie horizontal [ ] m2 W Gsc : Constante solar [ ] m2 t1, t2 : Tiempo inicial y final del brillo solar efectivo medido en hora militar [h] 2.2.3.1.7. Irradiación Solar Global Terrestre sobre una Superficie Horizontal (𝐈) Modelo de Angstrom-Prescott (Atlas de Energía Solar del Perú, 2003) n I = I0 ∗ [a + b ∗ ( r)] Ec. (6) Nt Donde: W∗h I : Irradiación solar global terrestre sobre una superficie horizontal [ ] m2 nr : Número de horas sol reales [h] a, b : Coeficientes empíricos, representan la transmisibilidad de la atmosfera a=0.593, b=0.181 (Atlas de Energía Solar del Perú, 2003) 2.2.3.1.8. Índice de Claridad Horaria (𝐊𝐓) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: I KT = Ec. (7) I0 Donde: KT : Índice de claridad horaria [-] 2.2.3.1.9. Irradiación Solar Difusa sobre una Superficie Horizontal (𝐈𝐝𝐢𝐟) Las siguientes relaciones son aplicables para calcular este parámetro: 30 Modelo de Orgill y Hollands para determinar la Irradiación Solar Difusa. Donde: W∗h Idif : Irradiación solar difusa sobre una superficie horizontal [ ] m2 Idif : Fracción difusa [-] I 2.2.3.1.10. Irradiación Solar Directa sobre una Superficie Horizontal (𝐈𝐝𝐢𝐫) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: Idir = I − Idif Ec. (11) Donde: W∗h Idir : Irradiación solar directa sobre una superficie horizontal [ ]m2 2.2.3.1.11. Factor para el cambio del Ángulo de Incidencia (𝐑𝐛) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: 12 sen(δ)∗sen(ϕ−θ)∗(t2−t1)+ ∗cos(δ)∗cos(ϕ−θ)∗[sen(15∗t1)−sen(15∗t2)] Rb = π 12 Ec.(12) sen(δ)∗sen(ϕ)∗(t2−t1)+ ∗cos(δ)∗cos(ϕ)∗[sen(15∗t1)−sen(15∗tπ 2 )] Donde: Rb : Factor para el cambio del ángulo de incidencia [-] θ : Ángulo de inclinación de la cubierta receptora [°] 31 2.2.3.1.12. Irradiación Solar Directa sobre una Superficie Inclinada (𝐈𝐝𝐢𝐫,𝛉) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: Idir,θ = Idir ∗ Rb Ec. (13) Donde: W∗h Idir,θ : Irradiación solar directa sobre una superficie inclinada [ ] m2 2.2.3.1.13. Irradiación Solar Difusa sobre una Superficie Inclinada (𝐈𝐝𝐢𝐟,𝛉) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: 1+cos(θ) Idif,θ = Idif ∗ ( ) Ec. (14) 2 Donde: W∗h Idif,θ : Irradiación solar difusa sobre una superficie inclinada [ ]m2 2.2.3.1.14. Irradiación solar Reflejada sobre una Superficie Inclinada (𝐈𝐫𝐞𝐟,𝛉) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: 1−cos( θ) Iref,θ = I ∗ ( ) ∗ ρ𝑠 Ec. (15) 2 Donde: W∗h Iref,θ : Irradiación solar reflejada sobre una superficie inclinada [ ]2 m ρ𝑠 : Coeficiente de reflexión del suelo o albedo [-] 2.2.3.1.15. Irradiación Solar Total sobre una Superficie Inclinada (𝐈𝐓) La siguiente ecuación sirve para calcular este parámetro: IT = Idir,θ + Idif,θ + Iref,θ Ec. (16) 32 Donde: W∗h IT : Irradiación solar total sobre una superficie inclinada [ ] m2 2.3. DESTILACIÓN SOLAR 2.3.1. DEFINICIÓN Es una reproducción a menor escala y de manera acelerada del ciclo hidrológico o natural del agua. El fenómeno natural de evaporación y condensación, se reproduce en un dispositivo cerrado llamado destilador solar, el cual tiene como fuente energética la radiación solar para la obtención de agua pura a partir de agua contaminada o salobre. La destilación de agua con energía solar puede ser una las soluciones más económicas y practicas a los problemas de escasez de agua para el consumo humano, así lo afirman diferentes organizaciones e instituciones a nivel mundial. La destilación solar pertenece al grupo de los métodos o tecnologías de desalinización. Ésta se caracteriza por la obtención de agua fresca o consumible a través de fuentes de energía renovable. Aunque este método se enfoca principalmente en la desalinización de agua de mar, bien puede ser aplicado sin mayor problema para la obtención de agua pura a partir de otros tipos de aguas contaminadas. 2.3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La manera más sencilla de entender el proceso de destilación solar que ocurre en un destilador es el siguiente: El agua contaminada entra en una fuente ubicada en la parte inferior del destilador o alambique solar, en ella se calienta debido a la absorción de la radiación solar que ocurre en este dispositivo cerrado. Conforme aumenta la temperatura en el interior del destilador el agua contaminada comienza a evaporarse. El vapor húmedo de agua asciende hasta la cubierta superior transparente, que está a menos temperatura que la fuente, en cuya superficie 33 parte del vapor de agua se condensa, deslizándose por gravedad hasta caer en un canal de recolección. En la siguiente figura se puede apreciar un destilador básico donde ocurre el proceso de destilación solar. Figura 18 Destilador o Alambique Solar de Una Vertiente. Fuente: Tomado de http://dgpcfadu.com.ar/2013/1_cuat/jt04/tp/proyecto1.html Este proceso elimina todas las impurezas, como sales o metales pesados que se quedan en la bandeja, y además este proceso elimina ciertos microbios. El resultado final es agua limpia y pura tal como el agua de lluvia. 2.3.3. CARACTERÍSTICAS 2.3.3.1. Campo de aplicación La destilación solar resulta una buena alternativa técnica y económica en relación a otras formas de obtención o tratamiento de agua para consumo humano aplicado a zonas rurales, zonas agrorurales, zonas deprimidas con escasez de aguas limpias donde residen grupos reducidos de personas como pequeños y medianos asentamientos o comunidades, zonas que no disponen de sistemas energéticos necesarios como zonas áridas y aisladas de la población que 34 reciben buena radiación solar diaria y continua, zonas cercanas a fuentes de aguas contaminadas como pozos, ríos, lagos o mares. 2.3.3.2. Ventajas La destilación solar provee agua bebible limpia sin gastos continuos de dinero, además en su funcionamiento no se requiere filtros, ni membranas, ni aditivos químicos, ni fuentes continúas de energía, tampoco requiere de mantenimiento u operación especializada. La vida útil de un destilador solar puede ser mayor a los 20 años, aunque influye mucho el material del cual está hecho. La destilación solar es un proceso seguro y amigable con el medio ambiente que brinda buena calidad en el agua obtenida. Con este método se puede tratar varios tipos de fuente de agua contaminada como el agua de mar, agua subterránea, agua de rio y aguas empozadas. 2.3.3.3. Limitaciones La destilación solar por su parte es práctica para cierta etapa del tratamiento de agua, y específicamente para remover sustancias poco volátiles como las sales minerales, además destruye microorganismos que son eliminados por los efectos de las altas temperaturas que se alcanza en el evaporador. No es recomendable el uso del destilador solar para aguas con altas cantidades de contaminantes, aunque si se podría obtener resultados favorables, sin embargo, requeriría un mantenimiento intensivo para continuar operando correctamente, lo que a su vez incrementaría los costos, sobre todo si la aplicación de los destiladores es a gran escala. En el caso de sustancias con volatilidad mayor que la del agua (que cambia de fase de líquido a vapor antes que el agua) el destilador también podría funcionar si se diseña adecuadamente, aunque esto no sería conveniente en nuestro objetivo, porque la eficiencia de remoción sería muy baja. Para contaminantes con volatilidad semejante a la de agua, la destilación solar no es el proceso adecuado para su separación. 35 2.3.4. CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE DESTILADORES SOLARES La destilación solar se clasifica en dos grupos: La destilación solar pasiva, donde se agrupan los primeros destiladores solares construidos y estudiados, y la destilación solar activa en cuyo grupo se encuentran sistemas más complejos, con niveles de eficiencia y productividad mayores a la destilación pasiva. La siguiente gráfica presenta una clasificación resumida de la destilación solar, dentro de esta encontramos diferentes tipos de destiladores solares y varios sistemas de destilación. Figura 19 Clasificación de los Sistemas de Destilación Solar y Tipos de Destiladores Solares más comunes Fuente: Elaboración basada en Sampathkumar (2010) 2.3.4.1. Destilación Solar Pasiva Los destiladores pasivos tienen una baja producción causada por la baja temperatura que alcanzan ya que operan principalmente bajo convección natural, en estos dispositivos se 36 requiere fortalecer el calor en el agua y la transferencia de masa. La inercia térmica del agua dentro de la fuente y el calor latente de condensación son relativamente bajos. En un destilador solar pasivo, la radiación solar es recibida directamente por la fuente colectora y es la única fuente de energía para elevar la temperatura del agua, y en consecuencia ocurre una menor evaporación que conduce a una menor productividad. Este es el principal inconveniente de un destilador solar pasivo (Sampathkumar, 2010) 2.3.4.2. Destilación Solar Activa Con el fin de superar el problema de baja productividad de los destiladores solares pasivos, se desarrollaron estos tipos de destiladores. Aquí una energía térmica adicional se suministra a la fuente a través de un modo externo para aumentar la tasa de evaporación (Sampathkumar, 2010). Se han concebido más de 10 tipos de diseños de destiladores solares activos, y existe mucha investigación sobre estos. En destiladores con equipos auxiliares estáticos, la temperatura de operación de un destilador solar activo se incrementa drásticamente, y el calor interno y el proceso de transferencia de masa son mejorados. Además, en la mayoría de los sistemas activos de destilación solar se puede reutilizar el calor latente que el vapor libera durante el proceso de condensación; por lo tanto, estos sistemas pueden conseguir una producción de agua más del doble que los sistemas tradicionales de destilación solar. Este es la causa raíz de la amplia atención que se presta actualmente a los destiladores solares activos. En la siguiente tabla se puede apreciar un estudio comparativo de algunos destiladores solares activos desarrollados. Este estudio resalta la producción de agua destilada obtenida, el lugar donde se realizó el estudio y algunas observaciones adicionales. 37 Tabla 5 Estudio comparativo de algunos Destiladores Solares Activos Tipo de Destilador Solar Lugar de Prueba Descripción Resultado Experimental Observaciones Activo Alambique: 1 vertiente 50% más que el modo termosifon La bomba es requerida para suministrar agua Destilador solar acoplado con Área: 1m x 1m 120% más que el alambique solar pasivo de 1 vertiente Requiere eléctricidad para operar la bomba colector solar de placa plana New Delhi, India Ángulo del colector: 45° Destilación máxima 6.75 Kg/m^2 Puede ocurir dificultades en la operación del sistema (Modo circulación forzada) Razón de flujo: 1.15 kg/min Desde un punto de vista económico la bomba debería ser usada en las mañanas y tardes Alambique: 1 vertiente 36% más que el destilador solar pasivo de 1 vertiente La producción es menor que modo circulación forzada Destilador solar acoplado con Área: 1m x 1m Destilación máxima 3.5 L/m^2 Facíl operación colector solar de placa plana Amman, Jordan Ángulo del colector: 35° Ángulo óptimo para Jordan es 10° en invierno El destilador solar de doble vertiente tiene menor rendimiento que el de una vertiente (Modo circulación natural) Aislamiento: Lana de roca, espesor 6 cm Destilación promedio 7.5 litros/día en modo activo con un arreglo del flujo de agua La operación y el mantenimiento es dificultoso Alambique: 1 vertiente Destilación promedio 2.2 a 3.9 litros/día en modo pasivo y modo activo respectivamente, sin un arreglo En el modo doble efecto no incrementa significativamente la producción diaria porque Área: 1m x 1m del flujo de agua es dificil mantener una uniforme y baja razón de flujo sobre la cubierta de vidrio Ángulo del alambique: 15° Destilador solar activo de doble Ángulo del colector:45 New Delhi, India efecto Longitud del colector: 1m Razón de flujo: 40 ml/min Espacio entre vidrios: 20cm Bomba: 0.2 HP Producción obtenida fue 2.75 litros/día con el alambique modificado y 2 litros/día con el alambique Díametro tubo de cobre: 9.25mm Este sistema es más económico que otros convencionales convencional Longitud tubo de cobre: 1.44m Destilador solar acoplado con El máximo portentaje alcanzado fue 35% en un perioro de 15 horas con el alambique modificado Se utilizó una bomba y un motor para este estudio Giza, Egipto Alambique: 1 vertiente concentrador parabólico Tiene más componentes que otros sistemas similares Área del alambique: 1m^2 Área del colector: 80cm y 0.04cm de espesor Presenta mayor rendimiento que un colector solar de placa plana debido a la mayor Producción máxima 14.684 Kg/día obenida con el doble efecto Alambique: 1 vertiente concentración de la radiación solar Área: 1m x 1m El rendimiento por hora decrese con la razón de flujo debido al gasto de agua caliente en la parte superior Requiere mayor mantenimiento Destilador de doble efecto acoplado Área del colector CPC: 1m x 1m de la fuente New Delhi, India con concetrador parabólico Longitud del colector: 1m El seguidor solar puede ser ajustado manualmente para alcanzar la máxima radiación. La operación es muy suceptible Modo circulación forzada Mantener la temperatura de la cubierta de vidrio es un factor crucial Razón de Flujo: 0.0027Kg/s Hoy en día los colectores de tubos al vacio pueden llegar a ser tan económicos como los Alambique: 1 vertiente La producció diaria total calculada fue 4Kg/m^2 usando análisis teórico colectores solares de placa plana Área del alambique: 1m^2 Destilador solar acoplado con La eficiencia térmica general es 17.22%, la cual es mayor que un colector solar de placa plana Es la mejor opción para la producción de agua caliente y agua destilada simultaneamente New Delhi, India Masa de agua en la fuente: 50 Kg colector de tubos al vació Área del colector de tubos al vacio: 2 m^2 Razón de Flujo: 0.035Kg/s Mayor rendimiento comparado con el destilador solar pasivo Alto costo del módulo PV Alambique: 1 vertiente Los valores promedios de los coeficientes de transferencia de calor por convección y evaporación El periodo de retorno de inversión para un destilador solar pasivo es 1.1 a 6.2 años Área del alambique: 1m x 1m Destilador solar acoplaco con fueron 3 a 5 veces más que los del destilador solar pasivo y para este sistema es de 3.3 a 23.9 años New Delhi, India Ángulo del alambique: 30° colector solar hibrido PVT Área efectiva del colector: 2m^2 Área del modulo PV: 0.55 x 1.20 m^2 Alambique: multietapa La producción máxima alcanzada fue de 14.2 Kg/m^2 al día con una presión de vacio de 0.5 bar Presenta mayor producción en comparación a los otros tipos de destiladores Sistema de destilación solar Número de etapas: 3 El modelo cilindrico es mucho mejor que el rectangular en terminos de factor de seguridad y máxima desviación 1 galón de agua destilada con este sistema costaría aproximadamente 0.02544 dolares Kualalumpur, Malaysia al vació multietapa Aislamiento: lana de roca con laminilla de aluminio El rendimiento total diario es aproximadamente 3 veces el rendimiento de un destilador solar simple Requiere una bomba de circulación para el agua salobre Alambique: Multiefecto El agua destilada colectada fue 1 L en 60 min y 24 L/día usando unicamente dos unidades de condensación Es aplicado para unidades pequeñas (hoteles, regiones rurales, industrias pequeñas, etc) Sistema de destilación solar Área de colector: 1.55 m^2 La destilación se basa en el proceso de humidificación y deshumidificación Alto costo de inversion y operación Mattarria, Egipto activo multiefecto Capacidad tanque almacenamiento: 200 L Se requiere personal capacitado para operar el sistema Cámara de destilación: 186.5 x 118 x 160 cm Fuente: Sampathkumar (2010) 38 2.3.5. DESARROLLO DE LA DESTILACIÓN SOLAR El origen de la destilación solar abarca aproximadamente desde el año 1874 a partir de ahí, se han desarrollado diferentes prototipos de destiladores solares, con fines de investigación y en esencia hacia el tratamiento de aguas contaminadas y salobres con el objeto de obtener agua para consumo humano o agua destilada para otros propósitos Se han desarrollado una gran cantidad de prototipos de destiladores solares en diferentes partes del mundo, entre los países que destacan están La India, China, Egipto, Irán, Estados Unidos, México Chile, Argentina y otros. A continuación, revisaremos algunos prototipos destacados. 2.3.5.1. Desarrollo de la Destilación Solar Pasiva Comprende a los destiladores más sencillos de construir y operar. Sus eficiencias y productividades son bajas, con volúmenes de agua destilada que varían desde 1 a 5 L/m2 por día dependiendo mucho del tipo y diseño. Estos son adecuados para ser aplicados a pequeñas familias o grupos, por ejemplo. Su mantenimiento es sencillo y poco frecuente. Entre los destiladores pasivos, destacan los destiladores de 1 y 2 vertientes. Algunos estudios varían el ángulo inclinación, así como el uso de reflectores para aumentar la incidencia de radiación solar. El destilador de 1 vertiente normalmente alcanza producción de 1 a 2 L/m2 por día, y los de doble vertiente 3 a 4 L/m2 por día aproximadamente. 39 Figura 20 Destiladores Solares Pasivos de 1 Vertiente con variaciones de ángulos de inclinación (izq.). Destilador Solar Pasivo de Doble Vertiente con Reflectores Auxiliares (der.) Fuente: Kumar A. (2018) También se realizaron estudios sobre los destiladores tipo Pirámide Triangular y Pirámide Cuadrada. En estos resalta el aumento del área evaporativa, con esto aumenta la producción. Algunos parámetros importantes para estos destiladores son la altura de la pirámide y el ángulo de inclinación. Se registraron prototipos que alcanzan los 4 L/m2 por día y 45% de eficiencia. Figura 21 Destilador Solar Pasivo Tipo Pirámide Triangular Fuente: Kumar A. (2019) Los Destiladores Solares Tubulares son un nuevo concepto en la destilación solar y desalinización de agua, estos pueden operar solos o pueden ser integrados a sistemas con 40 concentradores parabólicos con seguimiento solar, por ejemplo. Sus productividades en los mejores casos alcanzan los 5 L/m2 por día y eficiencias entre 30 a 35 %. Figura 22 Destilador Solar Tubular Fuente: Kumar A. (2019) Uno de los destiladores pasivos que alcanzan una buena producción es el Destilador Tipo Hemisférico con un poco más de 5.7 l/m2 por día y eficiencia de 33 % aproximadamente. En la siguiente figura se muestra este destilador que presenta una fuente absorbedora de aluminio con un área de 0.5 m2. Figura 23 Destilador Solar Hemisférico Fuente: Arunkumar (2018) 41 El Destilador Solar Tipo Escalonado mejoró la producción, al tener mayor área efectiva. La alimentación del agua contaminada o salobre se hace sobre la fuente superior y por allí, discurre sobre las demás fuentes sucesivas. Sistemas actuales incluyen el uso de reflectores y sistemas híbridos. Con el uso de reflectores alcanzan productividades de 6 L/m2 por día. Figura 24 Destilador Solar Escalonado con Reflectores Fuente: Arunkumar (2018) Un destilador particular es el Destilador Solar con Absorbedor Invertido donde los rayos solares incidentes son mejor aprovechados mediante una configuración ingeniosa. Estos alcanzan una eficiencia hasta de 48%, que puede considerarse como buena en comparación de los demás destiladores pasivos. Figura 25 Destilador Solar Pasivo de Vertiente Simple con Absorbedor Invertido Fuente: Kumar A. (2018) 42 Hoy en día se cuenta con un modelo de destilador solar pasivo desarrollado por una compañía Australiana que presenta un buen desempeño y es comercializado en varios países entre los que están México y Colombia. Se trata de un Destilador Solar Tipo Panel el cual puede ser acoplado a otras unidades formado un sistema de purificación de agua mayor, se dice que cinco de estas unidades podrían alcanzar los 100 litros de agua por día así lo menciona su fabricante. Figura 26 Potabilizador Solar de Agua “Carocell” Fuente: Tomado de http://www.fcubed.com.au/aspx/zld-photo-gallery.aspx 2.3.5.2. Desarrollo de la Destilación Solar Activa Se desarrollaron con el fin de lograr mayores eficiencias y productividad de agua destilada logrando alcanzar volúmenes desde los 5 a 20 L/m2 por día, dependiendo del tipo de destilador y el sistema en el cual operan. Puede ser aplicado para abastecer a una mayor cantidad de personas que carecen del recurso vital. El mantenimiento sigue siendo relativamente sencillo dependiendo del sistema y número de componentes. La mayoría de destiladores activos se caracterizan por alcanzar altas temperaturas desde los 50 a más de 80 °C. Los Destiladores Solares con Colector de Placa Plana (Flat Plate Collector) pueden operar en circulación natural o circulación forzada mediante una bomba (esto en general aplica 43 para la mayoría de destiladores activos). Con circulación forzada existe un incremento de la producción mayor al 10% en comparación a la circulación natural. La producción de estos puede superar los 5 L/m2 por día, dependiendo del diseño, pero la eficiencia es mucho menor en relación a los destiladores pasivos. Figura 27 Destilador Solar Activo Integrado con Colector de Placa Plana. Fuente: Morad (2015) Una configuración ingeniosa es el uso de varios colectores de plato plano, y el uso de la energía solar fotovoltaica. Esta configuración es nombrada Sistema de Destilación Solar Hibrida. Otra opción similar es el uso de Colectores Tipo PVT (Photo Voltaic Thermal), que es una combinación del panel fotovoltaico con el colector solar térmico en una sola unidad. 44 Figura 28 Alambique de Doble Vertiente con “n” Colectores PVT (izq.). Destilador Solar Activo Hibrido de Doble Vertiente con Colector de PVT y FPC (der.) Fuente: Kumar A. (2018) La Destilación Solar con Concentrador Solar Parabólico se caracteriza por usar un fluido caloportador (agua o aceite), estos sistemas alcanzan mayor temperatura que los colectores planos, pero requieren sistemas de seguimiento solar para mejorar el desempeño. Un Sistema de Destilación de Múltiple Etapa, como el de la siguiente figura hace uso de un concentrador solar parabólico para incrementar notoriamente su productividad. Figura 29 Destilador Solar de 4 Etapas acoplado a un Concentrador Solar Cilindro Parabólico Fuente: Abdessemed (2018) 45 La Destilación Solar con Colector de Tubos de Vacío, se usa en remplazo de los colectores solares de placa plana o de los concentradores parabólicos. Este alcanza una mayor producción de agua destilada. Una configuración común es el Sistema de Destilación Solar con Tubos de Vacío y Heat Pipe, integrados con un Destilador de Efecto Múltiple, que alcanza una productividad mayor a 9 L/m2 por día. Figura 30 Destilador Solar de Efecto Múltiple con Tubos de Vacío. Fuente: Arunkumar (2018) Una investigación reciente menciona un Sistema de Destilación Solar Hibrida con Seguimiento Solar a pequeña escala a modo de prueba, y el uso del Lente Fresnel, el cual maximiza el aprovechamiento de la radiación solar, y acelera el proceso de la destilación. Este sistema puede llegar a ser más complejo, por la incorporación mecatrónica al sistema, pero se presenta como una nueva alternativa en la destilación solar activa. 46 Figura 31 Sistema de Destilación Solar Hibrida con Concentrador Fresnel y Sistema Fotovoltaico. Fuente: Palomino (2018) 2.4. MODELO TÉRMICO DEL DESTILADOR SOLAR Antes a realizar el análisis y modelo térmico sobre el destilador solar de doble vertiente, es necesario primero realizar este mismo análisis sobre el Colector Solar de Placa Plana (FPC), por lo que nos ocuparemos de ello a continuación. 2.4.1. EVALUACIÓN TÉRMICA SOBRE EL COLECTOR SOLAR 2.4.1.1. Colector Solar de Placa Plana (Flat Plate Collector) Es un dispositivo solar térmico que aprovecha la energía solar a través de la radiación para transformarla en calor útil a través de un fluido y opera por debajo de los 100 °C, debe estar diseñado para soportar la continua exposición de las condiciones ambientales exteriores como lluvia, viento, humedad, polvo, etc. 2.4.1.1.1. Partes principales La cubierta: Formado por material transparente a la radiación solar y opaca a la radiación infrarroja térmica, generando en su interior el efecto invernadero. 47 La placa absorbedora: Constituido por material metálico y pintado de color negro mate para absorber la mayor cantidad de radiación solar. El aislamiento térmico: Hecho de un material de baja conductividad térmica, destinado a evitar las fugas de calor desde el colector al exterior. La carcasa o caja contenedora: Estructura de soporte donde se instala los componentes del colector solar. Figura 32 Partes de un Colector Solar de Placa Plana Fuente: Tomado de https://itssolar.co.za/water-heating/solar-water-heating/how-does- a-flat-plate-work/ “En un colector solar se presentan los tres mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación” (Fauroux & Jagër, 2013). 2.4.1.2. Balance de Energía en el Colector Solar El funcionamiento del sistema se basa en las leyes básicas de la radiación, que se propaga en longitudes de onda corta. Cuando incide en una superficie transparente, parte de ella se absorbe, otra se refleja y una en mayor proporción se transmite. (Fauroux & Jagër, 2013). Esto se puede apreciar en la siguiente figura. 48 Figura 33 Radiación Incidente sobre una Superficie Transparente Fuente: Fauroux & Jagër (2013) En un colector solar de placa plana solo una fracción de la radiación solar incidente [ITC ∗ Ac] es aprovechada, ya que una parte se pierde hacia el ambiente por conducción, convección y re-radiación, otra fracción se pierde por las características propias de la transmisión de la cubierta y la placa de absorción (ατ)c, y una última es almacenada en el colector. Este balance se puede expresar de la siguiente forma: du ITC ∗ Ac ∗ (ατ)c = Q̇útil + Q̇pe + Ec. (17) dt Además: Ac = ntub ∗ W ∗ Ltub Ec. (18) Donde: W ITC : Radiación solar total sobre la superficie inclinada del colector solar [ ]m2 Ac : Área efectiva del colector solar [m 2] (ατ)c : Factor por perdidas ópticas y por absorción [-] Q̇útil : Flujo de calor útil transportado al fluido por el colector solar [W] Q̇pe : Flujo de calor perdido en el colector solar [W] du : Cambio de energía interna almacenada en el colector [W] dt ntub : Número de tubos en el colector solar [-] W : Separación entre tubos [m] 49 Ltub : Longitud de los tubos del colector solar [m] du Teniendo en cuenta que ≈ 0, es un valor muy pequeño y usualmente despreciable, dt por lo que la ecuación anterior será: ITC ∗ Ac ∗ (ατ)c = Q̇útil + Q̇pe Ec. (19) El calor absorbido [ITC ∗ Ac ∗ (ατ)c] dependerá de la fracción absorbida (ατ)c, esta fracción es una característica del material de la cubierta y representa el efecto invernadero que ocurre dentro del colector solar (Travezaño, 2002). τ∗α (ατ)c = Ec. (20) 1−(1−α)∗ρd Donde: τ : Transmisividad de la cubierta del colector solar [-] α : Absortividad de la placa de absorción del colector solar [-] ρd : Reflectividad difusa de la cubierta del colector solar [-] 2.4.1.3. Flujo de Calor Útil (?̇?ú𝐭𝐢𝐥) El objetivo del colector foto térmico es convertir la radiación solar incidente en energía calorífica útil, que en nuestro caso es una energía térmica extra destinada a elevar la temperatura del agua contaminada en la fuente del alambique solar. La siguiente expresión hace referencia a esta energía. Q̇útil = ITC ∗ Ac ∗ (ατ)c − ULC ∗ Ac ∗ (Tp − Ta) Ec. (21) Donde: W ULC : Coeficiente de transferencia de calor total para el colector solar [ ]m2 ∗K Tp : Temperatura promedio de la placa de absorción [K] Ta : Temperatura ambiente [K] 50 En función del factor de remoción de calor la ecuación seria la siguiente: Q̇útil = FR ∗ Ac ∗ [ITC ∗ (ατ)c − ULC ∗ (Tfe − Ta)] Ec. (22) Donde: FR : Factor de remoción de calor [-] Tfe : Temperatura del fluido a la entrada del colector [K] Tomando en cuenta el flujo másico del fluido en el colector, el flujo de calor útil será: Q̇útil = ṁc ∗ Cf ∗ (Tfs − Tfe) Ec. (23) Donde: kg ṁc : Flujo másico del fluido en el colector solar [ ] s J Cf : Calor especifico del fluido [ ] kg∗K Tfs : Temperatura del fluido a la salida del colector [K] 2.4.1.4. Flujo de Calor Perdido (?̇?𝐩𝐞) Debemos considerar que, para determinar el calor útil y la eficiencia del colector solar, es necesario calcular las pérdidas de calor. El flujo de calor perdido en el colector solar se expresa de la siguiente forma: Q̇pe = ULC ∗ Ac ∗ (Tp − Ta) Ec. (24) 2.4.1.5. Coeficiente de Transferencia de Calor Total (𝐔𝐋𝐂) El coeficiente total de pérdidas de calor se puede obtener de dos formas: Experimentalmente, tomando valores de radiación, temperatura ambiente, temperatura promedio de la placa de absorción, etc. en base a normas establecidas. Y analíticamente empleando ecuaciones deducidas. 51 El coeficiente total de pérdidas de calor o coeficiente de transferencia de calor total para el colector solar, está representado por la siguiente expresión: ULC = Uinf + Usup + Ulat Ec. (25) Donde: ULC : Coeficiente de transf. de calor total para el Colector Solar, por la parte inferior, superior W y lateral [ ]2 m ∗K W Uinf : Coeficiente de transf. de calor por la parte inferior del colector solar [ ]m2 ∗K W Usup : Coeficiente de transf. de calor por la parte superior del colector solar [ ]2 m ∗K W Ulat : Coeficiente de transf. de calor por la parte lateral del colector solar [ ]m2 ∗K En la siguiente figura se muestra el circuito térmico equivalente de un colector solar de placa plana que ayudará a visualizar los fenómenos físicos que se producen en él. Figura 34 Red de Resistencias Térmicas para la Transferencia de Calor en un Colector Solar Plano Fuente: Fauroux & Jagër (2013) 52 2.4.1.5.1. Coeficiente de transferencia de calor total (𝐔𝐢𝐧𝐟) El coeficiente de transferencia de calor por la parte inferior del colector solar se expresa por la siguiente ecuación: 1 Uinf = Ec. (26) R1+R2 Donde: W Uinf : Coef. de transferencia de calor por la parte inferior del colector solar [ ]m2 ∗K K R1 : Resistencia térmica contra la conducción de calor [ ] W K R2 : Resistencia térmica contra la convección y radiación de calor [ ] W Además R1y R2 están determinadas por las siguientes expresiones: e R = a 1 1 Ec. (27) R2 = Ec. (28) ka hp−a Donde: ea : Espesor del aislante térmico [m] W ka : Conductividad del aislante térmico [ ] m∗K W hp−a : Coeficiente de transferencia de calor entre placa de absorción - ambiente [ ]2 m ∗K En los colectores solares planos bien aislados ocurre que si R2 ≪ R1, entonces R2 se desprecia, por lo que la ecuación (26) será: 1 k U ainf = = Ec. (29) R1 ea 2.4.1.5.2. Coeficiente de transferencia de calor total (𝐔𝐬𝐮𝐩) Se evalúa conociendo la resistencia térmica R3 y R4. El calor se transfiere entre la placa de absorción y la cubierta de vidrio por convección y radiación en forma paralela. Los mismos 53 mecanismos de transferencia son igualmente importantes en la disipación por parte de la cubierta hacia el ambiente. l Usup = Ec. (30) R3+R4 Donde: W Usup : Coef. de transferencia de calor por la parte superior del colector solar [ ]2 m ∗K K R3 : Resistencia térmica contra la convección y radiación de calor [ ] W K R4 : Resistencia térmica contra la convección y radiación de calor [ ] W R3 está determinada por la siguiente expresión: 1 1 1 = + Ec. (31) R h −1 −13 r,p−v hc,p−v Donde: W hr,p−v : Coef. de transf. de calor por radiación entre placa de absorción-vidrio [ ] m2∗K W hc,p−v : Coef. de transf. de calor por convección entre placa de absorción-vidrio [ ]2 m ∗K El coeficiente de transferencia de calor por radiación (hr,p−v) entre placa de absorción y la cubierta de vidrio del colector solar puede ser determinado por la siguiente expresión: σ∗(Tp+Tv)∗(T 2 +T2) h p vr,p−v = 1 1 Ec. (32) + −1 εp εv Donde: Tv : Temperatura promedio de la cubierta de vidrio [K] εp : Emisividad de la placa de absorción [-] εv : Emisividad de la cubierta de vidrio [-] W σ : Constante de Boltzmann 5.67 ∗ 10−8 [ ] m2 ∗K4 54 El coeficiente de transferencia de calor por convección (hc,p−v) entre placa de absorción y la cubierta de vidrio del colector solar puede ser determinado por la siguiente expresión (Travezaño, 2002): ∆T 0.310 h = [1 − 0.0018 ∗ (T − 10)] ∗ 1.14 ∗ p−vc,p−v p 0.070 Ec. (33) ι Además: ∆Tp−v = Tp − Tv Ec. (34) Donde: ∆Tp−v : Diferencia de temperatura entre placa de absorción-vidrio [°C] ι : Espaciamiento entre placa de absorción - vidrio [cm] R4 está determinada por la siguiente expresión: 1 1 1 = −1 + Ec. (35) R4 hr,v−a h −1c,v−a Donde: W hr,v−a : Coeficiente de transf. de calor por radiación entre vidrio-ambiente [ ]2 m ∗K W hc,v−a : Coeficiente de transf. de calor por convección entre vidrio-ambiente [ ]m2 ∗K El coeficiente de transferencia de calor por radiación (hr,v−a) entre la cubierta de vidrio y el ambiente exterior está determinado por la siguiente expresión: hr,v−a = σ ∗ ε ∗ (T + T ) ∗ (T 2 + T2v v a v a ) Ec. (36) El coeficiente de transferencia de calor por convección (hc,v−a) entre la cubierta de vidrio y el ambiente exterior está determinado por la siguiente expresión (Duffie & Beckman, 2013): hc,v−a = 5.7 + 3.8 ∗ v Ec. (37) 55 Donde: m v : Velocidad del viento [ ] s Para determinar el coeficiente de transferencia de calor por la parte superior del colector solar (Usup), suele usarse ecuaciones empíricas como la de Hottel y Woertz, la cual involucra realizar el cálculo de otras variables adicionales. Para nuestro caso en particular usaremos las siguientes relaciones matemáticas para un colector solar de placa plana de una sola cubierta. (Duffie & Beckman, 2013) −1 1 1 Usup = ( + ) Ec. (38) hr,p−v+hc,p−v hr,v−a+hc,v−a Para estimar la temperatura promedio de la cubierta de vidrio (Tv) (Travezaño, 2002): U ∗(T T = T sup p −Ta) v p− Ec. (39) hr,p−v+hc,p−v 2.4.1.5.3. Coeficiente de transferencia de calor total (𝐔𝐥𝐚𝐭) Las pérdidas de calor a través de los lados del colector se evalúan aplicando la siguiente ecuación: k U = a,lat ∗h∗P lat Ec. (40) ea,lat∗Ac Además: P = 2 ∗ (Ltub + ntub ∗ W) Ec. (41) Donde: W Ulat : Coef. de transferencia de calor por la parte lateral del colector solar [ ] m2∗K W ka,lat : Conductividad del aislante térmico en los lados [ ] m∗K ea,lat : Espesor del aislante térmico en los lados [m] 56 h : Altura del colector solar [m] P : Perímetro del colector solar [m] 2.4.1.6. Eficiencia Térmica del Colector Solar (𝛈𝐜) El parámetro básico que caracteriza al colector solar es su eficiencia térmica, que es la relación entre la energía térmica útil y la energía solar incidente. Esta dependerá del diseño del colector, del tiempo de operación y de factores externos tales como las condiciones meteorológicas y la disposición del colector en relación a la tierra. (Montoya, Palo, Cabana, & Soria, 2011) Las siguientes ecuaciones son las mencionadas según la Norma Técnica Peruana (NTP 399.400, 2001) y expresan la eficiencia del colector solar. Q̇ η = útilc Ec. (42) ITC∗Ac U ηc = F ′ ∗ [(ατ) − LCc ∗ (Tf − Ta)] Ec. (43) ITC U ηc = FR ∗ [(ατ) LC c − ∗ (TI fe − Ta )] Ec. (44) TC Donde: ηc : Eficiencia térmica instantánea del colector solar [%] Tf : Temperatura promedio del fluido en el colector [K] F′ : Factor de eficiencia del colector solar [-] 2.4.1.7. Eficiencia de la Placa de Absorción (𝐅) La siguiente figura muestra la configuración de la placa de absorción dentro del colector solar plano. 57 Figura 35 Configuración de la Placa de Absorción en un Colector Solar Plano Fuente: Guevara Vásquez (2003) La máxima temperatura de la placa en la figura anterior ocurre entre los dos tubos, para x=0. Se define “F” como la eficiencia geométrica de una superficie plana o eficiencia de la placa de absorción (Duffie & Beckman, 2013). c∗(W−D) tanh[ ] F = 2c∗(W−D) Ec. (45) 2 Donde: F : Eficiencia de la placa de absorción [-] D : Diámetro exterior de los tubos del colector solar [m] c∗(W−D) La eficiencia geométrica (F) varía de acuerdo al parámetro [ ]. Luego se define 2 “c” como: U c2 = LC Ec. (46) kP∗eP Donde: W kP : Conductividad térmica de la placa de absorción [ ] m∗K eP : Espesor de la placa de absorción [m] 58 2.4.1.8. Factor de Eficiencia del Colector (𝐅′) En este factor el numerador corresponde a la resistencia térmica entre la superficie del colector y el aire ambiente, mientras que el denominador la resistencia térmica entre el fluido y el ambiente. Este factor tiene importancia como un parámetro de diseño. El factor de eficiencia del colector solar plano está dado por la siguiente expresión (Duffie & Beckman, 2013): 1 U F′ = LC1 1 1 Ec. (47) W∗{ + + } ULC∗[D+(W−D)∗F] Cb π∗Di∗hc,t−f Donde: Di : Diámetro interno de los tubos del colector solar [m] W Cb : Conductancia entre tubo - placa de absorción [ ], puede asumirse como un K 1 valor grande con lo que = 0 Cb Además Nuf∗kh fc,t−f = Ec. (48) Di W hc,t−f : Coeficiente de transf. de calor por convección entre tubo-fluido [ ] m2∗K W kf : Conductividad térmica del fluido [ ] m∗K Nuf : Número de Nusselt [-] El número adimensional de Nusselt (Nuf), puede ser determinado mediante los números adimensionales de Grashof (Grf) y Prandtl (Prf), o Rayleigh (Raf) por la siguiente correlación empírica: Nuf = C ∗ (Grf ∗ Pr ) n f = C ∗ Ra n f Ec. (49) Donde: 59 C, n : Constantes experimentales C=0.54 y n=0.25 (Cengel & Ghajar, 2011) El número de Grashof (Grf) y el número de Prandtl (Prf) están definidos como: g∗β ∗∆T 3 Gr = f t−f ∗Di ν f 2 Ec. (50) Pr f f = Ec. (51) νf αf Donde: ∆Tt−f : Diferencia de temperatura entre tubo-fluido [K] 1 βf : Coeficiente de expansión volumétrica del fluido [ ] K m2 νf : Viscosidad cinemática del fluido [ ] s m2 αf : Difusividad térmica del fluido [ ] s m g : Aceleración de la gravedad [ ] s2 2.4.1.9. Factor de Remoción de Calor (𝐅𝐑) Se define como el parámetro que relaciona el calor de calentamiento que se obtiene efectivamente en el colector, con el que se obtendría si toda la superficie del colector se encontrara a la temperatura del fluido a la entrada (Duffie & Beckman, 2013). ṁ ∗C ∗(T −T ) FR = c f fs fe Ec. (52) Ac∗[S−ULC∗(Tfe−Ta)] Además S = ITC ∗ (ατ)c Ec. (53) W S : Radiación solar incidente sobre la placa de absorción [ ] m2 El factor de remoción de calor (FR), en relación con el factor de eficiencia del colector (F′) está determinada por la siguiente expresión: 60 Ac∗ULC∗F ′ ṁ ∗C −[ ] F = c f ∗ [1 − e ṁc∗CR f ] Ec. (54) Ac∗ULC El flujo másico del fluido en el colector solar (ṁC) se puede estimar mediante la siguiente ecuación (Travezaño, 2002): F′∗A ṁ = c ∗ULC C ULC∗∆T Ec. (55) C ∗ln[1− t−ff ]S−ULC∗(Tfe−Ta) 2.4.1.10. Temperatura del Fluido El fluido circula por los tubos del colector a una temperatura diferente a la de la placa de absorción, aunque siempre inferior a ésta (Tf < Tp). Se deduce que la temperatura del fluido a la salida de colector solar (Tfs) está en función a la temperatura de la placa de absorción, la que está dada una vez alcanzado el régimen estacionario por la siguiente expresión (Fauroux & Jagër, 2013): F T = T + (1 − R Q̇ ) ∗ útilfs fe ′ Ec. (56) F Ac∗ULC∗FR La temperatura promedio del fluido en el colector solar (Tf) se define como la media aritmética de la temperatura del fluido al ingreso y la temperatura del fluido a la salida del colector. T +T T fe fsf = Ec. (57) 2 Otro indicador interesante de mencionar es la ganancia de temperatura del fluido (∆Tf), que es la diferencia entre la temperatura del fluido a la salida y la temperatura del fluido a la entrada del colector. ∆Tf = Tfs − Tfe Ec. (58) 61 2.4.1.11. Temperatura de Estancamiento Cuando el sistema se encuentra en equilibrio se alcanza una variable de diseño, la temperatura de estancamiento (Test). A esta temperatura el rendimiento del colector es cero. No hay más transferencia de calor, además ni TP ni Tfs aumentan. Su importancia radica en el hecho de que en condiciones de estancamiento (flujo igual a cero), la temperatura que puede alcanzarse en el interior del colector puede sobrepasar el límite de operación de alguna de sus partes: aislantes, empaques, etc. La temperatura de estancamiento se puede obtener mediante la siguiente expresión: S Test = Ta + Ec. (59) ULC Donde: Test : Temperatura de estancamiento del colector solar [K] 2.4.1.12. Restricciones y Limitaciones La solución de las ecuaciones planteadas se encuentra dentro de un espacio delimitado por las variables de diseño y por restricciones a las que el modelo estará sometido (Fauroux & Jagër, 2013). Estas restricciones son las siguientes: - La temperatura del fluido a la salida del colector es mayor que la temperatura a la entrada (Tfs > Tfe). - La temperatura de la placa de absorción es mayor a la temperatura del fluido a la entrada (Tp > Tfe). - El producto (ITC ∗ Ac) es mayor que el flujo de calor útil transportado al fluido (Q̇útil). - El flujo de calor útil transportado al fluido es mayor a cero (Q̇útil > 0). 62 El valor de las variables es calculado conforme suceden las iteraciones. El no establecer limitaciones resultará en obtener resultados poco realistas o que provoquen algunas divergencias. En base a la experimentación y datos bibliográficos se establecen las siguientes limitaciones (Fauroux & Jagër, 2013): - El área efectiva para un colector solar es menor a 2.6 m2. - La longitud del colector solar es menor a 2.2 m. - La anchura del colector solar es menor a 1.2 m. - El diámetro y espesor de los tubos del colector no deben ser excesivos. Podrían agregarse otras limitaciones, teniendo en cuenta que es importante que las mismas sirvan para determinar un mejor panorama para la solución y no tornar el modelo en un sistema irresoluble o rígido, este mismo razonamiento puede ser aplicado a las restricciones. 2.4.2. EVALUACIÓN TÉRMICA SOBRE EL ALAMBIQUE SOLAR 2.4.2.1. ALAMBIQUE SOLAR DE DOBLE VERTIENTE Es un dispositivo que aprovecha la radiación solar para producir agua pura a partir de agua contaminada o salobre. Su funcionamiento consiste en emplear la energía del sol para calentar el agua contaminada hasta evaporarla y luego condensarla para finalmente ser recolectada y ser consumida. 2.4.2.1.1. Partes Principales Un alambique solar debe estar diseñado para soportar altas temperaturas y la continua exposición a las condiciones interiores y exteriores a los que está sometido tales como alta humedad, vientos, polvo, lluvia, etc. Sus partes principales son: 63 Evaporador: Consiste en una bandeja o fuente aislada térmicamente, dentro de ella se suministra el agua contaminada a evaporar. La fuente debe soportar altas temperaturas y por lo general debe estar pintada de color negro mate para absorber la radiación solar. Condensador: Consiste en una cubierta superior inclinada normalmente de vidrio, sobre el cual discurren las gotas de agua provenientes del vapor que se condensa interiormente sobre esta superficie. Figura 36 Partes Principales de un Alambique Solar de Doble Vertiente Fuente: Propia (2022) La transferencia de calor en un alambique solar es principalmente clasificada en transferencia interna y externa. Los detalles y mecanismos físicos de transferencia de calor sobre un alambique solar se muestran en la siguiente figura. 64 Figura 37 Mecanismos de Transferencia de Calor sobre el Alambique Solar Fuente: Elaboración basada en Sampathkumar (2010) 2.4.2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR INTERNO La transferencia de calor interno que ocurre dentro del alambique solar desde la superficie del agua hasta la superficie interna de la cubierta de vidrio, consiste principalmente de evaporación, convección y radiación. Por otra parte, la transferencia de calor entre la fuente y la masa de agua que la ocupa ocurre por convección. Las transferencias de calor por convección y evaporación ocurren simultáneamente y son independientes de la transferencia de calor por radiación. La razón de transferencia de calor total entre la superficie de agua y la cubierta interna del vidrio se presenta como: q̇t,w−g = q̇r,w−g + q̇c,w−g + q̇e,w−g Ec. (60) q̇t,w−g = ht,w−g ∗ (Tw − Tgi) Ec. (61) Donde: W q̇t,w−g : Flujo de calor total entre agua-vidrio [ ]m2 65 W q̇r,w−g : Flujo de calor por radiación entre agua-vidrio [ ]2 m W q̇c,w−g : Flujo de calor por convección entre agua-vidrio [ ]m2 W q̇e,w−g : Flujo de calor por evaporación entre agua-vidrio [ ] m2 W ht,w−g : Coeficiente de transf. de calor interno total entre agua-vidrio [ ] m2∗K Tw : Temperatura del agua en la fuente [K] Tgi : Temperatura de la superficie interna de la cubierta de vidrio [K] Coeficiente de transferencia de calor interno total (ht,w−g) entre la superficie de agua y la cubierta interna del vidrio está dado por: ht,w−g = hr,w−g + hc,w−g + he,w−g Ec. (62) Donde: W hr,w−g : Coeficiente de transferencia de calor por radiación entre agua-vidrio [ ]m2 ∗K W hc,w−g : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre agua-vidrio [ ]m2 ∗K W he,w−g : Coeficiente de transferencia de calor por evaporación entre agua-vidrio [ ]m2 ∗K 2.4.2.2.1. Transferencia de Calor Interno por Radiación La razón de transferencia de calor por radiación entre el agua y la cubierta de vidrio se presenta como: q̇r,w−g = hr,w−g ∗ (Tw − Tgi) Ec. (63) El coeficiente de transferencia de calor por radiación (hr,w−g) entre el agua y la cubierta de vidrio está dado por: T4w+T 4 h gir,w−g = εeff ∗ σ ∗ ( ) Ec. (64) Tw+Tgi 66 La emisividad efectiva entre el agua y la cubierta de vidrio, se presenta como: 1 εeff = 1 1 Ec. (65) + −1 εw εg Donde: εeff : Emisividad efectiva entre el agua-vidrio [-] εw : Emisividad del agua [-] εg : Emisividad del vidrio [-] W σ : Constante de Boltzmann 5.67 ∗ 10−8 [ ] m2 ∗K4 2.4.2.2.2. Transferencia de Calor Interno por Convección Dentro del alambique solar se presenta convección natural en 2 medios. El primero tiene lugar a través del aire húmedo dentro del alambique debido a la diferencia de temperatura entre la superficie del agua y la superficie interna de la cubierta de vidrio, y el segundo ocurre entre la fuente y la masa de agua que la ocupa. La razón de transferencia de calor por convección entre el agua y la cubierta de vidrio está dada por: q̇c,w−g = hc,w−g ∗ (Tw − Tgi) Ec. (66) El coeficiente de transferencia de calor por convección (hc,w−g) depende de la diferencia de temperatura entre la superficie de evaporación y la superficie de condensación, de las propiedades físicas del fluido, características del flujo y la geometría de la cubierta de condensación. Éste se puede determinar por la siguiente expresión (Sampathkumar, 2010): 1 hc,w−g = 0.884 ∗ [∆T]3 Ec. (67) Además: 67 (Pw−Pgi)∗T( ) w∆T = Tw − Tgi + [ ] Ec. (68) 268.9∗103−Pw Donde: ∆T : Diferencia de temperatura entre superficie de agua - superficie del vidrio [K] Pw : Presión parcial del vapor a la temperatura Tw [Pa] Pgi : Presión parcial del vapor a la temperatura Tgi [Pa] Así mismo: 5144 5144 (25.317− ) (25.317− ) P Tw = e w Ec. (69) Pgi = e Tgi Ec. (70) La razón de transferencia de calor por convección entre la fuente y la masa de agua se presenta como: q̇w = hw ∗ (Tb − Tw) Ec. (71) Donde: W q̇w : Flujo de calor por convección entre fuente-agua [ ] m2 W hw : Coeficiente de transferencia de calor por convección entre fuente-agua [ ]2 m ∗K Tb : Temperatura de la fuente [K] El coeficiente de transferencia de calor por convección (hw) entre la fuente y la masa de agua está dado por: k k h = w ∗ C ∗ (Gr ∗ Pr )n = w ∗ C ∗ (Ra )nw w w w Ec. (72) xw xw Donde: W kw : Conductividad térmica del agua líquida[ ] m∗K xw : Profundidad del agua en la fuente [m] C, n : Constantes experimentales C=0.54 y n=0.25 (Cengel & Ghajar, 2011) 68 Además, el número de Grashof (Grw) y el número de Prandtl (Prw) están definidos como: g∗β 3 Gr = w ∗ΔTw∗xw μ ∗C w 2 Ec. (73) Pr = w w w Ec. (74) νw kw Donde: ΔTw : Diferencia de temperatura entre fuente-agua [K] 1 βw : Coeficiente de expansión volumétrica del agua líquida[ ] K m2 νw : Viscosidad cinemática del agua líquida[ ] s μw : Viscosidad dinámica del agua líquida[Pa ∗ s] J Cw : Calor especifico del agua líquida[ ] kg∗K m g : Aceleración de la gravedad [ ] s2 2.4.2.2.3. Transferencia de Calor Interno por Evaporación El desempeño del alambique solar depende de los coeficientes de transferencia de calor por convección y evaporación. La evaporación tiene lugar dentro del alambique solar por la adición de calor en el agua por medio de la radiación solar. La ecuación general de la razón de transferencia de calor por evaporación entre el agua y la cubierta de vidrio se presenta como: q̇e,w−g = he,w−g ∗ (Tw − Tgi) Ec. (75) El coeficiente de transferencia de calor por evaporación (he,w−g) entre el agua y la cubierta de vidrio este dado por la siguiente ecuación (Sampathkumar, 2010): Pw−P he,w−g = 16.273 ∗ 10 −3 ∗ h gic,w−g ∗ ( ) Ec. (76) Tw−Tgi 69 2.4.2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EXTERNO La transferencia de calor externo en el alambique solar es gobernada principalmente por los procesos de conducción, convección y radiación, los cuales son independientes entre sí. 2.4.2.3.1. Transferencia de Calor por la Cubierta Superior El calor es perdido desde la superficie exterior de la cubierta de vidrio hacia la atmosfera. Esto ocurre a través de la convección y radiación. Las temperaturas del vidrio y de la atmosfera están relacionadas con el desempeño del alambique solar. La temperatura de la cubierta de vidrio es asumida como uniforme debido su corto espesor. La razón de transferencia de calor total perdido sobre la cubierta de vidrio hacia el ambiente está dada por: q̇t,g−a = q̇r,g−a + q̇c,g−a Ec. (77) q̇t,g−a = ht,g−a ∗ (Tgo − Ta) Ec. (78) Donde: W q̇t,g−a : Flujo de calor total entre vidrio-ambiente [ ]2 m W q̇r,g−a : Flujo de calor por radiación entre vidrio-ambiente [ ]m2 W q̇c,g−a : Flujo de calor por convección entre vidrio-ambiente [ ]2 m W ht,g−a : Coeficiente de transferencia de calor externo total entre vidrio-ambiente [ ]m2 ∗K Tgo : Temperatura de la superficie externa de la cubierta de vidrio [K] Ta : Temperatura ambiente [K] El coeficiente de transferencia de calor externo total (ht,g−a) entre la cubierta de vidrio y el ambiente está dado por: ht,g−a = hr,g−a + hc,g−a Ec. (79) 70 Donde: W hr,g−a : Coeficiente de transf. de calor por radiación entre vidrio-ambiente [ ]m2 ∗K W hc,g−a : Coeficiente de transf. de calor por convección entre vidrio- ambiente [ ]m2 ∗K Una expresión experimental directa para el coeficiente de transferencia de calor total (ht,g−a) sobre la cubierta de vidrio en función de la velocidad del viento es la siguiente (Duffie & Beckman, 2013): ht,g−a = 5.7 + 3.8 ∗ v Ec. (80) Donde: m v : Velocidad del viento [ ] s 2.4.2.3.1.1. Transferencia de Calor Externo por Radiación La razón de transferencia de calor por radiación entre la cubierta de vidrio y el ambiente esta expresada como: q̇r,g−a = hr,g−a ∗ (Tgo − Ta) Ec. (81) El coeficiente de transferencia de calor por radiación (hr,g−a) entre la cubierta de vidrio y el ambiente está dado por: T4 −T4go h = ε ∗ σ ∗ ( skyr,g−a g ) Ec. (82) Tgo−Ta Además Tsky = Ta − 6 Ec. (83) Tsky : Temperatura del cielo [K] 71 2.4.2.3.1.2. Transferencia de Calor Externo por Convección La razón de transferencia de calor por convección entre la cubierta de vidrio y el ambiente está expresada como: q̇c,g−a = hc,g−a ∗ (Tgo − Ta) Ec. (84) El coeficiente de transferencia de calor por convección (hc,g−a) entre la cubierta de vidrio y el ambiente está dado por la siguiente ecuación (Sampathkumar, 2010): hc,g−a = 2.8 + 3.0 ∗ v Ec. (85) 2.4.2.3.1.3. Transferencia de Calor Externo por Conducción Esta forma de transferencia de calor se presenta en la cubierta de vidrio, desde su superficie interior hasta su superficie exterior. La razón de transferencia de calor por conducción sobre la cubierta de vidrio está dada por la siguiente expresión: kg q̇g = ∗ (Tgi − Tgo) Ec. (86) Lg Donde: W q̇g : Flujo de calor por conducción en la cubierta de vidrio [ ] m2 W kg : Conductividad térmica del vidrio [ ] m∗K Lg : Espesor de la cubierta de vidrio [m] kg De la ecuación anterior resulta adecuado designar al cociente: ( ) como el coeficiente Lg de transferencia de calor por conducción sobre la cubierta de vidrio. 72 2.4.2.3.2. Transferencia de Calor por los Lados y Parte Inferior El calor es transferido desde el agua en la fuente hacia la superficie exterior de los lados y la parte inferior del alambique, esto a través del aislamiento térmico por conducción. Luego de la superficie exterior de los lados y la parte inferior del alambique por convección y radiación hacia el ambiente. 2.4.2.3.2.1. Transferencia de Calor Externo por Conducción, Convección y Radiación La razón de transferencia de calor entre la fuente y el ambiente exterior está expresada como: q̇b = hb ∗ (Tb − Ta) Ec. (87) Donde: W q̇b : Flujo de calor entre fuente-ambiente [ ]m2 W hb : Coeficiente de transferencia de calor entre fuente-ambiente [ ]2 m ∗K El coeficiente de transferencia de calor entre la fuente y el ambiente exterior (hb), representa la conducción en el aislante térmico y su cubierta que la reviste, además, la convección y radiación desde la cubierta del aislante hacia el ambiente exterior. Por lo que está representado de la siguiente manera: 1 hb = L 1 Ec. (88) i+ ki ht.b−a Donde: Li : Espesor del aislamiento térmico [m] W ki : Conductividad térmica del aislamiento [ ] m∗K W ht,b−a : Coeficiente de transf. de calor combinado entre lados y base - ambiente [ ] m2∗K 73 L 1 Las expresiones ( i) y ( ) en el denominador de la ecuación anterior representan ki ht.b−a las resistencias terminas del aislante y del ambiente exterior respectivamente. Así entonces, la L resistencia térmica equivalente ( i) depende del material usado como aislante térmico y del ki k material de la cubierta que la reviste. Es adecuado mencionar que la relación ( i) es el Li coeficiente de transferencia de calor por conducción por la parte inferior y los lados del 1 alambique solar. Por otra parte, la resistencia térmica equivalente ( ) incluye convección ht,b−a y radiación desde los lados y la parte inferior del alambique hacia el ambiente exterior. Por lo que el coeficiente de transferencia de calor (ht,b−a) es la suma de los coeficientes de transferencia de calor por convección y radiación entre la superficie exterior de los lados y la parte inferior del alambique para con el ambiente circundante. Esto se expresa como: ht,b−a = hc,b−a + hr,b−a Ec. (89) Donde: W hc,b−a : Coef. de transf. de calor por convección entre lados y base - ambiente [ ]m2 ∗K W hr,b−a : Coef. de transf. de calor por radiación entre lados y base - ambiente [ ] m2∗K Para evaluar la ecuación anterior es práctico usar la Ec. (80) considerando que la velocidad del viento es cercana a cero (v ≈ 0) por los lados y la parte inferior del alambique solar. Con lo que el coeficiente de transferencia de calor (ht,b−a) será: ht,b−a = 5.7 Ec. (90) 74 2.4.2.4. COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALORES TOTALES Resulta cómodo y adecuado expresar de una forma más resumida lo descrito anteriormente. Esto puede realizarse mediante los coeficientes de transferencia de calores totales, por lo que a continuación los describiremos. Figura 38 Coeficientes de Transferencia de Calores Totales sobre el Alambique Solar Fuente: Elaboración basada en Sampathkumar (2010) 2.4.2.4.1. Coeficiente de transferencia de calor total (𝐔𝐰𝐨) El coeficiente de transferencia de calor interno total entre el agua y la cubierta de vidrio (ht,w−g), y el coeficiente de transferencia de calor por conducción sobre la cubierta de vidrio kg ( ) pueden ser expresados como: Lg kg (ht.w−g)∗( )1 L U gwo = 1 L =g k Ec. (91) g ( )+( ) (h )+( ) ht.w−g k t.w−g g Lg Donde: W Uwo : Coeficiente de transf. de calor total entre agua-vidrio [ ]m2 ∗K (Desde la superficie del agua hasta la superficie exterior de la cubierta de vidrio) 75 1 Lg De manera similar a lo explicado anteriormente las relaciones ( ) y ( ) ht.w−g kg representan las resistencias térmicas equivalentes. 2.4.2.4.2. Coeficiente de transferencia de calor total (𝐔𝐭) Coeficiente de transferencia de calor total desde la superficie del agua hasta el ambiente exterior considerando la conducción de calor en la cubierta de vidrio puede ser determinado por la siguiente expresión: ht.w−g∗ht.g−a Ut = Ec. (92) ht.g−a+Uwo Donde: W Ut : Coef. de transf. de calor total por la parte superior entre agua-ambiente [ ] m2∗K (Desde la superficie del agua hasta el ambiente exterior, a través de la cubierta de vidrio) 2.4.2.4.3. Coeficiente de transferencia de calor total (𝐔𝐛) El coeficiente de transferencia de calor por convección entre la masa de agua y la fuente (hw), y el coeficiente de transferencia de calor entre la fuente y el ambiente (hb) pueden ser expresados como: 1 hw∗hU = = bb 1 1 Ec. (93) + h h h w +hb w b Donde: W Ub : Coef. de transf. de calor total por la parte inferior entre agua-ambiente [ ] m2∗K (Desde la masa de agua hasta el ambiente exterior, a través de la parte inferior del alambique) 1 1 De manera similar a lo explicado anteriormente las relaciones ( ) y ( ) representan hw hb las resistencias térmicas equivalentes. 76 2.4.2.4.4. Coeficiente de transferencia de calor total (𝐔𝐬) El coeficiente de transferencia de calor total desde la masa de agua hasta el ambiente exterior pasando por el aislamiento térmico lateral del alambique es expresado como: A Us = ( ss) ∗ Ub Ec. (94) As Donde: W Us : Coef. de transf. de calor total por la parte lateral entre agua-ambiente [ ]2 m ∗K (Desde la masa de agua hasta el ambiente exterior, a través de la parte lateral del alambique) Ass : Área lateral del alambique solar [m 2] As : Área inferior del alambique solar [m 2] 2.4.2.4.5. Coeficiente de Transferencia de Calor Total (𝐔𝐋𝐒) Éste representa el coeficiente de transferencia de calor total sobre el alambique solar, desde la parte interior del alambique hasta el ambiente exterior, y está representado por: ULS = Ut + Ub + Us Ec. (95) Donde: ULS : Coeficiente de transf. de calor total para el alambique solar, por la parte superior, W inferior y lateral [ ] m2 ∗K (Desde la masa de agua hasta el ambiente exterior, a través de la parte superior, parte inferir y lateral del alambique) El coeficiente de transferencia de calor total por la parte lateral (Us) podría ser omitido (Us ≈ 0 ), debido a que el área lateral del alambique es muy pequeña comparado con el área inferir (As ≫ Ass). 77 2.4.2.5. MODELO TÉRMICO Y BALANCE DE ENERGÍA La siguiente figura muestra los principales flujos de energía para el alambique solar de doble vertiente los cuales nos ayudaran a entender los análisis siguientes. Figura 39 Flujos de Energía presentes en el Alambique Solar Fuente: Elaboración basada en Sampathkumar (2010) Los modelos térmicos de los alambiques solares son desarrollados basándose en las ecuaciones de balance de energía. Para esto han sido consideradas las siguientes suposiciones (Sampathkumar, 2010): - El alambique solar es a prueba de fugas de vapor. - El nivel del agua en la fuente es mantenida constante. - La inclinación de la cubierta de vidrio es pequeña. - No ocurre formación de estratos o capas de sedimento en la fuente. - La capacidad de almacenamiento de calor en la cubierta de vidrio, la fuente y el aislamiento son despreciables. - La condensación que ocurre sobre la cubierta de vidrio es tipo película. - La reflexividad de la cubierta de vidrio es nula. 78 - Las propiedades del agua a destilar se asumen similares a las propiedades del agua pura. - No existe un gradiente de temperatura en el agua de la fuente. - El sistema está bajo una condición de estado cuasi-estable. A continuación, se presentará la ecuación de balance de energía para los tres componentes principales del alambique solar. 2.4.2.5.1. BALANCE DE ENERGÍA SOBRE LA CUBIERTA DE VIDRIO Los investigadores que ocuparon sus estudios en los alambiques solares activos desarrollaron un modelo térmico en base a la suposición que Tgi ≠ Tgo. Esta consideración es tomada para escribir la ecuación de balance de energía sobre la cubierta de vidrio. La razón de energía solar ganada por la cubierta de vidrio y la razón de energía ganada desde la superficie de agua hasta la cubierta de vidrio por radiación, convección y evaporación, es igual a la razón de energía perdida hacia el aire del exterior. 2.4.2.5.1.1. Sobre la superficie interna de la Cubierta de Vidrio αg ∗ ITS + q̇r,w−g + q̇c,w−g + q̇e,w−g = q̇g Ec. (96) Donde: W ITS : Radiación solar total sobre la superficie inclinada del alambique solar [ ] m2 αg : Absortividad del vidrio [-] Reemplazando las ecuaciones (60) y (86) en la ecuación (96), la ecuación de balance de energía en la superficie interna de la cubierta de vidrio será: kg αg ∗ ITS + ht,w−g ∗ (Tw − Tgi) = ∗ (Tgi − Tgo) Ec. (97) Lg 79 Luego de realizar algunos reemplazos y simplificaciones sobre la ecuación anterior, se obtiene la temperatura de la superficie interna de la cubierta de vidrio (Tgi) (Sampathkumar, 2010): kg αg∗ITS+ht,w−g∗Tw+( )∗TL go T = ggi k Ec. (98) g ht,w−g+( )Lg 2.4.2.5.1.2. Sobre la superficie externa de la Cubierta de Vidrio q̇g = q̇r,g−a + q̇c,g−a Ec. (99) Reemplazando las ecuaciones (86) y (77) en la ecuación (99), la ecuación de balance de energía en la superficie externa de la cubierta de vidrio será: kg ∗ (T L gi − Tgo) = ht,g−a ∗ (Tgo − Ta) Ec. (100) g Luego de realizar algunos reemplazos y simplificaciones sobre la ecuación anterior, se obtiene la temperatura de la superficie externa de la cubierta de vidrio (Tgo) (Sampathkumar, 2010): αg∗ITS∗hk+Uwo∗Tw+ht,g−a∗Ta Tgo = Ec. (101) ht,g−a+Uwo Además kg L hk = g k Ec. (102) g ht,w−g+Lg 80 2.4.2.5.2. BALANCE DE ENERGÍA SOBRE LA FUENTE La razón de energía absorbida por la fuente es igual a la razón de energía transferida al agua más la razón de energía perdida a través de los lados y la parte inferior del alambique solar. Esto es expresado como: αb ∗ (1 − αg) ∗ (1 − αw) ∗ ITS = q̇w + q̇b Ec. (103) Donde: αb : Absortividad de la fuente [-] αw : Absortividad del agua [-] Reemplazando las ecuaciones (71) y (87) en la ecuación (103), la ecuación de balance de energía sobre la fuente será: αb ∗ (1 − αg) ∗ (1 − αw) ∗ ITS = hw ∗ (Tb − Tw) + hb ∗ (Tb − Ta) Ec. (104) Luego de realizar algunos reemplazos y simplificaciones sobre la ecuación anterior, se obtiene la temperatura de la fuente (Tb) (Sampathkumar, 2010): α T = −b ∗ITS+hw∗Tw+hb∗Ta b Ec. (105) hw+hb Además α−b = αb ∗ (1 − αg) ∗ (1 − αw) Ec. (106) 2.4.2.5.3. BALANCE DE ENERGÍA SOBRE LA MASA DE AGUA La razón de energía solar absorbida más la razón de energía recibida por convección desde la fuente, es igual a la razón de energía almacenada más la razón de energía transferida hacia la cubierta de vidrio. En el caso de utilizar un colector solar se deberá añadir la energía térmica adicional (q̇u) en el balance de energía sobre la masa de agua. Esta energía adicional 81 incrementa la temperatura de la masa agua en el alambique. Por lo que el balance de energía sobre la masa de agua será: dTw αw ∗ (1 − αg) ∗ ITS + q̇w + q̇u = Mw ∗ Cw ∗ + q̇r,w−g + q̇c,w−g + q̇dt e,w−g Ec. (107) Donde: W q̇u : Flujo de calor útil ganado por el colector solar [ ] m2 Mw : Masa de agua en la fuente [kg] J Cw : Calor especifico del agua líquida[ ] kg∗K dTw K : Razón de cambio de la temperatura del agua en relación al tiempo [ ] dt s Reemplazando las ecuaciones (71) y (60) en la ecuación (107), la ecuación de balance de energía sobre la masa de agua será: dTw αw ∗ (1 − αg) ∗ ITS + hw ∗ (Tb − Tw) + q̇u = Mw ∗ Cw ∗ + ht,w−g ∗ (Tdt w − Tgi) Ec. (108) El flujo de calor útil por unidad de área (q̇u) suministrado hacia el alambique solar por medio del colector solar de placa plana (FPC), es determinado por la siguiente expresión: Q̇ q̇ = útilu Ec. (109) Ac Donde: Q̇útil : Flujo de calor útil transportado al agua por el colector solar [W] Ac : Área efectiva del colector solar [m 2] En base a las ecuaciones de balance de energía mencionadas anteriormente, se determinó una solución analítica aproximada para evaluar la temperatura del agua en la fuente 82 del alambique (Tw), la cual se presenta en forma de ecuación diferencial de la siguiente manera (Sampathkumar, 2010): dTw + a ∗ T = f(t) Ec. (110) dt w Además U I +U ∗T a = eff Ec. (111) f(t) = eff eff a Ec. (112) Mw∗Cw Mw∗Cw Donde: W Ueff : Coeficiente de transferencia de calor total efectivo [ ]m2 ∗K W Ieff : Radiación solar efectiva [ ]m2 El coeficiente de transferencia de calor total efectivo (Ueff), comprende el coeficiente de transferencia de calor total para el alambique solar (ULS) así como para el colector solar (ULC) tal como se muestra a continuación: Ueff = ULS + Nc ∗ FR ∗ ULC Ec. (113) Donde: W ULC : Coeficiente de transferencia de calor total para el colector solar [ ] m2∗K FR : Factor de remoción de calor [-] Nc : Número de colectores solares [-] La radiación solar efectiva (Ieff), comprende la radiación solar recibida sobre la cubierta de vidrio del alambique solar (ITS) así como la recibida sobre el colector solar (ITC) tal como se muestra a continuación: Ieff = Nc ∗ FR ∗ (ατ)c ∗ ITC + (ατ)eff ∗ ITS Ec. (114) Donde: 83 W ITC : Radiación solar total sobre la superficie inclinada del colector solar [ ] m2 (ατ)c : Factor por perdidas ópticas y por absorción [-] Además hw h( ) t,w−gατ eff = αb ∗ + αw + αg ∗ Ec. (115) hw+hb ht,g−a+Uwo 2.4.2.5.3.1. Temperatura de Agua en la Fuente (𝐓𝐰) Con el fin de aproximar una solución a la Ec. (110) se consideró las siguientes suposiciones (Sampathkumar, 2010): - El intervalo de tiempo ∆t (0 < t < ∆t) es pequeño. - El término “a” es constante durante el intervalo ∆t. - La función f(t) es constante, es decir f̅̅(̅̅t̅) = f(t) para el intervalo de tiempo entre 0 y t. Tomando en cuenta la condición de frontera: para t = 0, Tw(t=0) = Tw0 , la temperatura del agua en la fuente será siguiente (Sampathkumar, 2010): f̅̅(̅̅t̅) Tw = ∗ (1 − e −a∗t) + Tw0 ∗ e −a∗t Ec. (116) a Donde: Tw0 : Temperatura del agua en la fuente cuando t = 0, [K] t : Tiempo [s] 2.4.2.6. PRODUCCIÓN DE AGUA PURA La producción de agua pura por hora está determinada por la siguiente ecuación (Sampathkumar, 2010): 84 As∗he,w−g∗(Tw−T ) ṁew = gi ∗ 3600 Ec. (117) L Donde: kg ṁew : Masa de agua destilada por hora [ ] h J L : Calor latente de vaporización del agua [ ] kg La producción de agua pura diaria será: Mew,day = ṁew ∗ Nh Ec. (118) Donde: kg Mew,day : Masa de agua destilada por día [ ] día h Nh : Número de horas sol efectivas por día [ ] día 2.4.2.7. EFICIENCIA TÉRMICA DEL DESTILADOR SOLAR 2.4.2.7.1. Destilador Solar Pasivo La eficiencia térmica para un destilador solar pasivo está definida como la relación entre la energía necesaria para evaporar el agua contaminada de la fuente y la energía suministrada por el alambique solar (Tiwari, 2008). ṁ ∗L η ews,pas = ∗ 100 Ec. (119) ITS∗As∗3600 Donde: ηs,pas : Eficiencia térmica instantánea del destilador solar pasivo [%] 2.4.2.7.2. Destilador Solar Activo La eficiencia térmica para un destilador solar activo está definida como la relación entre la energía necesaria para evaporar el agua contaminada de la fuente y la energía suministrada por el alambique y colector solar (Tiwari, 2008). 85 ṁew∗Lηs,act = ∗ 100 Ec. (120) ITS∗As∗3600+ITC∗Ac∗3600 Donde: ηs,act : Eficiencia térmica instantánea del destilador solar activo [%] 2.4.2.8. RESTRICCIONES Y LIMITACIONES Las relaciones planteadas para la evaluación del destilador solar están sometidas a restricciones y limitaciones aplicadas a las constantes y variables de diseño (Sampathkumar, 2010), estas son: - El cálculo presentado es independiente de la cavidad o volumen interno del alambique solar, es decir, del espacio encerrado entre la superficie de condensación y de evaporación. - El cálculo presentado es válido para un flujo de calor ascendente a través de un espacio de aire encerrado, y con la superficie de evaporación y condensación idealmente paralelo. - La temperatura normal de operación del alambique solar está alrededor de los 50°C y la variable ∆T alrededor de los 17°C. - La jerarquía de temperaturas en condiciones normales de operación debe ser: Tb > Tw > Tgi > Tgo > Ta 86 CAPÍTULO III 3. DISEÑO Y COMPORTAMIENTO TEÓRICO 3.1. DISEÑO 3.1.1. DISTRITO DE MAJES: Datos Geográficos y Meteorológicos El Distrito de Majes está asentado sobre una pampa costanera de poca inclinación que se origina en la cordillera de la costa peruana y asciende hacia los flancos de la cordillera andina. Su clima en general es árido, semiárido en verano y húmedo en otoño e invierno. Las precipitaciones promedio son de 0.1 L/m2 que se considera casi despreciable. La estación meteorológica más cercana es la estación Pampa de Majes la cual nos proporciona los siguientes datos meteorológicos. Tabla 6 Datos Geográficos y Meteorológicos del Distrito de Majes Estación meteorológica: Pampa de Majes Distrito Majes Provincia Caylloma Región Arequipa Latitud 16° 20' 8.35" S Longitud 72° 9' 9.56" O Altitud 1498 m.s.n.m. Temperatura promedio 18.2 °C Temperatura máxima 30.0 °C Temperatura mínima 5.9 °C Humedad relativa 49.7% Velocidad de viento 1.89 m/s Presión atmosferica 85 kPa Nota: Los valores mostrados son los promedios de los últimos doce meses. Fuente: SENAMHI (2022) En la zona rural del Distrito de Majes se pueden describir las siguientes tendencias del clima que son normales y regulares durante el año: La presencia de vientos es más intensa en 87 la tarde y ligera durante la mañana. Predominan áreas desérticas sin asfaltado lo que facilita el arrastre de polvo a causa de los vientos. La presencia de humedad es más intensa alrededor de las áreas de cultivo o parcelas. La sensación de calor es intensa alrededor de la mañana y mediodía con tendencia a disminuir por la tarde; en cambio la sensación de frio es más notoria por la madrugada y desaparece conforme va desarrollando la mañana. Las lluvias son casi nulas durante el año y con mayor probabilidad en los meses de febrero y marzo. La presencia de nubles es regular, aunque entre los meses de mayo a julio se pueden encontrar cielos más despejados. 3.1.2. CRITERIOS PARA EL DISEÑO Los criterios que se deben de tener en consideración para el diseño de un destilador solar involucran a los parámetros y variables que afectan la productividad y el rendimiento del destilador. De estos parámetros y variables no tenemos control sobre algunos y sobre otros sí hasta cierto modo. A continuación, veremos cuáles son estos. Parámetros Incontrolables: Intensidad de radiación solar, velocidad del viento, temperatura ambiente, humedad ambiente y temperatura del agua a la intemperie. Parámetros Controlables: Dimensiones del destilador, materiales de construcción, orientación e inclinación del alambique y colector solar, profundidad del agua en la fuente, la alimentación del agua contaminada, entre otros. A continuación, detallaremos un poco más sobre estos parámetros mencionados. 3.1.2.1. Dimensiones La dimensión del destilador solar está determinada por la cantidad de agua pura que se desea conseguir, lo cual es estrictamente dependiente del área del evaporador. Por lógica esto 88 implica que a mayor superficie del evaporador y de la cubierta del condensador, mayor será la productividad del sistema. Otros factores importantes a tener en consideración a la hora de establecer una dimensión en el diseño, es considerar la facilidad en la construcción, en el transporte, en la instalación y en el mantenimiento del destilador solar. Teniendo en cuenta que no solo el volumen que ocuparan los componentes es importante sino también los pesos de los mismos los cuales dependen de los materiales empleados. 3.1.2.2. Materiales de Construcción Los materiales a utilizar deben resistir las condiciones exteriores o climáticas del lugar donde va operar el destilador. Además, deben cumplir ciertas propiedades físicas para soportar las condiciones interiores como resistencia a temperaturas elevadas (80°C como mínimo), durabilidad del material, resistencia mecánica. Por otra parte, está el bajo mantenimiento, que estos materiales no sean tóxicos, y que sean relativamente económicos (Hermosillo, 1989). Algunos materiales que se han usado en la Estructura y el Evaporador de prototipos de destiladores son por ejemplo: la lámina de hierro, el acero inoxidable, plástico reforzado con fibra de vidrio, materiales de mampostería, materiales aglomerados, madera, ferrocemento, entre otros. Los materiales más usados para la Cubierta del Condensador son el vidrio y acrílicos, las cuales presentan propiedades interesantes. Por otro lado, el polietileno, polivinilo, y el poliéster son otras alternativas, con la desventaja que son menos resistentes a la radiación solar. Los Aislamientos Térmicos en las partes adecuadas del destilador solar son importantes porque mejoran el rendimiento y la producción. Entre los aislamientos más utilizados tenemos 89 a la espuma de poliuretano y a la lana de vidrio. Otros menos conocidos son: el aserrín, el cartón corrugado, el papel en capas, espumas de tapicería y otros. Los Conductos para transportar el agua contaminada y el agua destilada que pueden utilizarse en la construcción de un destilador solar son: tuberías de cobre, tuberías de aceros galvanizados, tuberías inox, tuberías y mangueras de PVC, mangueras de polietileno entre otros. 3.1.2.3. Orientación e Inclinación La orientación adecuada tanto para el colector solar como para el alambique solar según los resultados de los prototipos de destiladores solares estudiados es hacia el norte si es que el sistema de destilación se ubica en el hemisferio sur (que es nuestro caso), y hacia el sur si es que este se ubica en el hemisferio norte. La inclinación adecuada para el colector solar según los estudios realizados es la misma o por lo menos cercana a la latitud de la zona donde se ubicará este componente. En cambio, la inclinación adecuada para el alambique solar debe ser cercana a la latitud de la zona donde se ubicará este componente, aunque se debe tomar en cuenta que para que el agua condensada escurra con facilidad sobre las canaletas de recolección y no caiga sobre el evaporador sería idóneo tener la máxima inclinación posible. Sin embargo, experimentalmente algunos autores recomiendan como inclinación óptima para un condensador de vidrio (que es el más usado) ángulos entre 20 y 30° respecto a la horizontal. Otros mencionan que el ángulo mínimo debe ser 12° y el ángulo más indicado de 20°, aunque esto podría variar de acuerdo al tipo de destilador (Hermosillo, 1989). 90 3.1.2.4. Profundidad del Agua Contaminada La profundidad del agua en el evaporador es un parámetro muy importante y de este puede depender mucho la productividad. Se recomienda en base a resultados experimentales profundidades cortas ya que con esto se tiene menores cantidades de agua en la bandeja reduciendo la cantidad de energía y el tiempo que se requiere para calentar esta masa. 3.1.2.5. Alimentación del Agua Contaminada Como se mencionó en las limitaciones de la destilación solar, es conveniente que el agua contaminada no esté demasiada contaminada valga la redundancia, ya que esto perjudicaría a la productividad y el mantenimiento. Para evitar esta situación se puede realizar un pre-tratado externo al agua contaminada, lo cual implica separar las partículas más pesadas y ligeras que el agua. Estas partículas pueden ser restos orgánicos, restos vegetales, tierra, insectos, etc. La alimentación de agua contaminada puede ser discreta, es decir por lotes de agua. Esto puede ser una vez al día o a cada cierto número de días; por otro lado, esto puede resultar algo más trabajoso y aburrido. Esta forma de alimentación es más adecuada para los destiladores pasivos de dimensiones reducidas. Para evitar la constante alimentación manual del agua contaminada a la bandeja es prefiere usar un mecanismo automático como por ejemplo un flotador de boya, ya sea en el interior del alambique lo cual resulta algo complejo de lograr, o mediante un tanque externo conectado al evaporador por medio tuberías o mangueras usando el principio de vasos comunicantes. 91 3.1.2.6. Separación de Agua Pura y Agua Contaminada Como el agua contaminada y el agua destilada coexisten en un mismo ambiente dentro del destilador, en algunos casos puede que estos se mezclen. Si esto ocurriera disminuiría la eficiencia térmica y la productividad del destilador, además que se obtendría un producto contaminado, lo cual puede ser difícil de detectar a simple vista. De lo mencionado anteriormente es importante que en el diseño de un destilador solar se prevea estas situaciones, por lo que se debe evitar que ocurran posibles goteos, escurrimientos, salpicaduras, inundaciones, fugas de vapor u otros procesos que causen la contaminación del agua pura obtenida. 3.1.2.7. Sabor del Agua Destilada Aunque algunas personas crean que el agua destilada es de mal sabor e impotable, esto es falso en el caso del destilador solar. El agua destilada por su alta pureza, es ávida de disolver y absorber diversas sustancias en mayor grado que cuando tiene impurezas. Debido a esta propiedad, es fácil que le agua destilada adquiera el sabor de alguna sustancia o material con la que tenga contacto (canaletas ductos, etc.), estos problemas desaparecen con el tiempo y con el uso del destilador. Vale recordar que el objetivo del destilador solar es quitar las sales disueltas y contaminantes del agua, sin embargo, es posible y razonable remineralizar el agua para modificar su sabor, siempre que esta operación no la contamine más allá de ciertos límites (Hermosillo, 1989). 3.1.3. SISTEMA DE DESTILACIÓN SOLAR PROPUESTO Basándonos en los criterios para el diseño de un destilador solar, en las condiciones climáticas para el Distrito de Majes, en los prototipos de destiladores solares de referencia y en criterios propios, presentamos el siguiente esquema de destilación solar que desarrollaremos: 92 Figura 40 Esquema del Sistema de Destilación Solar Propuesto Fuente: Elaboración basada en Badran (2005) El sistema de destilación solar propuesto en esencia comprende un alambique solar de doble vertiente y un colector solar tipo placa plana (FPC), un tanque de control de agua para mantener el nivel del mismo, un tanque de reserva para reponer el agua que se ira destilando y bidones o recipientes para almacenar el agua destilada. Estos componentes se revisarán a detalle más adelante. 3.1.4. PARÁMETROS DE DISEÑO 3.1.4.1. Parámetros Generales Para realizar la evaluación térmica en el Colector Solar y en el Alambique Solar tomaremos los siguientes parámetros físicos: Tabla 7 Parámetros Generales para el Sistema de Destilación Solar Valores comunes Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Aceleración de la gravedad g 9.81 m/s^2 - Velocidad del viento v 1.89 m/s SENAMHI Temperatura ambiente Ta 18.2 °C SENAMHI Constante de Boltzmann σ 5.67 x 10^(-8) W/m^2.K^4 (Cengel & Ghajar, 2011) Fuente: Propia (2022) 93 3.1.4.2. Parámetros de Diseño para el Colector Solar Tabla 8 Parámetros de Diseño para el Colector Solar de Placa Plana (FPC) Colector Solar de Placa Plana (FPC) Dimensiones: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Área Ac 1.30 m^2 Fabricante Perímetro P 4.56 m Fabricante Altura h 0.06 m Fabricante Espaciamiento entre placa-cubierta ι 4.0 cm Fabricante Ángulo de inclinación θc 16 ° Latitud Cubierta de vidrio: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Espesor - 0.003 m Fabricante Emisividad εv 0.90 - (Cengel & Ghajar,2011) Reflectividad difusa ρd 0.16 - (Travezaño, 2002) Transmisividad τ 0.88 - (Travezaño, 2002) Placa de absorción: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Absortividad (Pintura negra) α 0.98 - (Cengel & Ghajar,2011) Emisividad (Pintura negra) εp 0.98 - (Cengel & Ghajar,2011) Conductividad (Aluminio) kp 237 W/mK (Cengel & Ghajar,2011) Espesor ep 0.0003 m Fabricante Banco de tubos: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Conductividad (Cobre) - 401 W/mK (Cengel & Ghajar,2011) Diámetro nominal (Cobre tipo M) - 1/4 pulg Fabricante Diámetro externo (Cobre tipo M) D 0.0095 m Fabricante Diámetro interno (Cobre tipo M) Di 0.0083 m Fabricante Espesor (Cobre tipo M) - 0.00064 m Fabricante Longitud Ltub 1.20 m Fabricante Número de tubos ntub 12 - Fabricante Separación entre tubos W 0.09 m Fabricante Aislamiento térmico: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Conductividad térmica (Lana de vidrio) ka 0.036 W/mK (Cengel & Ghajar,2011) Espesor ea 0.025 m Fabricante Fuente: Propia (2022) 3.1.4.3. Parámetros de Diseño para el Alambique Solar 94 Tabla 9 Parámetros de Diseño para el Alambique Solar Alambique Solar Dimensiones: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Área inferior As 2.48 m^2 Diseño Área lateral Ass 0.47 m^2 Diseño Condensador: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Absortividad (Vidrio) αg 0.05 - (Tiwari, 2008) Emisividad (Vidrio) εg 0.90 - (Cengel & Ghajar,2011) Conductividad térmica (Vidrio) kg 0.78 W/mK (Tiwari, 2008) Espesor de la cubierta (Vidrio) Lg 0.003 m Diseño Evaporador: Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Profundidad del agua en la fuente xw 0.030 m Diseño Espesor del aislamiento térmico (Lana de vidrio) Li 0.050 m Diseño Conductividad térmica del aislamiento (Lana de vidrio) ki 0.036 W/mK (Cengel & Ghajar,2011) Absortividad de la fuente αb 0.98 - (Cengel & Ghajar,2011) Absortividad del agua αw 0.60 - (Dwivedi, 2009) Emisividad del agua εw 0.95 - (Dwivedi, 2009) Fuente: Propia (2022) 3.2 COMPORTAMIENTO TEÓRICO DEL SISTEMA 3.2.1. CÁLCULO DE LA IRRADIACIÓN SOLAR TOTAL Haremos uso de las ecuaciones mencionadas en el capítulo 2 para estimar la irradiación solar sobre el Distrito de Majes. Este flujo de energía incidirá sobre el colector solar de placa plana (FPC) y el Alambique Solar de doble vertiente. 3.2.1.1- Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Colector Solar Las ecuaciones del capítulo 2 involucradas en la estimación de la Irradiación Solar pueden ser resueltas usando el programa EES (Engineering Equation Solver) o mediante Microsoft Excel sin ningún inconveniente. Para ello solo requerimos conocer la latitud de la zona donde se instalará el Colector Solar y la inclinación del mismo. - Latitud de la zona: 16.34° S (Distrito de Majes) - Ángulo de inclinación de la cubierta receptora: 16° 95 En la siguiente tabla se muestra los resultados obtenidos para el día central de cada mes. En ella se puede apreciar la Irradiación Solar Directa (Idir,θ), la Irradiación Solar Difusa (Idif,θ), la Irradiación Solar Reflejada (Iref,θ) y la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Colector Solar (ITC). Tabla 10 Valores de Irradiación Solar sobre el Colector Solar de Placa Plana (FPC) Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Unidad Día 16 14 16 15 16 15 16 16 15 16 15 16 - n 16 45 75 105 136 166 197 228 258 289 319 350 - δ -21.10 -13.62 -2.42 9.41 19.03 23.31 21.35 13.45 2.22 -9.97 -19.15 -23.37 ° ωs 83.51 85.93 89.29 92.79 95.80 97.26 96.58 94.02 90.65 87.05 84.16 82.72 ° Nt 11.13 11.46 11.91 12.37 12.77 12.97 12.88 12.54 12.09 11.61 11.22 11.03 h ϵo 1.032 1.024 1.009 0.992 0.977 0.968 0.968 0.977 0.991 1.009 1.023 1.032 - t1 7.1 7.3 7.5 7.5 7.7 7.8 7.9 7.7 7.3 6.9 6.7 6.8 h t2 17.3 17.1 16.8 16.5 16.2 16.2 16.3 16.5 16.5 16.6 16.8 17.1 h Io 7832 8544 9261 9489 9289 9073 9136 9356 9303 8730 7971 7555 Wh/m^2 nr 13.0 12.6 12.2 11.7 11.4 11.2 11.3 11.6 12.0 12.5 12.9 13.1 h I 6299 6767 7209 7252 7009 6799 6869 7115 7189 6879 6386 6104 Wh/m^2 KT 0.80 0.79 0.78 0.76 0.75 0.75 0.75 0.76 0.77 0.79 0.80 0.81 - Idif 1115 1198 1276 1284 1241 1348 1216 1259 1272 1218 1130 1080 Wh/m^2 Idir 5184 5570 5933 5968 5768 5451 5653 5856 5916 5661 5255 5024 Wh/m^2 Rb 1.23 1.15 1.06 0.98 0.93 0.90 0.92 0.96 1.03 1.12 1.21 1.26 - Idir,θ 6375 6402 6282 5865 5352 4930 5173 5617 6078 6324 6341 6323 Wh/m^2 Idif,θ 1093 1175 1251 1259 1217 1322 1192 1235 1248 1194 1108 1060 Wh/m^2 Iref,θ 37 39 42 42 41 40 40 41 42 40 37 35 Wh/m^2 IT 7505 7616 7576 7166 6610 6291 6405 6893 7368 7558 7486 7418 Wh/m^2 ITC 737 777 807 802 772 750 757 785 801 783 745 721 W/m^2 IT,máximo: 7616 Wh/m^2 ITC,máximo: 807 W/m^2 IT,mínimo: 6291 Wh/m^2 ITC,mínimo: 721 W/m^2 IT,promedio: 7158 Wh/m^2 ITC,promedio: 770 W/m^2 Fuente: Propia (2022) Del resultado obtenido podemos destacar lo siguiente: - El máximo nivel de Irradiación Solar Total (IT) es de 7 616 W-h/m 2 que corresponde al mes de febrero. - El mínimo nivel de Irradiación Solar Total (IT) es de 6 291 W-h/m 2 que corresponde al mes de junio. 96 - El nivel de Irradiación Solar Total (IT) promedio durante el año es de 7 158 W- h/m2. Este valor aproximado es la energía solar captada por el Colector Solar y servirá como referencia para realizar los siguientes cálculos. La siguiente grafica muestra la variación de la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Colector Solar a lo largo del año. En esta se puede apreciar los valores de radiación máximos y mínimos. Figura 41 Variación de la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Colector Solar IT [Wh/m^2] ITC [W/m^2] 8000 820 800 7500 780 7000 760 6500 740 6000 720 5500 700 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Fuente: Propia (2022) El nivel promedio de Irradiación Solar Total es 7 158 W-h/m2. Este valor puede interpretarse como la media anual de Irradiación Solar Total sobre una superficie inclinada a 16° respecto a la horizontal. 3.2.1.2. Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Alambique Solar Para estimar La Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Alambique Solar fijaremos los siguientes parámetros necesarios: - Latitud de la zona: 16.34° S (Distrito de Majes) - Ángulo de inclinación de la cubierta receptora: 20° 97 En la siguiente tabla se muestra los resultados obtenidos para el día central de cada mes. En ella se puede apreciar la Irradiación Solar Directa (Idir,θ), la Irradiación Solar Difusa (Idif,θ), la Irradiación Solar Reflejada (Iref,θ) y la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Alambique Solar (ITS). Tabla 11 Valores de Irradiación Solar sobre el Alambique Solar Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Unidad Día 16 14 16 15 16 15 16 16 15 16 15 16 - n 16 45 75 105 136 166 197 228 258 289 319 350 - δ -21.10 -13.62 -2.42 9.41 19.03 23.31 21.35 13.45 2.22 -9.97 -19.15 -23.37 ° ωs 83.51 85.93 89.29 92.79 95.80 97.26 96.58 94.02 90.65 87.05 84.16 82.72 ° Nt 11.13 11.46 11.91 12.37 12.77 12.97 12.88 12.54 12.09 11.61 11.22 11.03 h ϵo 1.032 1.024 1.009 0.992 0.977 0.968 0.968 0.977 0.991 1.009 1.023 1.032 - t1 7.1 7.3 7.5 7.5 7.7 7.8 7.9 7.7 7.3 6.9 6.7 6.8 h t2 17.3 17.1 16.8 16.5 16.2 16.2 16.3 16.5 16.5 16.6 16.8 17.1 h Io 7832 8544 9261 9489 9289 9073 9136 9356 9303 8730 7971 7555 Wh/m^2 nr 13.0 12.6 12.2 11.7 11.4 11.2 11.3 11.6 12.0 12.5 12.9 13.1 h I 6299 6767 7209 7252 7009 6799 6869 7115 7189 6879 6386 6104 Wh/m^2 KT 0.80 0.79 0.78 0.76 0.75 0.75 0.75 0.76 0.77 0.79 0.80 0.81 - Idif 1115 1198 1276 1284 1241 1348 1216 1259 1272 1218 1130 1080 Wh/m^2 Idir 5184 5570 5933 5968 5768 5451 5653 5856 5916 5661 5255 5024 Wh/m^2 Rb 1.27 1.17 1.06 0.97 0.90 0.87 0.88 0.94 1.02 1.13 1.24 1.31 - Idir,θ 6599 6535 6294 5767 5182 4738 4988 5487 6045 6414 6538 6574 Wh/m^2 Idif,θ 1081 1162 1238 1245 1203 1307 1179 1221 1234 1181 1096 1048 Wh/m^2 Iref,θ 57 61 65 66 63 62 62 64 65 62 58 55 Wh/m^2 IT 7737 7758 7597 7077 6448 6107 6230 6773 7344 7657 7692 7678 Wh/m^2 ITS 760 792 810 792 753 728 736 771 798 794 765 747 W/m^2 IT,máximo: 7758 Wh/m^2 ITS,máximo: 810 W/m^2 IT,mínimo: 6107 Wh/m^2 ITS,mínimo: 728 W/m^2 IT,promedio: 7175 Wh/m^2 ITS,promedio: 770 W/m^2 Fuente: Propia (2022) Del resultado obtenido podemos destacar lo siguiente: - El máximo nivel de Irradiación Solar Total (IT) es de 7 758 W-h/m 2 que corresponde al mes de febrero. - El mínimo nivel de Irradiación Solar Total (IT) es de 6 107 W-h/m 2 que corresponde al mes de junio. 98 - El nivel de Irradiación Solar Total (IT) promedio durante el año es de 7 175 W- h/m2. Este valor aproximado es la energía solar captada por el Alambique Solar y servirá como referencia para realizar los siguientes cálculos. La siguiente grafica muestra la variación de la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Alambique Solar a lo largo del año. En esta se puede apreciar los valores de radiación máximos y mínimos. Figura 42 Variación de la Irradiación Solar Total sobre la superficie inclinada del Alambique Solar IT [Wh/m^2] ITS [W/m^2] 8000 820 800 7500 780 7000 760 6500 740 6000 720 5500 700 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Fuente: Propia (2022) El nivel promedio de Irradiación Solar Total es 7 175 W-h/m2. Este valor puede interpretarse como la media anual de Irradiación Solar Total sobre una superficie inclinada a 20° respecto a la horizontal. 3.2.2. COMPORTAMIENTO DEL COLECTOR SOLAR Para dar solución a las ecuaciones sobre el colector solar citadas en el Capítulo 2 haremos uso del programa EES (Engineering Equation Solver) y las herramientas que este programa dispone para realizar el análisis respectivo. La programación utilizada se menciona en el Anexo 1. 99 A partir de las dimensiones del Colector Solar y de las propiedades de los materiales de los que está fabricado se estimará el valor del flujo de calor útil (Q̇útil), el flujo de calor perdido (Q̇pe), el coeficiente de transferencia de calor total de perdidas (ULC), las temperaturas alcanzadas (Tfe), (Tfs), (Tf), y (T𝑣), el factor de remoción de calor (FR), el factor de eficiencia del colector solar (F′) y demás parámetros importantes. Estos valores serán importantes para la evaluación térmica sobre el Alambique Solar. Para estimar el valor de las variables implicadas en las ecuaciones que gobiernan el comportamiento del Colector Solar se realizó las siguientes asunciones: Tabla 12 Valores promedio asumidos para la Solución de las Ecuaciones sobre el Colector Solar Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Temperatura promedio de placa de absorción Tp 45 °C Medido Temperatura del fluido a la entrada Tfe 25 °C Medido Diferencia de temperatura entre tubo-fluido ΔTt-f 11 K Medido Fuente: Propia (2022) Usando la herramienta “Parametric Table” del programa EES para establecer un rango estimado a las variables Tp y Tfe y manteniendo constantes y dentro de su valor promedio las demás variables involucradas se obtiene los siguientes resultados. 100 Tabla 13 Comportamiento de las variables del Colector Solar en función de la Temperatura de la Placa de Absorción “Tp” Tp Tfe Tfs Tf Tv Test Ta ΔTf Qutil Qpe ULC Usup Uinf Ulat ηc F F' FR ṁc [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W] [W] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] [%] [kg/s] 21 17.0 23.1 20.1 18.9 122.0 18.2 6.1 839.70 23.27 6.41 4.67 1.44 0.30 84.18 0.954 0.929 0.880 0.0167 26 18.7 24.6 21.6 20.3 117.2 18.2 6.0 797.90 65.09 6.73 4.98 1.44 0.30 79.99 0.952 0.927 0.874 0.0163 30 20.3 26.1 23.2 21.7 114.1 18.2 5.8 753.90 109.10 6.94 5.20 1.44 0.30 75.57 0.950 0.926 0.870 0.0160 35 22.0 27.5 24.8 23.2 111.8 18.2 5.5 708.00 155.00 7.12 5.37 1.44 0.30 70.98 0.949 0.925 0.867 0.0156 40 23.7 29.0 26.3 24.8 109.7 18.2 5.3 660.60 202.40 7.28 5.53 1.44 0.30 66.23 0.948 0.924 0.864 0.0152 44 25.3 30.4 27.9 26.4 108.0 18.2 5.0 611.80 251.30 7.42 5.67 1.44 0.30 61.33 0.947 0.923 0.860 0.0149 49 27.0 31.8 29.4 28.0 106.4 18.2 4.8 561.50 301.50 7.55 5.81 1.44 0.30 56.29 0.946 0.923 0.857 0.0145 54 28.7 33.1 30.9 29.8 104.9 18.2 4.4 509.90 353.10 7.68 5.94 1.44 0.30 51.12 0.946 0.922 0.854 0.0141 58 30.3 34.4 32.4 31.5 103.5 18.2 4.1 457.00 406.00 7.81 6.06 1.44 0.30 45.81 0.945 0.921 0.850 0.0137 63 32.0 35.7 33.9 33.3 102.2 18.2 3.7 402.70 460.30 7.93 6.18 1.44 0.30 40.38 0.944 0.921 0.847 0.0133 Fuente: Resultados EES (2022) También analizamos los resultados para el rango de Radiación Solar Total recibida sobre el Colector Solar (ITC), estos se aprecian en la siguiente tabla. Tabla 14 Comportamiento de las variables del Colector Solar en función de la Radiación Solar Total “ITC” ITC Tfe Tfs Tf Tp Tv Test Ta ΔTf Qutil Qpe ULC Usup Uinf Ulat ηc F F' FR ṁc [W/m2] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W] [W] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] [%] [kg/s] 677 17.0 21.3 19.1 45.0 26.6 96.9 18.2 4.3 500.10 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 57.05 0.947 0.918 0.853 0.0143 692 18.7 23.1 20.9 45.0 26.6 98.7 18.2 4.4 517.90 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 57.72 0.947 0.919 0.855 0.0143 708 20.3 24.9 22.6 45.0 26.6 100.6 18.2 4.6 535.60 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 58.37 0.947 0.920 0.856 0.0144 724 22.0 26.7 24.3 45.0 26.6 102.4 18.2 4.7 553.40 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 58.98 0.947 0.921 0.857 0.0144 740 23.7 28.5 26.1 45.0 26.6 104.2 18.2 4.8 571.10 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 59.57 0.947 0.922 0.858 0.0145 756 25.3 30.3 27.8 45.0 26.6 106.1 18.2 5.0 588.90 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 60.13 0.947 0.923 0.859 0.0145 771 27.0 32.1 29.5 45.0 26.6 107.9 18.2 5.1 606.60 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 60.68 0.947 0.924 0.859 0.0146 787 28.7 33.9 31.3 45.0 26.6 109.8 18.2 5.2 624.40 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 61.20 0.947 0.924 0.860 0.0146 803 30.3 35.7 33.0 45.0 26.6 111.6 18.2 5.4 642.10 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 61.69 0.947 0.925 0.861 0.0147 819 32.0 37.5 34.7 45.0 26.6 113.5 18.2 5.5 659.90 258.30 7.44 5.69 1.44 0.30 62.17 0.947 0.926 0.862 0.0147 Fuente: Resultados EES (2022) Usamos la herramienta “Plot Window” del programa EES para interpretar los resultados obtenidos. Las siguientes gráficas muestran el comportamiento de las variables obtenidas en función de la temperatura de la placa de absorción (Tp) y de la radiación solar total recibida (ITC). 101 Figura 43 Variación de los Flujos de Calor respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) 800 700 Qutil 600 600 Qutil 500 400 400 Qpe 200 300 Qpe 0 T 200p 675 705 735 765 795 825 300 320 340 [K] 2 27 47 67 [°C] ITC [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) En la gráfica de la izquierda se puede apreciar que el Flujo de Calor Útil (Q̇útil) disminuye con el incremento de la temperatura de la placa de absorción, mientras que el Flujo de Calor Perdido (Q̇pe) aumenta, en este comportamiento se asume que la radiación solar sobre el Colector Solar se mantiene constante todo el tiempo. En cambio, para la gráfica de la derecha se aprecia que el Flujo de Calor Útil aumente proporcionalmente con la radiación solar, mientras que el Flujo de Calor Perdido se mantiene constante, este comportamiento es el más lógico de suceder. Figura 44 Variación del Coeficiente de Transferencia de Calor respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) 9 ULC ULC 8 7 Usup 6 U 5sup 4 3 U U infinf 2 1 0 Ulat Ulat Tp -1 675 705 735 765 795 825 300 320 340 [K] 2 27 47 67 [°C] ITC [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) 102 2 Coef. de tranf. de calor [W/m K] Flujos de calor [W] 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] Flujos de calor [W] Los Coeficientes de Transferencia de Calor Perdido (Ulat) y (Uinf) tienen un comportamiento constante con la variación de la temperatura de la placa, así como con la variación de la radiación solar, mientras que (Usup) y el Coeficiente de Transferencia de Calor Total (ULC) se mantienen constantes los el incremento de la radiación solar, pero varían linealmente con el incremento de la temperatura de la placa de absorción. De forma práctica podría decirse que los coeficientes de transferencia de calor permanecen casi constantes. Figura 45 Variación de Temperaturas Alcanzadas respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) °C K [°C] [K] 37 310 Tfs T 37fs 310 T T ff 32 305 Tv 32 T305 fe Tfe 27 300 Tv 27 300 22 295 22 295 Ta Ta 17 290 17 290 Tp 690 720 750 780 810 300 320 340 [K] 2 27 47 67 [°C] ITC [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) El comportamiento de las Temperaturas Alcanzadas es muy similar en ambas gráficas a excepción de la Temperatura del Vidrio (Tv) que varía linealmente con el incremento de la temperatura de la placa de absorción, la cual es la situación más real a suceder; pero se mantiene constante con el incremento de la radiación solar. Debemos tener en cuenta que la Temperatura Ambiente (Ta) la asumimos como constante y la Temperatura del Fluido al ingreso del colector (Tfe) la asumimos con una variación lineal ascendente. 103 Figura 46 Variación de la Eficiencia de la Placa de Absorción, Factor de Eficiencia del Colector y Factor de Remoción de Calor Respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) 0.97 0.96 F 0.95 F 0.94 F' 0.93 F' 0.92 0.91 0.9 0.89 0.88 0.87 FR F 0.86R 0.85 T 0.84p 0.83 300 320 340 [K] 690 720 750 780 810 2 27 47 67 [°C] ITC [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) La Eficiencia de la Placa de Absorción (F), el Factor de Eficiencia del Colector (F′) y el Factor de Remoción de Calor (FR) en la gráfica izquierda tienden a disminuir debido a que estas variables son influenciadas por ULC el cual varia notoriamente con incremento de la temperatura de la placa de absorción como se vio anteriormente. En cambio, estos mismos factores en la gráfica derecha tienden a mantenerse ligeramente constantes a excepción del Factor de Remoción de Calor que tiende a elevarse ligeramente con el incremento de la radiación solar debido a que también este último depende del flujo másico de agua el cual también tiende a aumentar ligeramente con la radiación solar. Figura 47 Variación de la Ganancia de Temperatura respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) 6 5.4 Tf 5.6 5.2 5.2 5 4.8 4.8 4.4 4.6 Tf 4 4.4 3.6 T 4.2p 690 720 750 780 810 300 320 340 [K] 2 27 47 67 [°C] ITC [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) 104 Tf [K] Tf [K] La Ganancia de Temperatura (∆Tf) que representa la diferencia entre la temperatura a la salida y entrada del Colector Solar en las gráficas anteriores tienen un comportamiento inverso, a pesar que en ambos casos si existe una ganancia de temperatura como se vio en anteriormente. Lo que podemos declarar con este resultado es que el incremento de temperatura es ligeramente mayor con un incremento de radiación solar que con un incremento de la temperatura de la placa de absorción. Figura 48 Variación de la Eficiencia Instantánea del Colector Solar respecto a “Tp” (izq.) y “ITC” (der.) 80 c 62 70 60 60 50 58 c 40 Tp 690 720 750 780 810 300 320 340 [K] 27 47 67 [°C] 2ITC [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) La Eficiencia Instantánea del Colector Solar (ηc) como se puede apreciar en la gráfica izquierda tiende a disminuir con el incremento de la temperatura de la placa de absorción, esto se debe a que al incrementarse esta temperatura también se incrementa el coeficiente de calor perdido (ULC) con lo que el calor útil transportado al fluido (Q̇útil) será menor. Por otro lado, se puede afirmar claramente que la Eficiencia del Colector presenta mejores valores con un incremento de la radiación solar como se observa en la gráfica derecha. 105 c [%] c [%] 3.2.3- COMPORTAMIENTO DEL ALAMBIQUE SOLAR Esta parte a tratar es la más importante que tocaremos. Se analizará la variación de diferentes parámetros involucrados y la efectividad de los materiales usados en la construcción del Alambique Solar propuesto. En base a las dimensiones para el Alambique Solar, las propiedades de los materiales de los que está fabricado y de los resultados obtenidos de la Evaluación Térmica sobre el Colector Solar se estimará el valor de la Masa de Agua Destilada por día (Mew,day), la Eficiencia Térmica Instantánea del Destilador Solar (ηs), las Temperaturas Alcanzadas y los demás parámetros. Para estimar el valor de las variables implicadas en las ecuaciones que gobiernan el comportamiento del Alambique Solar se tomó los siguientes valores del Colector Solar. Tabla 15 Valores y Resultados promedio obtenidos de la Evaluación sobre el Colector Solar Valores y resultados tomados del colector solar Descripción Símbolo Valor Unidad Referencia Área efectiva Ac 1.30 m^2 Fabricante Coef. de transferencia de calor total para el colector solar ULC 7.44 W/m^2-K Cálculo Factor de remoción de calor FR 0.86 - Cálculo Factor por perdidas ópticas y por absorción (ατ)c 0.87 - Cálculo Fuente: Propia (2022) 3.2.3.1. Sin utilizar Colector Solar Usando la herramienta “Parametric Table” del programa EES, establecemos un incremento al valor de la Temperatura inicial del Agua en la Fuente (Tw0) y mantenemos constantes y dentro del valor promedio las demás variables. Luego obtenemos los siguientes resultados. 106 Tabla 16 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura del Agua Inicial “Tw0” para Nc=0 Tw0 Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [°C] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 27 0.81 0.09 3.06 27.6 27 22.0 21.7 18.2 6.44 5.68 0.64 0.12 29 1.16 0.12 4.39 29.8 29 23.1 22.7 18.2 6.80 6.04 0.64 0.12 31 1.56 0.17 5.91 32.0 32 24.3 23.9 18.2 7.15 6.39 0.64 0.12 34 2.02 0.22 7.63 34.2 34 25.6 25.1 18.2 7.49 6.73 0.64 0.12 36 2.54 0.27 9.57 36.4 36 27.0 26.4 18.2 7.84 7.08 0.64 0.12 38 3.11 0.33 11.72 38.6 38 28.5 27.9 18.2 8.19 7.43 0.64 0.12 40 3.75 0.40 14.09 40.8 40 30.1 29.4 18.2 8.55 7.79 0.64 0.12 43 4.45 0.48 16.69 43.0 43 31.8 31.0 18.2 8.91 8.15 0.64 0.12 45 5.22 0.56 19.51 45.2 45 33.6 32.7 18.2 9.29 8.53 0.64 0.12 47 6.05 0.65 22.56 47.4 47 35.5 34.5 18.2 9.67 8.91 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) También analizamos los resultados para un rango de Radiación Solar Total recibida sobre el Alambique Solar (ITS), asumiendo una Temperatura del Agua en la Fuente (Tw0) de 40°C. Los resultados se muestran en la siguiente tabla. Tabla 17 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Radiación Solar Total “ITS” para Nc=0 ITS Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [W/m2] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 657 3.73 0.40 16.45 40.4 40.0 29.6 29.0 18.2 8.51 7.75 0.64 0.12 676 3.72 0.40 15.92 40.4 40.0 29.7 29.0 18.2 8.51 7.75 0.64 0.12 696 3.70 0.40 15.41 40.4 40.0 29.7 29.0 18.2 8.50 7.74 0.64 0.12 716 3.69 0.40 14.93 40.4 40.0 29.8 29.1 18.2 8.50 7.74 0.64 0.12 736 3.68 0.40 14.48 40.4 40.0 29.8 29.1 18.2 8.50 7.74 0.64 0.12 755 3.66 0.39 14.05 40.5 40.0 29.8 29.1 18.2 8.50 7.74 0.64 0.12 775 3.65 0.39 13.65 40.5 40.0 29.9 29.2 18.2 8.49 7.73 0.64 0.12 795 3.64 0.39 13.26 40.5 40.0 29.9 29.2 18.2 8.49 7.73 0.64 0.12 815 3.62 0.39 12.89 40.5 40.0 29.9 29.2 18.2 8.49 7.73 0.64 0.12 834 3.61 0.39 12.54 40.5 40.0 30.0 29.3 18.2 8.48 7.72 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) 107 Usamos la herramienta “Plot Window” del programa EES para interpretar los resultados obtenidos. Las siguientes gráficas muestran las tendencias de los resultados de las dos tablas anteriores. 108 Figura 49 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “TW0” (izq.) y “ITS” (der.) para Nc=0 7 3.75 6 Mew,day 5 3.7 4 3 3.65 2 Mew,day 1 0 3.6 300 305 310 315 320 [K] 27 32 37 42 47 [°C] 650 700 750 800 850 2Tw0 ITS [W/m ] 25 s 16 20 15 14 10 s 5 12 300 305 310 315 320 [K] 27 32 37 42 47 [°C] 650 700 750 800 850 Tw0 2ITS [W/m ] [°C] [K] [°C] [K] 47 320 Tb 47 320 Tb Tw 37 310 Tw 37 310 Tgi Tgi Tgo 27 300 27 300 Tgo Ta Ta 17 290 17 290 300 305 310 315 320 [K] 650 700 750 800 850 27 32 37 42 47 [°C] 2 Tw0 ITS [W/m ] 12 U ULS LS 8 8 Ut Ut 4 4 Ub Ub 0 U 0s Us 300 305 310 315 320 [K] 27 32 37 42 47 [°C] 650 700 750 800 850 2 Tw0 ITS [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) 109 2 [%] Mew,day [Kg/day]Coef. de transf. de calor [W/m K] s Mew,day [Kg/day]2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Como podemos apreciar en las gráficas de la izquierda la Masa de Agua destilada por día (Mew,day) y la Eficiencia Térmica Instantánea del Destilador Solar (ηs) tienen un comportamiento favorable con el aumento de la Temperatura del Agua en la Fuente (Tw0); en cambio esto no ocurre con el aumento de la Radiación Solar (ITS) donde estas dos variables disminuyen levemente. El comportamiento de las Temperaturas (Tgo), (Tgi) (Tw) y (Tb) y el de los Coeficientes de Transferencia de Calo (ULS), (Ut), (Ub) y (Us) con el aumento de la Temperatura inicial de Agua en la Fuente y con el aumento de la Radiación Solar es el esperado en ambos casos, por ser dependientes de la variación de estas dos variables. Ahora establecemos un incremento al valor de la Profundidad de Agua en la fuente (Xw), asumiendo una Temperatura de Agua en la Fuente (Tw0) de 30°C y manteniendo constantes y dentro de los valores promedio las demás variables. Luego obtenemos los siguientes resultados. Tabla 18 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Profundidad del Agua en la Fuente “Xw” para Nc=0 xw Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [m] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 0.005 1.324 0.142 5.021 30.5 30.2 23.6 23.2 18.2 6.95 6.19 0.64 0.12 0.012 1.300 0.140 4.932 30.5 30.1 23.5 23.2 18.2 6.93 6.17 0.64 0.12 0.019 1.294 0.139 4.91 30.5 30.1 23.5 23.1 18.2 6.93 6.17 0.64 0.12 0.027 1.292 0.139 4.899 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.93 6.17 0.64 0.12 0.034 1.290 0.139 4.893 30.6 30.0 23.5 23.1 18.2 6.92 6.16 0.64 0.12 0.041 1.289 0.139 4.889 30.6 30.0 23.5 23.1 18.2 6.92 6.16 0.64 0.12 0.048 1.288 0.139 4.887 30.6 30.0 23.5 23.1 18.2 6.92 6.16 0.64 0.12 0.056 1.288 0.139 4.885 30.6 30.0 23.5 23.1 18.2 6.92 6.16 0.64 0.12 0.063 1.287 0.138 4.883 30.6 30.0 23.5 23.1 18.2 6.92 6.16 0.64 0.12 0.070 1.287 0.138 4.882 30.6 30.0 23.5 23.1 18.2 6.92 6.16 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) 110 De manera similar incrementaremos el valor del Área de la Fuente (As), asumiendo una Temperatura de Agua (Tw0) de 30°C y manteniendo constantes y dentro de los valores promedio las demás variables. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla. Tabla 19 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función del Área del Alambique Solar “As” para Nc=0 As Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [m2] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 1.0 0.52 0.06 4.93 30.6 30.1 23.5 23.2 18.2 7.11 6.17 0.64 0.30 1.4 0.75 0.08 4.91 30.6 30.1 23.5 23.1 18.2 7.02 6.17 0.64 0.21 1.9 0.98 0.11 4.90 30.6 30.0 23.5 23.1 18.2 6.96 6.17 0.64 0.16 2.3 1.22 0.13 4.90 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.93 6.17 0.64 0.13 2.8 1.45 0.16 4.89 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.91 6.16 0.64 0.11 3.2 1.68 0.18 4.89 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.90 6.16 0.64 0.09 3.7 1.91 0.20 4.89 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.88 6.16 0.64 0.08 4.1 2.14 0.23 4.89 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.87 6.16 0.64 0.07 4.6 2.37 0.25 4.89 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.87 6.16 0.64 0.07 5.0 2.60 0.28 4.88 30.5 30.0 23.5 23.1 18.2 6.86 6.16 0.64 0.06 Fuente: Resultados EES (2022) Las siguientes gráficas muestran las tendencias de los resultados de las dos tablas anteriores. 111 Figura 50 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “Xw” (izq.) y “As” (der.) para Nc=0 1.325 2.5 Mew,day 1.315 2 1.305 1.5 1.295 1 Mew,day 1.285 0.5 0 0.02 0.04 0.06 1 2 3 4 5 2 xw [m] As [m ] 4.94 5 4.92 4.95 4.9 4.9 s s 4.88 1 2 3 4 5 0.02 0.04 0.06 2 xw [m] As [m ] [°C] [K] [°C] [K] 32 305 32 305 T Tbb T Tww 27 300 27 300 T T gigi 22 295 Tgo 22 295 Tgo Ta Ta 17 290 17 290 1 2 3 4 5 0 0.02 0.04 0.06 2 xw [m] As [m ] 8 U 8LS ULS Ut Ut 4 4 Ub Ub 0 0 Us Us 0 0.02 0.04 0.06 1 2 3 4 5 x 2w [m] As [m ] Fuente: Resultados EES (2022) 112 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Mew,day [Kg/day] 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Mew,day [Kg/day] Como podemos apreciar en las gráficas de la izquierda la Masa de Agua destilada por día (Mew,day) y la Eficiencia Térmica Instantánea del Destilador Solar (ηs) tienen un comportamiento desfavorable con el aumento de la Profundidad de Agua en la Fuente (xw); en cambio esto no ocurre con el aumento del Área Efectiva del Alambique Solar (AS) donde el incremento de esta variable aumenta la producción de agua, pero no ocurre lo mismo con la eficiencia térmica. El comportamiento de las Temperaturas (Tgo), (Tgi) (Tw) y (Tb) y el de los Coeficientes de Transferencia de Calor (ULS), (Ut), (Ub) y (Us) con el aumento de la profundidad de agua y el área efectiva del alambique solar es el esperado en ambos casos. También es importante analizar los resultados en función de la variación de la Velocidad del Viento (v) para esto asumiremos una Temperatura del Agua en la Fuente (Tw0) de 40°C. Los resultados se muestran en la siguiente tabla. Tabla 20 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Velocidad del Viento “v” para Nc=0 v Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [m/s] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 1.0 3.24 0.35 12.16 40.5 40.0 30.9 30.3 18.2 7.78 7.02 0.64 0.12 2.0 3.70 0.40 13.89 40.5 40.0 29.7 29.0 18.2 8.57 7.81 0.64 0.12 3.0 4.07 0.44 15.29 40.5 40.0 28.8 28.0 18.2 9.22 8.46 0.64 0.12 4.0 4.38 0.47 16.43 40.5 40.0 28.0 27.2 18.2 9.75 8.99 0.64 0.12 5.0 4.63 0.50 17.39 40.5 40.0 27.3 26.5 18.2 10.20 9.44 0.64 0.12 6.0 4.84 0.52 18.19 40.5 40.0 26.7 25.8 18.2 10.58 9.82 0.64 0.12 7.0 5.03 0.54 18.88 40.5 40.0 26.2 25.3 18.2 10.90 10.14 0.64 0.12 8.0 5.19 0.56 19.48 40.5 40.0 25.8 24.9 18.2 11.18 10.43 0.64 0.12 9.0 5.33 0.57 20.00 40.5 40.0 25.4 24.4 18.2 11.43 10.67 0.64 0.12 10.0 5.45 0.59 20.46 40.5 40.0 25.1 24.1 18.2 11.65 10.89 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) Por último, veremos las tendencias de las variables en función de la Temperatura Ambiente (Ta) para esto asumimos una Temperatura del Agua en la Fuente (Tw0) de 40°C. Los resultados se muestran en la siguiente tabla. 113 Tabla 21 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura Ambiente “Ta” para Nc=0 Ta Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo ULS Ut Ub Us [°C] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 5.0 5.77 0.62 21.68 40.5 40.0 24.1 23.1 8.22 7.46 0.64 0.12 8.0 5.31 0.57 19.95 40.5 40.0 25.4 24.5 8.28 7.52 0.64 0.12 11.0 4.84 0.52 18.17 40.5 40.0 26.7 25.9 8.34 7.58 0.64 0.12 14.0 4.35 0.47 16.35 40.5 40.0 28.0 27.2 8.41 7.65 0.64 0.12 17.0 3.86 0.41 14.48 40.5 40.0 29.3 28.6 8.47 7.71 0.64 0.12 20.0 3.35 0.36 12.57 40.5 40.0 30.6 30.0 8.53 7.77 0.64 0.12 23.0 2.83 0.30 10.62 40.5 40.0 31.9 31.4 8.59 7.83 0.64 0.12 26.0 2.30 0.25 8.63 40.5 40.0 33.3 32.8 8.66 7.90 0.64 0.12 29.0 1.77 0.19 6.63 40.5 40.0 34.6 34.2 8.73 7.97 0.64 0.12 32.0 1.23 0.13 4.63 40.5 40.0 36.0 35.7 8.79 8.03 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) Las siguientes gráficas muestran las tendencias de los resultados de las dos tablas anteriores. 114 Figura 51 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “v” (izq.) y “Ta” (der.) para Nc=0 6 6 5 5 Mew,day 4 Mew,day 3 4 2 1 3 280 285 290 295 300 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 [°C] v [m/s] Ta 22.5 20 17.5 18 s s 12.5 16 14 7.5 12 2.5 280 285 290 295 300 305 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 32 [°C] v [m/s] Ta [°C] [K] [°C] [K] 47 320 42 315 Tb Tb Tw T 37 w 37310 310 Tgi Tgo 32 305 27 300 Tgi T 27 300go 17 290 Ta 22 295 280 285 290 295 300 305 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 32 [°C] v [m/s] Ta U U LSLS 12 8 U U tt 8 4 4 Ub Ub 0 0 Us Us 280 285 290 295 300 305 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 32 [°C] v [m/s] Ta Fuente: Resultados EES (2022) 115 s [%]2 Coef. de transf. de calor [W/m K] Mew,day [Kg/day] s [%]2 Coef. de transf. de calor [W/m K] Mew,day [Kg/day] Como podemos apreciar en las gráficas de la izquierda la Masa de Agua destilada por día (𝑀𝑒𝑤,𝑑𝑎𝑦) y la Eficiencia Térmica Instantánea del Destilador Solar (ηs) tienen un comportamiento favorable con el aumento de la Velocidad del Viento (v); en cambio esto no ocurre con el aumento de la Temperatura Ambiente (Ta) donde estas dos variables disminuyen notoriamente. El comportamiento de las Temperaturas (Tgo), (Tgi) (Tw) y (Tb) y el de los Coeficientes de Transferencia de Calor (ULS), (Ut), (Ub) y (Us) con el incremento de estas dos variables analizadas es el esperado en ambos casos. 3.2.3.2. Utilizando Colector Solar Para este análisis consideramos el uso de 1 Colector Solar de Placa Plana (FPC) y de manera similar al análisis anterior, establecemos un incremento al valor de la Temperatura inicial del Agua en la Fuente (Tw0) y mantenemos constantes y dentro del valor promedio las demás variables. Luego obtenemos los siguientes resultados. Tabla 22 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura del Agua Inicial “Tw0” para Nc=1 Tw0 Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [°C] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 27 0.81 0.09 2.02 27.6 27.1 22.0 21.7 18.2 6.44 5.68 0.64 0.12 32 1.63 0.18 4.05 32.3 31.8 24.5 24.1 18.2 7.20 6.44 0.64 0.12 37 2.71 0.29 6.70 37.1 36.6 27.4 26.9 18.2 7.95 7.19 0.64 0.12 41 4.06 0.44 10.01 41.8 41.4 30.9 30.1 18.2 8.71 7.95 0.64 0.12 46 5.71 0.61 14.01 46.6 46.2 34.7 33.8 18.2 9.52 8.76 0.64 0.12 51 7.66 0.82 18.69 51.3 50.9 39.0 37.8 18.2 10.37 9.61 0.64 0.12 56 9.89 1.06 24.02 56.1 55.7 43.7 42.2 18.2 11.28 10.52 0.64 0.12 60 12.39 1.33 29.94 60.8 60.5 48.6 46.9 18.2 12.23 11.47 0.64 0.12 65 15.13 1.63 36.38 65.6 65.3 53.9 51.9 18.2 13.25 12.49 0.64 0.12 70 18.08 1.94 43.24 70.3 70.0 59.3 57.0 18.2 14.34 13.58 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) Analizamos la variación de los parámetros físicos utilizando 1 Colector Solar de Placa Plana (FPC) en función de la variación de la Radiación Solar Total recibida sobre el Alambique 116 Solar (ITS) y asumiendo una Temperatura de Agua en la Fuente Inicial (Tw0) de 60 °C. Los resultados para este caso se muestran en la siguiente tabla. Tabla 23 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de Radiación Solar Total “ITS” para Nc=1 ITS Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [W/m2] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 657 12.27 1.32 32.87 60.3 60.0 48.0 46.4 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 676 12.25 1.32 32.22 60.3 60.0 48.1 46.4 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 696 12.23 1.32 31.59 60.3 60.0 48.1 46.4 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 716 12.21 1.31 30.98 60.3 60.0 48.1 46.4 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 736 12.19 1.31 30.39 60.4 60.0 48.1 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 755 12.17 1.31 29.82 60.4 60.0 48.1 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 775 12.15 1.31 29.27 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 795 12.13 1.30 28.74 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 815 12.11 1.30 28.23 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 834 12.08 1.30 27.73 60.4 60.0 48.2 46.6 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) Las siguientes gráficas muestran las tendencias de los resultados de las dos tablas anteriores. 117 Figura 52 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a "Tw0" (izq.) y "ITS" (der.) para Nc=1 14 20 Mew,day 16 12 Mew,day 12 8 4 0 300 310 320 330 340 [K] 10 27 37 47 57 67 [°C] 680 720 760 800 840 2 Tw0 ITS [W/m ] 40 s 32 30 20 30 s 10 28 0 300 310 320 330 340 [K] 27 37 47 57 67 [°C] 650 690 730 770 810 850 2 Tw0 ITS [W/m ] [°C] [K] [°C] [K] T 72 345 b Tb T 57 330 Tw w 57 330 Tgi Tgi 42 315 Tgo 42 315 Tgo 27 300 27 300 Ta Ta 12 285 300 310 320 330 340 [K] 680 720 760 800 840 27 37 47 57 67 [°C] 2 Tw0 ITS [W/m ] 16 ULS ULS 12 12 Ut Ut 8 8 4 4 Ub Ub 0 U 0s Us 300 310 320 330 340 [K] 27 37 47 57 67 [°C] 650 690 730 770 810 850 T 2w0 ITS [W/m ] Fuente: Resultados EES (2022) 118 2 [%] Coef. de transf. de calor [W/m K] s Mew,day [Kg/day] 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Mew,day [Kg/day] Como podemos apreciar en las gráficas anteriores la variación de las curvas de la Masa de Agua destilada por día (Mew,day), Eficiencia Térmica (ηs), las Temperaturas Alcanzadas (Tgo), (Tgi) (Tw) y (Tb) y los Coeficientes de Transferencia de Calor (ULS), (Ut), (Ub) y (Us) respecto a la Temperatura inicial del Agua en la Fuente (Tw0) con la utilización de 1 colector solar tienden a aumentar con el incremento de la temperatura del agua en la fuente. al igual que los resultados obtenidos sin utilizar colector solar. Respecto a la Radiación Solar Total recibida sobre el Alambique Solar (ITS) estas variables tienden a disminuir levemente para el caso de (Mew,day) y (ηs); pero mantenerse constante en el caso de las temperaturas y coeficientes de transferencia de calor. Analizamos también la variación de los parámetros físicos utilizando 1 Colector Solar de Placa Plana (FPC) en función de la Profundidad del Agua en la Fuente (xw) asumiendo una Temperatura de Agua Inicial (𝑇𝑤0) de 60 °C. Los resultados para este caso se muestran en la siguiente tabla. Tabla 24 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función Profundidad del Agua en la Fuente “Xw” para Nc=1 xw Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [m] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 0.005 12.24 1.32 29.59 60.4 60.2 48.3 46.7 18.2 12.18 11.42 0.64 0.12 0.012 12.18 1.31 29.43 60.4 60.1 48.2 46.5 18.2 12.15 11.39 0.64 0.12 0.019 12.16 1.31 29.39 60.4 60.1 48.2 46.5 18.2 12.15 11.39 0.64 0.12 0.027 12.15 1.31 29.37 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 0.034 12.15 1.31 29.36 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 0.041 12.15 1.31 29.36 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 0.048 12.14 1.31 29.35 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 0.056 12.14 1.31 29.35 60.4 60.0 48.1 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 0.063 12.14 1.31 29.34 60.4 60.0 48.1 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 0.070 12.14 1.31 29.34 60.4 60.0 48.1 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) 119 Analizamos también la variación de los parámetros físicos utilizando 1 Colector Solar de Placa Plana (FPC) en función del Área Efectiva del Alambique Solar (AS) asumiendo una Temperatura de Agua Inicial (𝑇𝑤0) de 60 °C. Los resultados para este caso se muestran en la siguiente tabla. Tabla 25 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función del Área Efectiva del Alambique Solar “As” para Nc=1 As Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [m2] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 1.0 4.91 0.53 19.51 60.4 60.1 48.2 46.5 18.2 12.33 11.39 0.64 0.30 1.4 7.09 0.76 23.59 60.4 60.1 48.2 46.5 18.2 12.23 11.39 0.64 0.21 1.9 9.26 1.00 26.53 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.18 11.38 0.64 0.16 2.3 11.43 1.23 28.75 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.15 11.38 0.64 0.13 2.8 13.61 1.46 30.49 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.13 11.38 0.64 0.11 3.2 15.78 1.70 31.88 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.11 11.38 0.64 0.09 3.7 17.96 1.93 33.02 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.10 11.38 0.64 0.08 4.1 20.13 2.17 33.98 60.4 60.0 48.2 46.5 18.2 12.09 11.38 0.64 0.07 4.6 22.30 2.40 34.79 60.4 60.0 48.1 46.5 18.2 12.08 11.38 0.64 0.07 5.0 24.48 2.63 35.49 60.4 60.0 48.1 46.5 18.2 12.08 11.38 0.64 0.06 Fuente: Resultados EES (2022) Las siguientes gráficas muestran las tendencias de los resultados de las dos tablas anteriores. 120 Figura 53 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a “Xw” (izq.) y “As” (der.) para Nc=1 25 12.25 Mew,day 20 12.2 15 10 Mew,day 12.15 5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 1 2 3 4 5 2 xw [m] As [m ] 37.5 29.6 32.5 s 29.5 27.5 29.4 22.5 s 29.3 17.5 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 1 2 3 4 5 2 xw [m] As [m ] [°C] [K] [°C] [K] T Tb b 57 330 T 57 330w Tw Tgi Tgi 42 315 Tgo 42 315 Tgo 27 300 27 300 Ta Ta 12 285 12 285 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 1 2 3 4 5 2 xw [m] As [m ] 15 ULS ULS 12 Ut 10 Ut 8 5 4 Ub Ub 0 0 U Us s 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 1 2 3 4 5 2 xw [m] As [m ] Fuente: Resultados EES (2022) 121 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Mew,day [Kg/day] 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Mew,day [Kg/day] Como podemos apreciar en las gráficas anteriores la variación de las curvas de Masa de Agua destilada por día (Mew,day), Eficiencia Térmica (ηs), las Temperaturas Alcanzadas (Tgo), (Tgi) (Tw) y (Tb) y los Coeficientes de Transferencia de Calor (ULS), (Ut), (Ub) y (Us) respecto a la Profundidad del Agua en la Fuente (xw) tienen comportamientos similares a los obtenidos sin utilizar Colector Solar. Respecto al Área Efectiva del Alambique Solar (AS) estas variables tienden a aumentar para el caso de (Mew,day) y (ηs), pero mantenerse constante en el caso de las temperaturas y coeficientes de transferencia de calor. Analizamos también la variación de los parámetros físicos utilizando 1 Colector Solar de Placa Plana (FPC) en función de la Velocidad del viento (𝑣) asumiendo una Temperatura de Agua Inicial (𝑇𝑤0) de 60 °C. Los resultados para este caso se muestran en la siguiente tabla. Tabla 26 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Velocidad del Viento “v” para Nc=1 v Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [m/s] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 1.0 10.50 1.13 25.38 60.4 60.0 49.7 48.2 18.2 10.70 9.94 0.64 0.12 2.0 12.34 1.33 29.83 60.4 60.0 48.0 46.3 18.2 12.31 11.55 0.64 0.12 3.0 13.95 1.50 33.71 60.4 60.0 46.5 44.6 18.2 13.71 12.95 0.64 0.12 4.0 15.35 1.65 37.11 60.4 60.0 45.1 43.1 18.2 14.95 14.19 0.64 0.12 5.0 16.59 1.78 40.10 60.4 60.0 43.9 41.7 18.2 16.03 15.27 0.64 0.12 6.0 17.69 1.90 42.75 60.4 60.0 42.8 40.5 18.2 17.00 16.24 0.64 0.12 7.0 18.66 2.01 45.10 60.4 60.0 41.8 39.3 18.2 17.86 17.10 0.64 0.12 8.0 19.53 2.10 47.20 60.4 60.0 40.9 38.3 18.2 18.63 17.87 0.64 0.12 9.0 20.30 2.18 49.07 60.4 60.0 40.1 37.4 18.2 19.31 18.55 0.64 0.12 10.0 21.00 2.26 50.76 60.4 60.0 39.3 36.5 18.2 19.94 19.18 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) Analizamos también la variación de los parámetros físicos utilizando 1 Colector Solar de Placa Plana (FPC) en función de la Temperatura Ambiente (Ta) asumiendo una Temperatura de Agua Inicial (Tw0) de 60 °C. Los resultados para este caso se muestran en la siguiente tabla. 122 Tabla 27 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función de la Temperatura Ambiente “Ta” para Nc=1 Ta Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo ULS Ut Ub Us [°C] [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 5.0 15.61 1.68 37.72 60.4 60.0 44.9 42.8 11.78 11.02 0.64 0.12 8.0 14.84 1.60 35.87 60.4 60.0 45.6 43.6 11.86 11.10 0.64 0.12 11.0 14.07 1.51 34.00 60.4 60.0 46.4 44.5 11.94 11.18 0.64 0.12 14.0 13.28 1.43 32.09 60.4 60.0 47.1 45.3 12.03 11.27 0.64 0.12 17.0 12.48 1.34 30.15 60.4 60.0 47.9 46.2 12.11 11.35 0.64 0.12 20.0 11.66 1.25 28.18 60.4 60.0 48.6 47.0 12.19 11.43 0.64 0.12 23.0 10.83 1.17 26.19 60.4 60.0 49.4 47.9 12.28 11.52 0.64 0.12 26.0 10.00 1.08 24.16 60.4 60.0 50.1 48.7 12.37 11.61 0.64 0.12 29.0 9.14 0.98 22.10 60.4 60.0 50.9 49.6 12.46 11.70 0.64 0.12 32.0 8.28 0.89 20.02 60.4 60.0 51.7 50.5 12.56 11.80 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) Las siguientes gráficas muestran las tendencias de los resultados de las dos tablas anteriores. 123 Figura 54 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto a "v" (izq.) y “Ta” (der.) para Nc=1 16 21 Mew,day 14 18 Mew,day 12 15 10 12 8 280 285 290 295 300 305 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 32 [°C] v [m/s] Ta 50 s 35 s 30 40 25 30 20 280 285 290 295 300 305 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 32 [°C] v [m/s] Ta [°C] [K] [°C] [K] Tb 62 335 Tb 57 330 Tw Tw 57 330 T 42 315 gi Tgi 52 325 Tgo T 27 300 47 320 go Ta 42 315 12 285 280 285 290 295 300 305 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 32 [°C] v [m/s] Ta 15 ULS ULS 20 Ut Ut 10 15 10 5 5 Ub Ub 0 0 Us Us 280 285 290 295 300 305 [K] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7 12 17 22 27 32 [°C] v [m/s] Ta Fuente: Resultados EES (2022) 124 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Mew,day [Kg/day] 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] Mew,day [Kg/day] Como podemos apreciar en las gráficas anteriores la variación de las curvas de Masa de Agua destilada por día (Mew,day), Eficiencia Térmica (ηs), las Temperaturas Alcanzadas (Tgo), (Tgi) (Tw) y (Tb) y los Coeficientes de Transferencia de Calor (ULS), (Ut), (Ub) y (Us) respecto a la Velocidad del Viento (v) y respecto a la Temperatura Ambiente (Ta) al igual que los resultados obtenidos sin utilizar Colector Solar tienen las mismas tendencias. Finalmente analizaremos la variación de los parámetros físicos en función del Número de Colectores Solares utilizados (Nc) asumiendo una Temperatura de Agua inicial en la Fuente (𝑇𝑤0) de 60 °C. Los resultados para este caso se muestran en la siguiente tabla. Tabla 28 Comportamiento de las variables del Destilador Solar en función del Número de Colectores Solares utilizados “Nc” Nc Mew,day ṁew ηs Tb Tw Tgi Tgo Ta ULS Ut Ub Us [Kg/day] [Kg/h] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K][W/m2-K] 0 12.15 1.31 44.71 60.4 60 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 1 12.15 1.31 29.37 60.4 60 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 2 12.16 1.31 29.38 60.4 60 48.2 46.5 18.2 12.14 11.38 0.64 0.12 3 12.16 1.31 29.39 60.4 60 48.2 46.5 18.2 12.15 11.39 0.64 0.12 4 12.17 1.31 29.41 60.4 60 48.2 46.5 18.2 12.15 11.39 0.64 0.12 5 12.17 1.31 29.42 60.4 60 48.2 46.5 18.2 12.15 11.39 0.64 0.12 Fuente: Resultados EES (2022) Las siguientes gráficas muestran las tendencias de los resultados de la tabla anterior. 125 Figura 55 Variación de la Masa de Agua destilada por día, Eficiencia Térmica, Temperaturas Alcanzadas y Coeficientes de Transferencia de Calor respecto al Número de Colectores Solares utilizados “Nc” 12.18 45 Mew,day 12.17 40 12.16 35 12.15 s 30 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 Nc Nc 15 [°C] [K] Tb ULS 57 330 Tw 10 UtTgi 42 315 Tgo 5 27 300 Ta Ub 12 285 0 Us 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 Nc Nc Fuente: Resultados EES (2022) Como se puede apreciar en la gráfica de la Masa de Agua destilada por día (Mew,day) esta tiende incrementar ligeramente al utilizar más Colectores Solares. En cambio, esto no ocurre en la gráfica de la Eficiencia Térmica Instantánea (ηs) la cual disminuye al utilizar más de 1 Colector Solar, luego tiende a mantenerse constante. En el caso de las Temperaturas Alcanzadas (Tgo), (Tgi), (Tw) y (Tb) y los Coeficientes de Transferencia de Calor (ULS), (Ut), (Ub) y (Us) estos tienden a tener un comportamiento constante con el número de colectores utilizados. 126 Mew,day [Kg/day] 2 Coef. de transf. de calor [W/m K] s [%] CAPÍTULO IV 4. CONSTRUCCIÓN Y RESULTADOS 4.1. CONSTRUCCIÓN 4.1.1. MÉTODO DE CONSTRUCCIÓN El método de construcción del sistema propuesto está fuertemente ligado a cumplir algunos requisitos fundamentales que son: Lograr la flexibilidad de los componentes para el armado, desarmado, mantenimiento y el transporte. Y lograr una larga vida útil además de la rigidez adecuada para soportar las cargas mecánicas y térmicas a los que estará sometido este sistema. Por estas razones es que cada componente o conjunto del sistema se compone a su vez de partes o piezas independientes que pueden ser ensambladas entre sí formando un conjunto, y a su vez estas piezas pueden ser manufacturas con los procesos tradicionales (corte con esmeril, taladrado, plegado, etc.) y no requieren operaciones complejas (uso de equipos CNC, por ejemplo). Así mismo mediante este método de construcción (construcción por conjuntos y subconjuntos) se facilita la reparación y la fabricación. En la siguiente figura se muestra el diagrama de flujo con las operaciones o procesos de manufactura que seguiría la mayoría de piezas (excepto accesorios, tuberías, pernos, etc.) que forman los componentes del sistema de destilación propuesto hasta la etapa de montaje o ensamblaje. 127 Figura 56 Diagrama de flujo de la construcción de una pieza del sistema Plano de la pieza Adquisición de material ¿Es el material Requerido? NO SI Trazado & corte ¿Requiere plegado NO o rolado? SI Plegado o rolado NO ¿Requiere soldadura? SI Soldadura NO ¿Requiere Perforado? SI Perforado NO ¿Requiere recubrimiento? SI Recubrimiento Plano de montaje Fuente: Propia (2022) 4.1.2. PROCEDIMIENTO DE CONSTRUCCIÓN En la siguiente tabla se muestra el esquema del procedimiento constructivo del sistema de destilación solar propuesto que se deberá utilizar junto con los planos presentados en este proyecto. 128 Figura 57 Procedimiento de Construcción del Sistema de Destilación Solar Procedimiento de construcción del Sistema de Destilación Solar Piezas: - Estructura de soporte - Pata - Bastidor - Estructura de soporte - Bastidor de evaporador - Plataforma - Aislamiento (compra) -Tanque de reserva - Aislamiento (compra) - Tanque - Banco de tubos (compra) - Bandeja - Tapa - Placa absorbedora - Bastidor de condensador - Cubierta superior - Canaletas - Marco superior - Cubierta superior Ensambles: - Bastidor & aislamiento - Soporte - Pata & plataforma - Soporte - Banco de tubos & - Evaporador - Tanque & tapa - Tanque placa absorbedora - Condensador - Cubierta & marco superior Conexiones: Tanque de Tanque de Colector Solar Alambique Solar Control Reserva Tuberías Manguera Manguera Accesorios Fuente: Propia (2022) 4.1.2.1. Construcción del Colector Solar de Placa Plana (FPC) El colector solar de placa plana es un componente comercial y existen de diferentes marcas y capacidades. Las caractesisticas del colector utilizado son las siguientes: el bastidor es de perfiles de aluminio 60x25x0.9mm y las patas son de tubos redondos de acero ASTM A513 de Ø7/8”x1.2mm, presenta 12 tubos de cobre tipo M (Ø3/4” y Ø1/4”), aislamiento térmico de lana de vidrio de 1” de espesor, la placa absorbedora es de aluminio de 0.3 mm de espesor recubierta con pintura termoresistente color negro mate, el vidrio o cubierta es de 3 mm de espesor y el marco es de perfil angular de aluminio 12x12x1.1mm. En la siguiente figura se muestra el montaje tipico del colector solar utilizado. 129 Formación de componentes Agrupación de piezas Fabricación de piezas Planos de conjunto Planos de montaje Planos de despiece Conjuntos Grupos Piezas & Subconjuntos Figura 58 Colector Solar de Placa Plana Fuente: Propia (2022) 4.1.2.2. Construcción del Alambique Solar 4.1.2.2.1. Construcción de la Estructura de Soporte La estructura de soporte para el alambique solar, se fabrica de perfiles comerciales de acero al carbono ASTM A513. Esta parte tiene que ser lo suficientemente rígida para evitar deformaciones y resistente para soportar el peso de todo el alambique solar incluyendo el agua contenida dentro (200 kg-f aprox.) La deflexión máxima que se obtuvo en una simulación de esfuerzos realizada fue de 1.5 mm en la parte media. Figura 59 Estructura de Soporte del Alambique Solar Fuente: Propia (2022) 130 El proceso de soldadura recomendado es SMAW, se puede utilizar electrodo E6011 o E6013 de Ø3/32” de preferencia. Se debe considerar que es preferible conseguir la menor deflexión posible a fin de evitar el desnivel del agua contaminada dentro del evaporador. 4.1.2.2.2. Construcción del Evaporador 4.1.2.2.2.1. Construcción del Bastidor del Evaporador Luego de construir el soporte de todo el alambique solar se construye el bastidor del evaporador, el cual se fabrica de perfiles plegados de chapa galvanizada (espesor 1/20”) unidos entre sí por pernos hexagonales Ø5/16”x5/8”. El espesor 1/20” nos ofrece la rigidez adecuada para soportar a la bandeja incluyendo el peso del agua a destilar, además del peso del condensador (42 kg-f). La parte inferior del evaporador está cubierto de una lámina galvanizada de 0.3 mm de espesor unido al bastidor por remaches de aluminio de Ø1/8”x1/2”. Figura 60 Bastidor del Evaporador Fuente: Propia (2022) 4.1.2.2.2.2. Construcción de la Bandeja o Fuente La bandeja es la pieza que contiene el agua contaminada a destilar, esta se construye a partir de una plancha de acero inox (2.44m x 1.22m) de 1 mm de espesor. El tamaño del alambique solar está limitado por el tamaño de la bandeja, es por ello que se debe aprovechar 131 la mayor área posible que se puede conseguir de una plancha comercial sin realizar uniones adicionales (soldaduras), a mayor área de destilación mayor es la producción de agua pura (capítulo 3). A esta bandeja se le une mediante el proceso de soldadura GTAW los respectivos niples (Ø3/4”) y orejas de sujeción para el ensamble al bastidor del evaporador. Figura 61 Construcción de la Bandeja del Evaporador Fuente: Propia (2022) Por otra parte, la bandeja está sujeta al bastidor del evaporador por medio de perfiles angulares galvanizados fabricados manualmente, y soportado por la parte inferior por listones de madera. Esta forma de sujeción y soporte es suficiente para lograr sostener el peso de la bandeja y el agua contaminada (0 a 100 kg-f dependiendo de la profundidad). Figura 62 Sujeción de la Bandeja al Bastidor Fuente: Propia (2022) 132 Es importante señalar que la bandeja se debe recubrir interiormente de un color negro mate (no brillante). Para ello la recomendación técnica más adecuada es usar un imprimante epoxico como primera capa y un esmalte epóxico como segunda. Otra opción es aplicar dos capas de pintura de alta temperatura. El objetivo es conseguir un recubrimiento que no se desprenda fácilmente y que mantenga el color a pesar de la radiación, la humedad y las altas temperaturas. 4.1.2.2.2.3. Montaje del Aislamiento Térmico El aislamiento térmico usado para este proyecto es la lana de vidrio (2pulg de espesor), este material es muy comercial y presenta buenas características como son su baja conductividad térmica, baja absorción de la humedad, no es inflamable y además tiene un buen comportamiento térmico a altas temperaturas. Figura 63 Aislamiento Térmico Fuente: Propia (2022) 4.1.2.2.3. Montaje del Evaporador Sobre la estructura de soporte del alambique se muenta el bastidor del evaporador, luego el aislamiento térmico, por último, la bandeja de evaporación. La sujeción o unión de estas piezas es mediante pernos y tuercas hexagonales galvanizadas (Ø5/16”x5/8”). La siguiente figura muestra el montaje (izq.) y el evaporador terminado (der.). 133 Figura 64 Evaporador Fuente: Propia (2022) Como se puede apreciar sobre la bandeja se distinguen 3 pares de agujeros (niples inox de Ø3/4”), estos son las salidas e ingresos de agua hacia los colectores solares. 4.1.2.2.4. Construcción del Condensador 4.1.2.2.4.1. Construcción del Bastidor del Condensador El bastidor del condensador se construye de perfiles plegados de chapa galvanizada de 1/20” de espesor. La chapa galvanizada comparada con otros materiales tiene mejor resistencia mecánica, soporta mejor las temperaturas y resiste mejor la humedad y la corrosión por lo que no es necesario aplicar un recubrimiento adicional. Las uniones (ensamble) de los perfiles plegados del bastidor es por medio de pernos y tuercas hexagonales Ø5/16”x5/8” y Ø1/4”x1/2” (ver planos). 134 Figura 65 Bastidor del Condensador Fuente: Propia (2022) 4.1.2.2.4.2. Construcción de Canaletas de Recolección Las canaletas de recolección de agua destilada se ubican en la parte lateral del condensador. Estas se construyen en chapa de acero inox 304 de 1 mm de espesor. A cada una de las 4 canaletas se le suelda un niple inox de Ø1/2” en uno de los extremos (proceso GTAW). Es importante que las canaletas tengan una inclinación con respecto a la horizontal (2 grados), esto con el fin de facilitar el desplazamiento de las gotas de agua destilada. Además, esta inclinación evita que se produzca la reevaporación del agua destilada en la misma canaleta debido a la alta temperatura de operación. Figura 66 Canaletas de Recolección Fuente: Propia (2022) 135 4.1.2.2.4.3. Montaje de la Cubierta Superior La cubierta superior comprende 4 vidrios incoloros de 3 mm de espesor apoyados sobre los marcos frontales que se sujetan al bastidor junto con las canaletas por medio de pernos hexagonales zincados de Ø1/4”x1/2” (ver planos). 4.1.2.2.5. Montaje del Condensador Sobre los perfiles frontales del bastidor se muenta las canaletas de recolección y junto con estas la cubierta superior, estos componentes forman el condensador del alambique solar. Para lograr el sellado hermético y con ello evitar posibles fugas de vapor se utiliza silicona neutra la cual tiene buena adhesión, no facilita la formación de hongos, resiste los rayos ultravioletas y sobre todo no es corrosivo. Figura 67 Condensador Fuente: Propia (2022) 4.1.2.3. Montaje del Alambique Solar El diseño del alambique solar se realizó de tal manera que el condensador pueda ser separado del evaporador, esto con el fin de facilitar el mantenimiento y la puesta en marcha. La unión entre el condensador y el evaporador es por medio de pernos y tuercas galvanizadas (Ø5/16”x5/8”). También se utiliza empaque de 1/16” de espesor por todo el perímetro de esta 136 unión con el fin de conseguir impermeabilidad; también podría utilizarse silicona neutra para este fin. La siguiente figura muestra el montaje (izq.) y el conjunto (der.) del alambique solar de doble vertiente. Figura 68 Alambique Solar de Doble Vertiente Fuente: Propia (2022) 4.1.2.4. Construcción del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada El tanque de control de nivel de agua contaminada se diseña para una capacidad de agua de 40 L (lo suficiente para lograr el empuje de la boya para cerrar la válvula), y se fabrica de plancha rolada de acero inox de 1 mm de espesor. Presenta 1 entrada y 2 salidas, (uno para el alambique solar y el otro para la purga del tanque). En la entrada se ubica la válvula tipo flotador que controla el ingreso de agua contaminada al tanque. 137 Figura 69 Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada Fuente: Propia (2022) El tanque de control de nivel permite que la profundidad del agua en la bandeja del evaporador se mantenga constante y que el suministro de agua contaminada al sistema sea automático. Esta profundidad de agua en la bandeja del evaporador puede ser configurada regulando la altura de la plataforma sobre la que descansa este tanque. La estructura de soporte del tanque se construye de perfiles angulares (ASTM A36 38x38x2mm) y tubos redondos (ASTM A513 Ø1”x1mm) recubiertos con base anticorrosiva. Esta estructura es la que permite ajustar la profundidad del agua en la bandeja del evaporador. Figura 70 Estructura de Soporte del Tanque de Control de Nivel de Agua Fuente: Propia (2022) 138 4.1.2.5. Montaje del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada Sobre el soporte se muenta el tanque de control de nivel con sus respectivos accesorios para la conexión con los demás componentes del sistema tal como se muestra en la siguiente figura. Figura 71 Montaje del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada Fuente: Propia (2022) 4.1.2.6. Montaje del Tanque de Reserva de Agua Contaminada El tanque de reserva de agua contaminada es un tanque comercial y tiene una capacidad de 600 L (capacidad propuesta). A mayor capacidad del tanque de reserva menor es el tiempo de recarga de agua contaminada. El tanque debe estar a una altura adecuada para lograr la presion de agua suficiente para el sistema. Este tanque se soporta sobre una estructura (diseñada) construida a base de perfiles de acero ASTM A513 y A36 (ver plano). En la siguiente figura se muestra el motaje de este componente con sus respectivos accesorios para la conexión con los demas componentes del sistema. 139 Figura 72 Montaje del Tanque de Reserva de Agua Contaminada Fuente: Propia (2022) 4.1.2.7. Conexión de Componentes del Sistema de Destilación Solar La conexión entre el colector solar y el alambique solar es mediante tuberías para agua caliente (polipropileno) de Ø3/4”, estas tuberías se unen a través de uniones universales de Ø3/4”. La conexión entre el alambique solar y el tanque de control es mediante manguera de PVC de Ø3/4” al igual que la conexión entre el tanque de control y el tanque de reserva de agua contaminada; la razón de utilizar este material en lugar de tuberías rígidas es lograr la flexibilidad o desplazamiento del tanque de control de nivel para regular la profundidad de agua contaminada. 4.1.3. PUESTA EN MARCHA Primeramente se debe buscar la ubicación y el espacio adecuado, el lugar escogido debe reunir los siguientes requisitos: que sea un espacio amplio, seco y libre de objetos que proyecten sombras, de preferencia que tenga el suelo pavimentado donde las particulas de polvo no se levanten facilmente, que sea una área abierta al exterior, donde la radiación solar impacte constantemente y donde circule el viento libremente. Estas caracteristicas son necesarias porque 140 estan directamente ligadas a la producción final y a reducir el mantenimiento del sistema. Una vez escogido el lugar adecuado es ideal distanciar los componentes unos de otros a fin de evitar que estos proyecten sombras entre si. Comenzamos suministrando el agua contaminda del tanque de reserva al ingreso del tanque de control de nivel y de este tanque hacia el alambique solar por medio de mangueras flexibles. Figura 73 Ingreso del Agua Contaminada al Alambique Solar Fuente: Propia (2022) Seguidamente tenemos que asegurarnos que el nivel de agua a destilar sea parejo sobre toda la superfie de la bandeja del evaporador. Es decir se debe de conseguir una profundidad del agua constante en cualquier punto para que la evaporación ocurra sobre toda la superficie de la bandeja de manera uniforme. Debemos asegurarnos de evitar cualquier tipo de desnivel en el soporte del alambique solar 141 Figura 74 Verificación de la Horizontalidad del Alambique Solar Fuente: Propia (2022) Posteriormente debemos fijar la profundidad del agua contaminada en la bandeja. La manera practica de conseguir esto es desmontando el Condensador del Evaporador momentaneamente para tener una mejor vista y poder medir esta profundida libremente. Para ajustar la profundidad del agua en la bandeja debemos variar la altura del tanque de control de nivel de agua. Como ya se vio anteriormente la profundidad influye sobre la productividad del sistema. Figura 75 Ajuste de la Profundidad del Agua Contaminada en el Alambique Solar Fuente: Propia (2022) El nivel de agua (altura) en el tanque de control es el mismo que el de la bandeja del evaporador esto gracias al principio de vasos comunicantes. Si deseamos aumentar o disminuir este nivel pues simplemente tendremos que aumentar o disminuir la altura de la plataforma que 142 soporta al tanque de control de nivel de agua. El sumistro de agua contaminada se lleva de manera automatica gracias a la válvula tipo flotador contenida en el tanque de control. Figura 76 Control del suministro de Agua Contaminada Fuente: Propia (2022) Antes de montar el condensador sobre el evaporador es recomendable sellar esta union con empaque o silicona a fin de evitar fugas de vapor, asi mismo se debe sellar cualquier pequeño espacio abierto como grietas entre uniones, agujeros, etc. Finalmente se monta el condensador sobre el evaporador y se colocan las mangueras y bidones o recipientes para albergar el agua destilada. Figura 77 Destilador Solar de Doble Vertiente terminado Fuente: Propia (2022) 143 A este sistema se le añadira 1 y 2 colectores solares de placa plana conectados a los niples de la bandeja del evaporador que sobresalen por la parte inferior del alambique solar. 4.1.4. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA El funcionamiento del sistema es el siguiente: el tanque de reserva de agua contaminada alimenta constantemente al tanque de control de nivel, mediante el principio de vasos comunicantes este tanque mantiene el nivel del agua contaminada en el alambique solar con la ayuda de la válvula tipo flotador, que ademas es la encargada de suministrar el agua al sistema de forma automática. Dentro del alambique solar ocurre la evaporación y la condensación del agua de manera permanente mientras se tenga cierta cantidad de este fluido en la bandeja del evaporador. El colector solar proporciona la energía adicional para calentar el agua contaminada, esto favorece el aumento de la produccion del agua pura al reducir el tiempo de calentamiento del fluido contaminado. La salida del agua destilada se da por la parte superior del alambique solar exactamente por los extremos de las canaletas del condensador. En este sistema propuesto tenemos 4 salidas, una por cada canaleta inclinada. La inclinacion de las canaletas favorece el deslizamiento de las gotas de agua las cuales saldran rapidamente del alambique. De esta manera se evita la reevaporación del agua pura. El agua obtenida se ira almacendo continuamente en bidones o depositos apropiados ubicados en los extremos del alambique solar. 144 Figura 78 Funcionamiento del Sistema de Destilación Solar Propuesto Fuente: Propia (2022) El tanque de reserva debe estar a mayor altura que el tanque de control para facilitar el ingreso del agua contamida al sistema. Algo similar ocurre con el alambique solar que debe estar a mayor altura que el colector solar, esto para favorecer el efecto de termosifon. La conexión entre el tanque de reserva, el tanque de control y el alambique solar es por medio de mangueras ya que estas ofrecen flexibilidad la cual es necesaria al momento de configurar la altura del tanque de control de nivel. En el caso de la conexión entre el colector solar y el alambique solar esta es por medio de tuberias rigidas. Dentro del tanque de control de nivel los contaminantes de mayor densidad que el agua se iran precipitando y los de menor densidad que el agua asenderan a la superficie. Estos contaminantes pueden ser particulas de tierra, particulas orgánicas, suciedad, etc. Podemos decir que este tanque tiene una funcion adicional ya que en el ocurre un pre tratado del agua contaminada antes de evaporarse en el alambique solar lo que lo convierte en un componente importante del sistema de destilación. Tanto el tanque de control como el alambique solar presentan un punto de drenaje o salida al exterior a travez de un niple y una llave de paso. Esta salida es util para realizar el 145 vaciado del agua contaminada al momento de realizar el mantenimiento y tambien al momento de ajustar la profundidad del agua en la bandeja del evaporador. Cada componente del sistema propuesto lleva consigo los accesorios de conexión necesarios para el sistema opere de manera constante. Entre estos accesorios estan: llaves de paso, uniones universales, valvulas unidireccionales y otros. 4.2. RESULTADOS EXPERIMENTALES 4.2.1. Configuraciones Analizadas Las configuraciones analizadas y los detalles de conexiones se pueden apreciar en el Plano 2 y son las siguientes. - Destilador solar sin utilizar Colector Solar de Placa Plana (Nc=0) - Destilador solar acoplado a 1 Colector Solar de Placa Plana (Nc=1) - Destilador solar acoplado a 2 Colectores Solares de Placa Plana (Nc=2) Los resultados obtenidos (Litros de Agua Destilada Producida y Temperaturas Alcanzadas) tuvieron lugar en la Zona Rural denominada “Hijos de Colonos” ubicada en la parte Oeste del Sector Urbano “Pedregal Sur” lindante con la Sección Agrícola “D2” en el mes de Junio del año 2022 con días de cielo despejado en la mayoría de ellos. 4.2.2. RESULTADOS SIN UTILIZAR COLECTOR SOLAR (Nc=0) En la siguiente figura se muestra el Sistema de Destilación sin utilizar el Colector Solar de Placa Plana (FPC). Como se puede apreciar este sistema comprende al Tanque de Reserva de Agua Contaminada, el Tanque de Control de nivel de Agua Contaminada, el Alambique Solar de Doble Vertiente, y los Bidones o recipientes de Agua Pura. 146 Figura 79 Sistema de Destilación Solar sin utilizar Colector Solar Fuente: Propia (2022) 4.2.2.1- Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 2 cm En la siguiente tabla se presentan los valores medidos, estos comprenden Temperaturas Alcanzadas y los Volúmenes de Agua Destilada producida cada 2 horas durante el día, así como la descripción del clima en ese instante. 147 Tabla 29 Resultados sin utilizar Colector Solar (Nc=0) a una profundidad de 2 cm (Xw=2cm) FECHA HORA Tb Tb Tb Tw Tgo Tgo Tgo Ta Mew Mew Mew Mew Mew Clima (E) (O) (Promedio) (N) (S) (Promedio) (NE) (SE) (NO) (SO) (Total) (Cielo) [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [mL] [mL] [mL] [mL] [mL] 07:00 13 14 13.5 8 13 12 12.5 14 0 0 0 0 0 Despejado 09:00 20 22 21.0 25 20 20 20.0 20 20 20 20 20 80 Despejado 11:00 48 50 49.0 50 28 29 28.5 25 200 200 200 200 800 Despejado 13:00 57 59 58.0 60 30 32 31.0 28 650 650 650 650 2600 Despejado 15:00 49 49 49.0 51 28 30 29.0 24 620 620 620 620 2480 Despejado 17:00 37 36 36.5 34 19 19 19.0 17 280 280 300 300 1160 Despejado Evap. Nocturna - - - - - - - - 200 200 200 200 800 - Total 7920 07:00 12 14 13.0 8 12 12 12.0 14 0 0 0 0 0 Despejado 09:00 20 21 20.5 23 20 20 20.0 21 20 20 30 30 100 Despejado 11:00 50 50 50.0 52 30 31 30.5 23 250 250 250 250 1000 Despejado 13:00 54 55 54.5 56 29 30 29.5 25 600 600 600 600 2400 Despejado 15:00 49 49 49.0 50 28 28 28.0 22 600 600 630 630 2460 Despejado 17:00 34 34 34.0 33 18 18 18.0 17 280 280 300 300 1160 Despejado Evap. Nocturna - - - - - - - - 150 150 130 130 560 - Total 7680 07:00 11 12 11.5 7 12 12 12.0 15 0 0 0 0 0 Despejado 09:00 27 29 28.0 28 17 17 17.0 17 50 50 50 50 200 Despejado 11:00 46 48 47.0 49 25 26 25.5 21 200 200 210 210 820 Despejado 13:00 57 58 57.5 58 29 32 30.5 25 620 600 600 620 2440 Despejado 15:00 48 48 48.0 50 27 28 27.5 24 600 580 600 600 2380 Despejado 17:00 34 34 34.0 31 17 17 17.0 16 300 300 300 300 1200 Despejado Evap. Nocturna - - - - - - - - 220 220 220 220 880 - Total 7920 Promedio 7840 Nota: E=Este, O=Oeste, N=Norte, S=Sur Fuente: Propia (2022) 148 9 junio 2022 8 junio 2022 7 junio 2022 Como se observa en la tabla anterior esta configuración se llevó a cabo los días 7, 8 y 9 de junio del presente año. Los valores medidos de producción de agua destilada fueron 7920, 7680 y 7920 mL/día respectivamente. El promedio para estos 3 días es 7 840 mL/día y el clima fue de cielo despejado en todo instante. En las siguientes graficas se muestran los resultados de la tabla anterior de una forma más amigable y clara. Figura 80 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=0 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) 3000 9000 8000 2500 7000 2000 6000 5000 1500 4000 1000 3000 2000 500 1000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) Figura 81 Temperaturas Alcanzadas promedio para Nc=0 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) 70 60 50 Tb [°C] 40 Tw 30 [°C] Tgo 20 [°C] 10 Ta [°C] 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [hora del día] Fuente: Propia (2022) 4.2.2.2- Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 4 cm En la siguiente tabla se presentan los valores medidos, estos comprenden Temperaturas Alcanzadas y los Volúmenes de Agua Destilada producida cada 2 horas durante el día, así como la descripción del clima en ese instante. 149 [mL] [°C] [mL] Tabla 30 Resultados sin utilizar Colector Solar (Nc=0) a una profundidad de 4 cm (Xw=4cm) FECHA HORA Tb Tb Tb Tw Tgo Tgo Tgo Ta Mew Mew Mew Mew Mew Clima (E) (O) (Promedio) (N) (S) (Promedio) (NE) (SE) (NO) (SO) (Total) (Cielo) [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [mL] [mL] [mL] [mL] [mL] 07:00 13 13 13.0 11 11 11 11.0 11 0 0 0 0 0 Despejado 09:00 15 16 15.5 16 16 16 16.0 16 20 20 20 20 80 Seminublado 11:00 29 30 29.5 31 20 20 20.0 19 50 50 50 50 200 Despejado 13:00 43 45 44.0 45 23 24 23.5 22 250 230 230 250 960 Despejado 15:00 46 46 46.0 46 22 23 22.5 21 450 430 400 430 1710 Despejado 17:00 39 39 39.0 38 22 20 21.0 17 380 380 380 380 1520 Despejado Evap. Nocturna - - - - - - - - 400 400 400 400 1600 - Total 6070 07:00 12 12 12.0 10 11 11 11.0 9 0 0 0 0 0 Despejado 09:00 16 17 16.5 17 15 15 15.0 15 40 40 40 40 160 Despejado 11:00 43 43 43.0 41 19 19 19.0 18 100 100 100 100 400 Seminublado 13:00 47 48 47.5 48 20 21 20.5 19 300 300 310 310 1220 Despejado 15:00 45 45 45.0 44 20 22 21.0 18 450 450 450 450 1800 Seminublado 17:00 37 38 37.5 36 18 18 18.0 13 280 300 280 280 1140 Nublado Evap. Nocturna - - - - - - - - 380 380 380 380 1520 - Total 6240 07:00 12 12 12.0 11 12 11 11.5 13 0 0 0 0 0 Nublado 09:00 16 17 16.5 18 17 17 17.0 16 40 40 30 40 150 Seminublado 11:00 35 37 36.0 36 21 21 21.0 20 100 100 100 100 400 Despejado 13:00 45 47 46.0 47 24 25 24.5 23 300 300 300 300 1200 Despejado 15:00 47 46 46.5 48 25 25 25.0 21 430 430 430 430 1720 Despejado 17:00 38 39 38.5 37 22 21 21.5 15 300 300 300 300 1200 Despejado Evap. Nocturna - - - - - - - - 380 380 380 380 1520 - Total 6190 Promedio 6167 Nota: E=Este, O=Oeste, N=Norte, S=Sur Fuente: Propia (2022) 150 12 junio 2022 11 junio 2022 10 junio 2022 Como se observa en la tabla anterior esta configuración se llevó a cabo los días 10, 11 y 12 de junio del presente año. Los valores medidos de producción de agua destilada fueron 6 070, 6 240 y 6 190 mL/día respectivamente. El promedio para estos 3 días es 6 167 mL/día. El clima fue de cielo despejado en mayor parte, cielo seminublado en algunas horas y nublado en otras. En las siguientes graficas se muestran los resultados de la tabla anterior de una forma más amigable y clara. Figura 82 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=0 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) 2000 7000 1800 6000 1600 1400 5000 1200 4000 1000 3000 800 600 2000 400 1000 200 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) Figura 83 Temperaturas Alcanzadas promedio para Nc=0 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) 50 45 40 35 Tb 30 [°C] 25 Tw [°C] 20 Tgo 15 [°C] 10 Ta 5 [°C] 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [hora del día] Fuente: Propia (2022) 151 [mL] [°C] [mL] 4.2.3. RESULTADOS UTILIZANDO 1 COLECTOR SOLAR (Nc=1) En la siguiente figura se muestra el Sistema de Destilación utilizando 1 Colector Solar de Placa Plana (FPC). Como se puede apreciar este sistema comprende al Tanque de Reserva de Agua Contaminada, el Tanque de Control de nivel de Agua Contaminada, el Alambique Solar de Doble Vertiente, los Bidones o recipientes de Agua Pura y a 1 Colector Solar. Figura 84 Sistema de Destilación Solar utilizando 1 Colector Solar Fuente: Propia (2022) 4.2.3.1. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 2 cm En la siguiente tabla se presentan los valores medidos durante el día, para 3 días seguidos. Estos valores tomados comprenden a las Temperaturas Alcanzadas sobre el Alambique Solar, a las Temperaturas Alcanzadas sobre el Colector Solar y los Volúmenes de Agua Destilada Producida cada 2 horas durante el día, así como la descripción del clima en ese instante. 152 Tabla 31 Resultados utilizando 1 Colector Solar (Nc=1) a una profundidad de 2 cm (Xw=2cm) FECHA HORA Tb Tb Tb Tw Tgo Tgo Tgo Ta Mew Mew Mew Mew Mew Tfe Tfs Tp Tv Clima (E) (O) (Promedio) [°C] (N) (S) (Promedio) (NE) (SE) (NO) (SO) (Total) [°C] [°C] [°C] [°C] (Cielo) [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [mL] [mL] [mL] [mL] [mL] 07:00 10 11 10.5 6 8 9 8.5 13 0 0 0 0 0 6 8 11 8 Despejado 09:00 18 21 19.5 20 16 16 16.0 20 50 50 50 50 200 22 46 57 25 Despejado 11:00 50 52 51.0 50 27 28 27.5 23 200 200 200 200 800 45 67 84 32 Despejado 13:00 55 56 55.5 58 29 32 30.5 25 650 600 620 650 2520 51 67 80 30 Despejado 15:00 50 50 50.0 51 30 31 30.5 21 700 700 700 700 2800 44 58 62 26 Despejado 17:00 36 36 36.0 36 20 20 20.0 14 400 400 400 400 1600 18 23 13 16 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 250 250 250 250 1000 - - - - - Total 8920 07:00 10 11 10.5 7 10 9 9.5 12 0 0 0 0 0 7 9 12 9 Despejado 09:00 22 24 23.0 24 15 16 15.5 17 50 50 50 50 200 23 48 60 19 Despejado 11:00 49 50 49.5 52 25 27 26.0 21 270 250 250 270 1040 47 68 82 29 Despejado 13:00 58 58 58.0 59 29 31 30.0 22 700 680 680 680 2740 53 70 79 29 Despejado 15:00 48 48 48.0 50 29 30 29.5 20 650 650 650 650 2600 45 59 58 25 Despejado 17:00 34 33 33.5 33 19 19 19.0 16 350 350 350 350 1400 18 24 15 15 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 250 250 250 250 1000 - - - - - Total 8980 07:00 9 11 10.0 7 9 8 8.5 11 0 0 0 0 0 8 10 11 8 Despejado 09:00 20 22 21.0 22 15 17 16.0 16 50 50 50 50 200 24 44 56 26 Despejado 11:00 47 49 48.0 52 28 30 29.0 25 280 280 280 280 1120 48 69 80 34 Despejado 13:00 57 57 57.0 60 31 35 33.0 26 600 600 600 600 2400 55 70 80 32 Despejado 15:00 50 49 49.5 52 32 31 31.5 25 730 730 730 730 2920 47 60 61 29 Despejado 17:00 34 33 33.5 32 22 22 22.0 16 380 380 380 400 1540 20 26 15 14 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 250 250 250 250 1000 - - - - - Total 9180 Promedio 9027 Nota : E=Este, O=Oeste, N=Norte, S=Sur Fuente: Propia (2022) 153 16 junio 2022 15 junio 2022 14 junio 2022 Como se observa en la tabla anterior esta configuración se llevó a cabo los días 14, 15 y 16 de junio del presente año. Los valores medidos de producción de agua destilada fueron 8 920, 8 980 y 9 180 mL/día respectivamente. El promedio para estos 3 días es 9 027 mL/día. El clima fue de cielo despejado en todo instante. Las siguientes graficas muestran los valores de la tabla anterior de forma más entendible. Figura 85 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=1 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) 3000 10000 9000 2500 8000 2000 7000 6000 1500 5000 4000 1000 3000 500 2000 1000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) Figura 86 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar (izq.) y Colector Solar (der.) para Nc=1 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) Alambique Solar Colector Solar 70 90 60 80 70 50 Tb Tfe [°C] 60 [°C] 40 Tw 50 Tfs 30 [°C] 40 [°C] 20 Tgo 30 Tp [°C] 20 [°C] 10 Ta 10 Tv 0 [°C] 0 [°C] 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) 154 [°C] [mL] [mL] [°C] 4.2.3.2. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 4 cm En la siguiente tabla se presentan los valores medidos durante el día, para 3 días seguidos. Estos valores tomados comprenden a las Temperaturas Alcanzadas sobre el Alambique Solar, a las Temperaturas Alcanzadas sobre el Colector Solar y los Volúmenes de Agua Destilada Producida cada 2 horas durante el día, así como la descripción del clima en ese instante. 155 Tabla 32 Resultados utilizando 1 Colector Solar (Nc=1) a una profundidad de 4 cm (Xw=4cm) FECHA HORA Tb Tb Tb Tw Tgo Tgo Tgo Ta Mew Mew Mew Mew Mew Tfe Tfs Tp Tv Clima (E) (O) (Promedio) [°C] (N) (S) (Promedio) (NE) (SE) (NO) (SO) (Total) [°C] [°C] [°C] [°C] (Cielo) [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [mL] [mL] [mL] [mL] [mL] 07:00 11 12 11.5 9 11 12 11.5 14 0 0 0 0 0 8 10 13 11 Despejado 09:00 17 18 17.5 20 17 18 17.5 20 40 40 40 40 160 22 44 56 25 Despejado 11:00 41 43 42.0 42 24 25 24.5 24 130 130 130 130 520 38 64 80 32 Despejado 13:00 60 60 60.0 58 29 31 30.0 27 520 500 500 520 2040 48 65 82 32 Despejado 15:00 52 52 52.0 52 28 29 28.5 24 600 580 580 600 2360 42 56 58 24 Despejado 17:00 39 39 39.0 38 20 20 20.0 14 380 380 380 380 1520 16 20 14 14 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 430 430 430 430 1720 - - - - - Total 8320 07:00 12 12 12.0 10 11 11 11.0 11 0 0 0 0 0 10 11 14 10 Despejado 09:00 16 18 17.0 19 17 19 18.0 18 40 40 40 40 160 22 43 56 25 Despejado 11:00 38 39 38.5 40 22 22 22.0 21 130 130 130 130 520 37 60 75 27 Despejado 13:00 52 53 52.5 53 28 28 28.0 23 450 450 450 450 1800 48 65 77 28 Despejado 15:00 50 50 50.0 51 28 29 28.5 23 630 600 600 600 2430 44 57 60 27 Despejado 17:00 39 39 39.0 39 20 21 20.5 15 400 400 400 400 1600 16 21 14 13 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 450 450 450 450 1800 - - - - - Total 8310 07:00 12 13 12.5 9 12 13 12.5 13 0 0 0 0 0 8 10 13 11 Despejado 09:00 26 27 26.5 23 19 20 19.5 22 40 40 40 40 160 22 44 65 24 Despejado 11:00 43 43 43.0 42 25 25 25.0 24 150 150 150 150 600 40 60 77 28 Despejado 13:00 60 61 60.5 58 28 29 28.5 26 500 500 500 500 2000 50 68 85 30 Despejado 15:00 51 50 50.5 51 28 28 28.0 21 620 620 620 620 2480 46 58 57 26 Despejado 17:00 39 39 39.0 40 20 20 20.0 14 400 400 400 400 1600 17 20 14 14 Despejado Evap. Noct - - - - - - - - 450 450 450 450 1800 - - - - - Total 8640 Promedio 8423 Nota : E=Este, O=Oeste, N=Norte, S=Sur Fuente: Propia (2022) 156 19 junio 2022 18 junio 2022 17 junio 2022 Como se observa en la tabla anterior esta configuración se llevó a cabo los días 17, 18 y 19 de junio del presente año. Los valores medidos de producción de agua destilada fueron 8 320, 8 310 y 8 640 mL/día respectivamente. El promedio para estos 3 días es 8 423 mL/día. El clima fue de cielo despejado en todo instante. Las siguientes graficas muestran los valores de la tabla anterior de forma más entendible. Figura 87 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=1 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) 3000 9000 8000 2500 7000 2000 6000 5000 1500 4000 1000 3000 2000 500 1000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna [Hora del día] [hora del dïa] Fuente: Propia (2022) Figura 88 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar (izq.) y Colector Solar (der.) para Nc=1 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) Alambique Solar Colector Solar 70 90 60 80 Tb 7050 Tfe [°C] 60 [°C] 40 Tw 50 Tfs 30 [°C] 40 [°C] 20 Tgo 30 Tp [°C] 20 [°C] 10 Ta 10 Tv 0 [°C] 0 [°C] 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) 157 [°C] [mL] [°C] [mL] 4.2.4. RESULTADOS UTILIZANDO 2 COLECTORES SOLARES (Nc=2) En la siguiente figura se muestra el Sistema de Destilación utilizando 2 Colectores Solares de Placa Plana (FPC). Como se puede apreciar este sistema comprende al Tanque de Reserva de Agua Contaminada, el Tanque de Control de nivel de Agua Contaminada, el Alambique Solar de Doble Vertiente, los Bidones o recipientes de Agua Pura y a 2 Colectores Solares. Figura 89 Sistema de Destilación Solar utilizando 2 Colectores Solares Fuente: Propia (2022) 4.2.4.1. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 2 cm En la siguiente tabla se presentan los valores medidos durante el día, para 3 días seguidos. Estos valores tomados comprenden a las Temperaturas Alcanzadas sobre el Alambique Solar, a las Temperaturas Alcanzadas sobre los Colectores Solares y los Volúmenes de Agua Destilada Producida cada 2 horas durante el día, así como la descripción del clima en ese instante. 158 Tabla 33 Resultados utilizando 2 Colectores Solares (Nc=2) a una profundidad de 2 cm (Xw=2cm) FECHA HORA Tb Tb Tb Tw Tgo Tgo Tgo Ta Mew Mew Mew Mew Mew FPC 1 FPC 2 Clima (E) (O) (Promedio) (N) (S) (Promedio) (NE) (SE) (NO) (SO) (Total) (E) (O) (cielo) [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [mL] [mL] [mL] [mL] [mL] Tfe Tfs Tp Tv Tfe Tfs Tp Tv [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] 07:00 10 10 10.0 9 11 10 10.5 12 0 0 0 0 0 10 12 14 10 11 12 15 10 Despejado 09:00 22 24 23.0 24 16 17 16.5 15 50 50 50 50 200 23 44 56 24 29 50 57 21 Despejado 11:00 57 57 57.0 56 27 28 27.5 21 350 350 350 350 1400 45 67 78 29 52 76 82 28 Despejado 13:00 63 63 63.0 65 33 34 33.5 25 750 750 750 750 3000 53 71 84 29 55 75 85 28 Despejado 15:00 55 54 54.5 55 31 31 31.0 24 750 750 750 760 3010 46 64 62 28 44 65 63 27 Despejado 17:00 38 38 38.0 38 20 20 20.0 16 400 400 400 400 1600 21 25 18 15 19 23 18 14 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 250 250 250 250 1000 - - - - - - - - - Total 10210 07:00 10 12 11.0 7 10 10 10.0 15 0 0 0 0 0 9 10 13 9 9 15 16 9 Despejado 09:00 28 30 29.0 30 18 18 18.0 17 80 80 80 80 320 28 50 60 24 33 55 62 22 Despejado 11:00 52 55 53.5 55 27 29 28.0 21 370 370 370 370 1480 48 69 77 27 53 70 79 24 Despejado 13:00 62 64 63.0 64 31 32 31.5 22 860 860 860 860 3440 53 75 79 28 55 76 81 26 Despejado 15:00 54 52 53.0 52 27 28 27.5 22 700 700 700 700 2800 41 65 66 28 45 68 68 25 Despejado 17:00 36 35 35.5 35 21 22 21.5 16 300 300 300 300 1200 19 24 17 14 18 22 18 13 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 280 280 280 280 1120 - - - - - - - - - Total 10360 07:00 11 12 11.5 8 10 10 10.0 13 0 0 0 0 0 11 12 14 10 11 13 15 11 Despejado 09:00 28 30 29.0 28 15 16 15.5 16 60 60 60 60 240 25 45 61 21 30 54 63 20 Despejado 11:00 52 54 53.0 54 25 26 25.5 20 360 360 360 360 1440 47 68 82 29 53 72 85 27 Despejado 13:00 62 63 62.5 62 29 30 29.5 22 830 830 830 830 3320 51 71 80 28 53 74 83 28 Despejado 15:00 51 51 51.0 51 29 29 29.0 22 700 680 700 700 2780 43 58 60 26 42 62 63 25 Despejado 17:00 35 35 35.0 34 20 20 20.0 16 300 300 300 300 1200 19 24 20 16 17 22 20 15 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 270 270 270 270 1080 - - - - - - - - - Total 10060 Promedio 10210 Nota: E=Este, O=Oeste, N=Norte, S=Sur Fuente: Propia (2022) 159 23 junio 2022 22 junio 2022 21 junio 2022 Como se observa en la tabla anterior esta configuración se llevó a cabo los días 21, 22 y 23 de junio del presente año. Los valores medidos de producción de agua destilada fueron 10 210, 10 360 y 10 060mL/día respectivamente. El promedio para estos 3 días es 10 210 mL/día. El clima fue de cielo despejado en todo instante. Las siguientes gráficas muestran los resultados anteriores de una manera más apreciable. Figura 90 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=2 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) 3500 12000 3000 10000 2500 8000 2000 6000 1500 4000 1000 500 2000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) Figura 91 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar para Nc=2 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) Alambique Solar 70 60 50 Tb [°C] 40 Tw 30 [°C] 20 Tgo [°C] 10 Ta 0 [°C] 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [Hora del día] Fuente: Propia (2022) 160 [mL] [°C] [mL] Figura 92 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Colector Solar 1 (izq.) y Colector Solar 2 (der.) para Nc=2 y Xw=2cm (Mw=49 Kg) Colector Solar 1 Colector Solar 2 90 90 80 80 70 Tfe 70 Tfe 60 [°C] 60 [°C] 50 Tfs 50 Tfs 40 [°C] 40 [°C] 30 Tp 30 Tp 20 [°C] 20 [°C] 10 Tv 10 Tv 0 [°C] 0 [°C] 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) 4.2.4.2. Resultados a una profundidad de Agua Contaminada de 4 cm En la siguiente tabla se presentan los valores medidos durante el día, para 3 días seguidos. Estos valores tomados comprenden a las Temperaturas Alcanzadas sobre el Alambique Solar, a las Temperaturas Alcanzadas sobre los Colectores Solares y los Volúmenes de Agua Destilada Producida cada 2 horas durante el día, así como la descripción del clima en ese instante. 161 [°C] [°C] Tabla 34 Resultados utilizando 2 Colectores Solares (Nc=2) a una profundidad de 4 cm (Xw=4cm) FECHA HORA Tb Tb Tb Tw Tgo Tgo Tgo Ta Mew Mew Mew Mew Mew FPC 1 FPC 2 Clima (E) (O) (Promedio) (N) (S) (Promedio) (NE) (SE) (NO) (SO) (Total) (E) (O) (cielo) [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [mL] [mL] [mL] [mL] [mL] Tfe Tfs Tp Tv Tfe Tfs Tp Tv [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] 07:00 14 14 14.0 12 13 13 13.0 14 0 0 0 0 0 12 14 15 13 13 15 16 13 Despejado 09:00 20 19 19.5 21 16 18 17.0 19 40 40 40 40 160 24 42 56 23 26 50 58 21 Despejado 11:00 45 47 46.0 47 25 24 24.5 21 200 200 220 220 840 45 65 75 30 46 69 77 26 Despejado 13:00 60 62 61.0 61 28 30 29.0 23 600 600 620 620 2440 51 67 84 29 53 70 85 27 Despejado 15:00 54 54 54.0 54 30 31 30.5 23 700 690 690 690 2770 43 60 59 24 40 58 60 24 Seminublado 17:00 42 43 42.5 41 23 24 23.5 16 450 450 450 450 1800 20 22 20 16 18 20 18 16 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 500 500 500 500 2000 - - - - - - - - - Total 10010 07:00 14 15 14.5 11 13 13 13.0 16 0 0 0 0 0 10 13 16 15 10 13 17 15 Despejado 09:00 19 19 19.0 20 18 18 18.0 17 60 60 60 60 240 23 45 56 24 25 50 58 21 Despejado 11:00 40 42 41.0 42 24 24 24.0 21 180 180 180 180 720 40 59 68 29 43 63 72 27 Seminublado 13:00 51 52 51.5 52 28 28 28.0 22 520 520 520 520 2080 46 65 76 26 47 69 78 25 Seminublado 15:00 52 53 52.5 52 28 27 27.5 23 600 600 600 600 2400 42 57 60 24 39 56 60 23 Seminublado 17:00 41 41 41.0 38 20 21 20.5 15 400 400 400 400 1600 17 20 16 13 15 18 17 12 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 450 450 450 450 1800 - - - - - - - - - Total 8840 07:00 15 17 16.0 11 9 10 9.5 13 0 0 0 0 0 9 11 16 9 9 11 18 9 Despejado 09:00 23 23 23.0 22 15 15 15.0 20 80 80 80 80 320 23 44 56 24 25 54 59 21 Despejado 11:00 45 45 45.0 47 24 25 24.5 21 230 220 220 220 890 43 65 74 29 45 68 77 27 Despejado 13:00 60 60 60.0 61 29 30 29.5 23 600 600 620 620 2440 51 68 78 29 52 70 81 28 Despejado 15:00 54 53 53.5 54 28 29 28.5 23 650 650 660 660 2620 44 60 58 24 40 58 60 24 Despejado 17:00 41 42 41.5 42 20 20 20.0 16 480 480 480 480 1920 19 20 16 14 16 19 18 13 Despejado Evap. Noct. - - - - - - - - 500 500 500 500 2000 - - - - - - - - - Total 10190 Promedio 9680 Nota: E=Este, O=Oeste, N=Norte, S=Sur Fuente: Propia (2022) 162 26 junio 2022 25 junio 2022 24 junio 2022 Como se observa en la tabla anterior esta configuración se llevó a cabo los días 24, 25 y 26 de junio del presente año. Los valores medidos de producción de agua destilada fueron 10 010, 8 840 y 10 190 mL/día respectivamente. El promedio para estos 3 días es 9680 mL/día. El clima fue de cielo despejado en mayor parte del día y cielo seminublado en algunas horas. Las siguientes gráficas muestran los resultados anteriores de una manera más apreciable. Figura 93 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=2 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) 3000 12000 2500 10000 2000 8000 1500 6000 1000 4000 500 2000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) Figura 94 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Alambique Solar para Nc=2 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) Alambique Solar 70 60 50 Tb [°C] 40 Tw 30 [°C] 20 Tgo [°C] 10 Ta 0 [°C] 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [Hora del día] Fuente: Propia (2022) 163 [mL] [°C] [mL] Figura 95 Temperaturas Alcanzadas promedio sobre el Colector Solar 1 (izq.) y Colector Solar 2 (der.) para Nc=2 y Xw=4cm (Mw=98 Kg) Colector Solar 1 Colector Solar 2 90 90 80 80 70 70 Tfe Tfe 60 [°C] 60 [°C] 50 50 Tfs Tfs 40 [°C] 40 [°C] 30 Tp 30 Tp 20 [°C] 20 [°C] 10 Tv 10 Tv 0 [°C] 0 [°C] 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 [hora del día] [hora del día] Fuente: Propia (2022) 4.2.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS Como pudimos apreciar en las Tablas 10 y 11 la Radiación Solar recibida sobre la superficie del Colector Solar (𝐼𝑇𝐶) y sobre el Alambique Solar (𝐼𝑇𝑆) en el Mes de Junio (Mes donde se realizó las mediciones) es la menor de todos los meses. Por lo que la Producción de Agua Destilada para este mes sería la menor de todas. Aunque a favor del mes de Junio podemos afirmar que la mayoría de días fueron días de cielo despejado o con poca presencia de nubes, situaciones que favorece la producción de agua destilada. Según los datos teóricos mostrados anteriormente la producción de agua destilada debería de aumentar progresivamente hasta alcanzar su valor mayor en el mes de Febrero para la estación de verano. 4.2.5.1. Producción de Agua Destilada En la siguiente gráfica se aprecia la Producción de Agua Destilada para el sistema de destilación sin Colector Solar a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. 164 [°C] [°C] Figura 96 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=0, Xw=2cm y Xw=4cm 3000 9000 8000 2500 7000 2000 6000 5000 1500 4000 1000 3000 2000 500 1000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna Mew Mew Mew Mew (Total) (Total) (Total) (Total) Nc=0, Xw=2cm Nc=0, Xw=4cm Nc=0, Xw=2cm Nc=0, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se puede apreciar en la gráfica anterior la Producción de Agua Destilada a una profundidad de 4 cm es menor en comparación a una de 2cm. A una profundidad de 2 cm se obtuvo 7 840 mL/día como promedio, pero a 4cm se obtuvo 6 167 mL/día por lo que la producción se redujo 21.34%. Algo interesante de destacar es que la producción de agua destilada durante la noche (Evaporación nocturna) es mayor a una profundidad de 4 cm que a una de 2 cm. Este fenómeno se debe a la propiedad que tiene el agua de retener el calor, a mayor masa de agua mayor será la cantidad de calor retenido. Esto favorece a la destilación del agua contaminada durante horas de la noche. En la siguiente gráfica se aprecia la Producción de Agua Destilada para el sistema de destilación con 1 Colector Solar a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. 165 [mL] [mL] Figura 97 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=1, Xw=2cm y Xw=4cm 3000 10000 9000 2500 8000 7000 2000 6000 1500 5000 4000 1000 3000 2000 500 1000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna Mew Mew Mew Mew (Total) (Total) (Total) (Total) Nc=1, Xw=2cm Nc=1, Xw=4cm Nc=1, Xw=2cm Nc=1, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se puede apreciar en la gráfica anterior la Producción de Agua Destilada para una profundidad de 4 cm es menor en comparación a una de 2 cm. A una profundidad de 2 cm se obtuvo 9 027 mL/día como promedio, pero a 4 cm se obtuvo 8 423 mL/día por lo que la producción se redujo 6.69%. De igual forma se aprecia que la producción de agua destilada durante la noche es mayor a una profundidad de 4 cm que a una de 2 cm. En la siguiente gráfica se aprecia la Producción de Agua Destilada para el sistema de destilación con 2 Colectores Solares a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. 166 [mL] [mL] Figura 98 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Nc=2, Xw=2cm y Xw=4cm 3500 12000 3000 10000 2500 8000 2000 6000 1500 4000 1000 2000 500 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna Mew Mew Mew Mew (Total) (Total) (Total) (Total) Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=4cm Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se puede apreciar en la gráfica anterior la Producción de Agua Destilada para una profundidad de 4 cm es menor en comparación a una de 2 cm. A una profundidad de 2 cm se obtuvo 10 210 mL/día como promedio, pero a 4 cm se obtuvo 9 680 mL/día por lo que la producción se redujo 5.19%. De igual forma se aprecia que la producción de agua destilada durante la noche es mayor a una profundidad de 4 cm que a una de 2 cm. De los 3 Sistemas Analizados se observa que el sistema con mayor reducción de Producción de Agua Destilada al aumentar la profundidad de agua contaminada de 2 cm a 4 cm es el sistema sin colector solar con una reducción de 21.34%, luego se sigue el sistema con 1 solo colector con 6.69% y por último 5.19% para el sistema con 2 colectores solares. Se podría deducir que si hubiésemos aumentado un colector solar adicional (Nc=3) esta reducción sería aún menor. En la siguiente gráfica se aprecia la Producción de Agua Destilada a una Profundidad de Agua Contaminada de 2 cm para los 3 sistemas de destilación analizados. 167 [mL] [mL] Figura 99 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Xw=2cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 3500 12000 3000 10000 2500 8000 2000 6000 1500 4000 1000 500 2000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna Mew Mew Mew Mew Mew Mew (Total) (Total) (Total) (Total) (Total) (Total) Nc=0, Xw=2cm Nc=1, Xw=2cm Nc=2, Xw=2cm Nc=0, Xw=2cm Nc=1, Xw=2cm Nc=2, Xw=2cm Fuente: Propia (2022) De la gráfica anterior resalta claramente que el uso de 1 Colector Solar mejora la producción de agua destilada con respecto al Sistema de Destilación sin utilizar colector alguno. Numéricamente se obtuvo 7840 mL/día sin colector y 9027mL/día con 1 colector por lo que la producción aumento 15.14%. Con el uso de 2 colectores se obtuvo una producción de agua destilada de 10210mL/día por lo que la producción aumento 30.23% respecto al sistema de destilación sin utilizar colector alguno y 13.11% respecto al sistema de destilación usando 1 solo colector solar. En la siguiente gráfica se aprecia la Producción de Agua Destilada a una Profundidad de Agua Contaminada de 4 cm para los 3 sistemas de destilación analizados. 168 [mL] [mL] Figura 100 Producción de Agua Destilada promedio por lotes (izq.) y acumulada (der.) para Xw=4cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 3000 12000 2500 10000 2000 8000 1500 6000 1000 4000 500 2000 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Evap. Nocturna Nocturna Mew Mew Mew Mew Mew Mew (Total) (Total) (Total) (Total) (Total) (Total) Nc=0, Xw=4cm Nc=1, Xw=4cm Nc=2, Xw=4cm Nc=0, Xw=4cm Nc=1, Xw=4cm Nc=2, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) De la gráfica anterior resalta claramente que el uso de 1 colector solar mejora la producción de agua destilada con respecto al Sistema de Destilación sin utilizar colector alguno. Numéricamente se obtuvo 6 167 mL/día sin colector y 8 423mL/día con 1 colector por lo que la producción aumento 36.58% Con el uso de 2 colectores se obtuvo una producción de agua destilada de 9 680mL/día por lo que la producción aumento 56.96% respecto al sistema de destilación sin utilizar colector alguno y 14.92% respecto al sistema de destilación usando 1 solo colector solar. De las 2 últimas graficas analizadas se puede notar que el mayor aumento de la Producción de Agua Destilada en porcentajes ocurre para una profundidad del agua contaminada de 4 cm (36.58% de Nc= 0 a Nc=1; 56.96% de Nc=0 a Nc=2 y 14.92% de Nc=1 a Nc=2) que una de 2 cm (15.14% de Nc= 0 a Nc=1; 30.23% de Nc=0 a Nc=2 y 13.11% de Nc=1 a Nc=2). 169 [mL] [mL] 4.2.5.2. Temperaturas Alcanzadas 4.2.5.2.1. Sobre el Alambique Solar En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura del Agua en la Fuente del Alambique Solar (Tw) para el sistema de destilación sin Colector Solar a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. Figura 101 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Nc=0, Xw=2cm y Xw=4cm Tw 70 60 50 40 30 20 10 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tw Tw Nc=0, Xw=2cm Nc=0, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se observa en la gráfica anterior la curva de Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) disminuye a una profundidad de agua de 4cm respecto a una de 2 cm. Es interesante señalar que a horas finales del día la temperatura Tw tiende a disminuir en menor intensidad a una profundidad de 4 cm que a una de 2 cm. Este fenómeno favorece a la Evaporación Nocturna. Por cómo se vio en gráficas anteriores la Evaporación Nocturna a 4cm de profundidad de agua es mayor. En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura del Agua en la Fuente del Alambique Solar (Tw) para el sistema de destilación utilizando 1 Colector Solar a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. 170 [°C] Figura 102 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Nc=1, Xw=2cm y Xw=4cm Tw 70 60 50 40 30 20 10 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tw Tw Nc=1, Xw=2cm Nc=1, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se observa en la gráfica anterior la curva de Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) disminuye a una profundidad de agua de 4cm respecto a una de 2 cm utilizando 1 Colector Solar, pero en menor grado que un sistema de destilación sin colector solar. También se observa que Tw a horas finales del día es mayor para 4 cm de profundidad que para 2 cm. En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura del Agua en la Fuente del Alambique Solar (Tw) para el sistema de destilación utilizando 2 Colectores Solares a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. Figura 103 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Nc=2, Xw=2cm y Xw=4cm Tw 70 60 50 40 30 20 10 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tw Tw Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se observa en la gráfica anterior la curva de Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) disminuye a una profundidad de agua de 4cm respecto a una de 2 cm utilizando 2 171 [°C] [°C] Colectores Solares, pero en menor grado que un sistema de destilación sin colector solar y semejante al sistema de destilación con 1 solo colector solar. También se observa que Tw a horas finales del día es mayor para 4 cm de profundidad que para 2 cm. Este fenómeno observado ocurre para los 3 sistemas de destilación solar analizados. En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura del Agua en la Fuente del Alambique Solar (Tw) a una Profundidad de Agua Contaminada de 2 cm para los 3 sistemas de destilación analizados. Figura 104 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Xw=2cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 Tw 70 60 50 40 30 20 10 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tw Tw Tw Nc=0, Xw=2cm Nc=1, Xw=2cm Nc=2, Xw=2cm Fuente: Propia (2022) De la gráfica anterior se aprecia que la curva de Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) tiene un comportamiento similar para los 3 sistemas de destilación analizados y que Tw para el sistema con 2 Colectores Solares presenta los valores mayores alcanzados. En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura del Agua en la Fuente del Alambique Solar (Tw) a una Profundidad de Agua Contaminada de 4 cm para los 3 sistemas de destilación analizados. 172 [°C] Figura 105 Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) promedio para Xw=4cm, Nc=0, Nc=1 y Nc=2 Tw 70 60 50 40 30 20 10 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tw Tw Tw Nc=0, Xw=4cm Nc=1, Xw=4cm Nc=2, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) De la gráfica anterior se aprecia que la curva de Temperatura de Agua en la Fuente (Tw) tiene un comportamiento similar para los 3 sistemas de destilación analizados, pero a diferencia de la gráfica anterior el Sistema de Destilación sin colector solar Nc=0 (Destilación Pasiva) se distancia notablemente de los sistemas con Colectores Solares Nc=1 y Nc=2 (Destilación Activa). De lo observado anteriormente se puede deducir que a profundidades mayores los Colectores Solares desempeñarían un papel importante en la Destilación de Agua por este método. 4.2.5.2.2. Sobre el Colector Solar En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) y la Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar (Tfs) para el sistema de destilación utilizando 1 Colector Solar a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. 173 [°C] Figura 106 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Nc=1, Xw=2cm y Xw=4cm Tp Tfs 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tp Tp Tfs Tfs Nc=1, Xw=2cm Nc=1, Xw=4cm Nc=1, Xw=2cm Nc=1, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se observa en la gráfica anterior la curva de Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) a 2 cm y 4 cm tienen comportamientos similares y alcanzan temperaturas elevadas alrededor de 80°C. La curva de Temperatura del Agua a la Salida del Colector (Tfs) a 2 cm y 4 cm tambien presentan comportamientos similares, pero como se esperaba alcanzan temperaturas inferiores a los de la placa de absorción. Tambien se puede notar que Tfs a 2 cm de profundidad es ligeramente superior respecto a Tfs a 4 cm. En las siguientes gráficas se aprecia la Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) y la Temperatura del Agua a la Salida del Colector (Tfs) para el Colector Solar 1 y 2 (FPC 1 y FPC 2) en el sistema de destilación utilizando 2 Colectores Solares a una profundidad de agua contaminada de 2 y 4 cm. 174 [°C] [°C] Figura 107 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Nc=2, Xw=2cm y Xw=4cm FPC 1 FPC 1 Tp Tfs 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 FPC 1 FPC 1 FPC 1 FPC 1 Tp Tp Tfs Tfs Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=4cm Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=4cm FPC 2 FPC 2 Tp Tfs 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 FPC 2 FPC 2 FPC 2 FPC 2 Tp Tp Tfs Tfs Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=4cm Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=4cm Fuente: Propia (2022) Como se observa en la gráfica anterior la curva de Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) a 2 cm y 4 cm para el colector 1 (FCP 1) y el colector 2 (FPC 2) tienen comportamientos similares y alcanzan temperaturas elevadas. Por otra parte la curva de Temperatura del Agua a la Salida del Colector (Tfs) a 2 cm y 4 cm para FCP 1 y FPC 2 tambien presentan comportamientos similares, pero como se esperaba alcanzan temperaturas inferiores a los de la placa de absorción. Tambien se observa que la curva Tfs a 2 cm de profundidad para ambos colectores es superior respecto a la curva de Tfs a 4 cm. En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) y la Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar (Tfs) a una Profundidad de Agua Contaminada de 2 cm para los 2 sistemas de destilación analizados con Colector Solar. 175 [°C] [°C] [°C] [°C] Figura 108 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Xw=2cm, Nc=1 y Nc=2 Tp Tfs 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tp Tp Tp Tfs Tfs Tfs Nc=1,Xw=2cm Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=2cm Nc=1,Xw=2cm Nc=2, Xw=2cm Nc=2, Xw=2cm FPC 1 FPC 1 FPC 2 FPC 1 FPC 1 FPC 2 Fuente: Propia (2022) Como se aprecia en la gráfica anterior las curvas de Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) presentan comportamientos similares, es decir que alcanzan valores muy parecidos a una misma profundidad sin importar cuantos colectores solares se usen. Por otra parte las curvas de Temperatura del Agua a la Salida del Colector (Tfs) para un sistema con 2 colectores presenta valores ligeramente superiores respecto al sistema con 1 solo Colector Solar. En la siguiente gráfica se aprecia la Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) y la Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar (Tfs) a una Profundidad de Agua Contaminada de 4 cm para los 2 sistemas de destilación analizados con Colector Solar. 176 [°C] [°C] Figura 109 Temperatura de la Placa de Absorción [Tp] (izq.) y Temperatura del Agua a la Salida del Colector Solar [Tfs] (der.) para Xw=4cm, Nc=1 y Nc=2 Tp Tfs 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 Tp Tp Tp Tfs Tfs Tfs Nc=1,Xw=4cm Nc=2, Xw=4cm Nc=2, Xw=4cm Nc=1,Xw=4cm Nc=2, Xw=4cm Nc=2, Xw=4cm FPC 1 FPC 1 FPC 2 FPC 1 FPC 1 FPC 2 Fuente: Propia (2022) Como se observa en la gráfica anterior las curvas de Temperatura de la Placa de Absorción (Tp) presentan comportamientos similares, es decir que alcanzan valores muy parecidos a una misma profundidad sin importar cuantos Colectores Solares se usen. Por otra parte las curvas de Temperatura del Agua a la Salida del Colector (Tfs) para un sistema con 2 colectores presenta valores ligeramente superiores respecto al sistema con 1 solo Colector Solar. A diferencia de la gráfica anterior a esta profundidad de 4 cm las temperaturas Tp y Tfs son ligeramente inferiores respecto a una profundidad de 2 cm. 4.2.6. EVALUACIÓN DE PERDIDAS DE CALOR UTILIZANDO EL PROGRAMA AISLAM Mediante el programa AISLAM estimaremos las pérdidas de calor que ocurren en algunos componentes del sistema de destilación solar utilizando 1 colector solar. Este programa es desarrollado por la Universidad Politécnica de Valencia es reconocido y utilizado ampliamente como una herramienta confiable para el cálculo de espesores de aislamiento térmico y flujos de calor sobre equipos y elemento de edificios e instalaciones industriales. 177 [°C] [°C] Figura 110 Interfaz de Programa AISLAM Fuente: Tomada de AISLAM Para las siguientes estimaciones de pérdidas de calor utilizaremos los datos promedio de la Tabla 31 “Resultados obtenidos utilizando 1 colector solar (Nc=1) a una profundidad de 2 cm (Xw=2cm)” 4.2.6.1. PERDIDAS DE CALOR EN TUBERÍAS La tubería utilizada en este proyecto tanto para la línea de agua caliente como para la de agua fría (colector solar) presenta las siguientes características Material : Polipropileno Conductividad : 0.22 W/mK Diámetro interno : 19.1 mm Diámetro externo : 26.9 mm Espesor : 3.9 mm 178 4.2.6.1.1. Tubería de agua caliente A modo de comprobar la validez de las relaciones de las cuales se sustenta este programa, es que realizaremos un cálculo manual de ejemplo con los datos descritos anteriormente y valores promedio de Tabla 31 a horas 13:00 (Tfs=69°C, Ta=24°C) Para este caso particular de una tubería que conduce agua caliente consideramos una resistencia térmica interior despreciable. El flujo de calor proveniente del agua caliente atraviesa la capa de la tubería de polipropileno, esta capa ofrece una resistencia térmica por conducción. Luego de atravesar esta capa el flujo de calor se disipa en el ambiente exterior por medio de convección y radiación. Dicho esto, podemos trabajar este problema de la siguiente manera. q T = int −Text r Ec. (a) H Ln( ext) rint 1+ 2∗π∗k 2∗π∗rext∗hconv_rad,ext Para aplicar la Ec.(a) es necesario calcular hconv_rad,ext. Para determinar hconv es necesario calcular el producto v*D donde “D” es el diámetro exterior de la tubería en [m] y “v” es la velocidad del viento en [m/s] v ∗ D = 1.89 ∗ 0.0269 = 0.05084 Este valor corresponde a régimen turbulento. Por lo que hconv se calcula como: v0.9 hconv = 8.9 ∗ 0.1 Ec. (b) D 1.890.9 W hconv = 8.9 ∗ = 22.66 [ ] 0.02690.1 m2°C Para determinar hrad será necesario asumir un valor para Tsup y aplicar la siguiente expresión: 179 hrad = ε ∗ σ ∗ (Tsup + Tamb) ∗ (T 2 2 sup + Tamb) Ec.(c) h −8 2rad = 0.9 ∗ 5.67x10 ∗ (50 + 273.15 + 24 + 273.15) ∗ ((50 + 273.15) + (24 + 273.15) 2) W hrad = 6.1 [ ] m2°C Luego W hconv_rad,ext = 22.66 + 6.1 = 28.76 [ ] m2°C Aplicando la Ec. (a) tenemos que: q 69 − 24 = H 0.01345Ln ( ) 0.00955 1+ 2 ∗ π ∗ 0.22 2 ∗ π ∗ 0.01345 ∗ 28.76 q = 68.27 [W/m] H Para determinar si el valor asumido Tsup = 50°C es el correcto se deberá comprobar. Para ello podemos utilizar la siguiente expresión: q Tsup−Tamb = H 1 Ec. (d) 2∗π∗rext∗hconv_rad,ext Tsup − 24 68.27 = 1 2 ∗ π ∗ 0.01345 ∗ 28.76 Tsup = 52.09 °C Como el valor asumido difiere del calculado se deberá volver a calcular hasta que estos dos valores converjan a uno solo, de tal forma que el procedimiento se vuelve iterativo. Este valor de convergencia se logra con un Tsup = 52.05 °C. Luego el flujo de calor correcto será q = 68.10 [W/m] . Estos valores pueden comprobarse haciendo uso del programa H directamente. 180 En la siguiente tabla se aprecia los resultados obtenidos a las diversas horas del día utilizando el programa AISLAM. Tabla 35 Flujos de calor perdido con Tubería de Polipropileno (Tubería agua caliente) Hora Temperatura Temperatura Longitud Flujo de Calor Resistencia Flujo de Calor del día agua caliente exterior de tubería Perdido Térmica lineal Perdido total Tfs Ta [m] [W/m] [m°C/W] [W] [°C] [°C] 07:00 9 12 1.2 4.39 0.683 5.18 09:00 46 18 1.2 41.77 0.670 49.29 11:00 68 23 1.2 68.01 0.662 80.25 13:00 69 24 1.2 68.10 0.661 80.36 15:00 59 22 1.2 55.67 0.665 65.69 17:00 24 15 1.2 13.28 0.678 15.67 Fuente: Propia (2022) Para la siguiente tabla supondremos una Tubería de Acero de 3/4 pulg (DN=20, diámetro exterior 26.7 mm, diámetro interior 20.96 mm, espesor 2.87 mm) aislada térmicamente mediante lana de vidrio de 1 pulg de espesor. Tomando las mismas temperaturas internas y externas tenemos los siguientes resultados. Tabla 36 Flujos de calor perdido con Tubería de Acero y Aislamiento Lana de vidrio (Tubería agua caliente) Hora Temperatura Temperatura Longitud Flujo de Calor Resistencia Flujo de Calor del día agua caliente exterior de tubería Perdido Térmica lineal Perdido total Tfs Ta [m] [W/m] [m°C/W] [W] [°C] [°C] 07:00 9 12 1.2 0.68 4.400 0.82 09:00 46 18 1.2 6.37 4.398 7.64 11:00 68 23 1.2 10.24 4.397 12.29 13:00 69 24 1.2 10.24 4.396 12.29 15:00 59 22 1.2 8.41 4.397 10.09 17:00 24 15 1.2 2.05 4.399 2.46 Fuente: Propia (2022) En la siguiente gráfica se aprecia claramente la disminución del flujo de calor perdido al utilizar tubería de acero aislada térmicamente en lugar de tubería de polipropileno desnudo. 181 Figura 111 Flujos de calor perdido para Tubería de Polipropileno y Tubería de Acero con aislamiento de Lana de Vidrio (Tubería agua caliente) 90.00 80.25 80.36 80.00 65.69 70.00 60.00 49.29 50.00 40.00 30.00 15.67 20.00 12.29 12.29 7.64 10.09 10.00 5.180.82 2.46 0.00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 TUBERIA DE POLIPROBPILENO DESNUDO TUBERIA DE ACERO AISLADO CON LANA DE VIDRIO Fuente: Propia (2022) 4.2.6.1.2. Tubería de agua fría En la siguiente tabla se aprecia los flujos de calor perdido para una tubería de polipropileno desnudo y en la siguiente para una tubería de acero con aislamiento de lana de vidrio de 1 pulgada de espesor. Tabla 37 Flujos de calor perdido con Tubería de Polipropileno (Tubería agua fría) Hora Temperatura Temperatura Longitud Flujo de Calor Resistencia Flujo de Calor del día agua fría exterior de tubería Perdido Térmica lineal Perdido total Tfe Ta [m] [W/m] [m°C/W] [W] [°C] [°C] 07:00 7 12 2.7 7.31 0.684 19.59 09:00 23 18 2.7 7.39 0.676 19.81 11:00 47 23 2.7 35.97 0.667 96.40 13:00 53 24 2.7 43.60 0.665 116.85 15:00 45 22 2.7 34.41 0.668 92.22 17:00 19 15 2.7 5.89 0.679 15.79 Fuente: Propia (2022) 182 Flujo de calor perdido total [W] Tabla 38 Flujos de calor perdido con Tubería de Acero y Aislamiento Lana de Vidrio (Tubería agua fría) Hora Temperatura Temperatura Longitud Flujo de Calor Resistencia Flujo de Calor del día agua fría exterior de tubería Perdido Térmica lineal Perdido total Tfe Ta [m] [W/m] [m°C/W] [W] [°C] [°C] 07:00 7 12 2.7 1.14 4.400 3.06 09:00 23 18 2.7 1.14 4.398 3.06 11:00 47 23 2.7 5.46 4.397 14.63 13:00 53 24 2.7 6.60 4.396 17.69 15:00 45 22 2.7 5.23 4.397 14.02 17:00 19 15 2.7 0.91 4.399 2.44 Fuente: Propia (2022) En la siguiente gráfica se aprecia claramente la disminución del flujo de calor perdido al utilizar tubería de acero aislada térmicamente en lugar de tubería de polipropileno. Figura 112 Flujos de calor perdido para Tubería de Polipropileno y Tubería de Acero con aislamiento de Lana de Vidrio (Tubería agua fría) 140.00 116.85 120.00 96.40 100.00 92.22 80.00 60.00 40.00 19.59 19.81 14.63 17.69 14.02 15.79 20.00 3.06 3.06 2.44 0.00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 TUBERIA DE POLIPROBPILENO DESNUDO TUBERIA DE ACERO AISLADO CON LANA DE VIDRIO Fuente: Propia (2022) 4.2.6.2. PERDIDAS DE CALOR EN EL ALAMBIQUE SOLAR 4.2.6.2.1. Perdida de calor por la parte inferior En la siguiente tabla se aprecia los flujos de calor perdido por la parte inferior de la bandeja del evaporador. La bandeja es de acero inoxidable de 1mm y presenta aislamiento de lana de vidrio de 50 mm de espesor. 183 Flujo de calor perdido total [W] Tabla 39 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Lana de Vidrio de 50 mm Hora Temperatura Temperatura Área Flujo de Calor Coeficiente Flujo de Calor del día Bandeja exterior inferior Perdido Global Perdido total Tb Ta [m^2] [W/m^2] [W/m^2°C] [W] [°C] [°C] 07:00 10 12 2.48 1.46 0.730 3.62 09:00 21 18 2.48 2.20 0.732 5.46 11:00 50 23 2.48 19.83 0.734 49.18 13:00 57 24 2.48 24.25 0.735 60.14 15:00 49 22 2.48 19.82 0.734 49.15 17:00 34 15 2.48 13.89 0.731 34.45 Fuente: Propia (2022) En la siguiente tabla se muestra los flujos de calor perdido suponiendo cambiar el aislamiento térmico por poliuretano. Tabla 40 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Poliuretano 50 mm de espesor Hora Temperatura Temperatura Área Flujo de Calor Coeficiente Flujo de Calor del día Bandeja exterior inferior Perdido Global Perdido total Tb Ta [m^2] [W/m^2] [W/m^2°C] [W] [°C] [°C] 07:00 10 12 2.48 1.08 0.542 2.68 09:00 21 18 2.48 1.63 0.543 4.04 11:00 50 23 2.48 14.71 0.545 36.48 13:00 57 24 2.48 17.98 0.545 44.59 15:00 49 22 2.48 14.70 0.544 36.46 17:00 34 15 2.48 10.32 0.543 25.59 Fuente: Propia (2022) En la siguiente tabla se muestra los flujos de calor perdido suponiendo cambiar la bandeja de acero por geomembrana (polietileno) de 1 mm colocada sobre una cubierta de madera de 2 pulgadas de espesor. 184 Tabla 41 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Geomembrana y Madera de 1 y 50 mm de espesor respetivamente Hora Temperatura Temperatura Área Flujo de Calor Coeficiente Flujo de Calor del día Agua exterior inferior Perdido Global Perdido total Tw Ta [m^2] [W/m^2] [W/m^2°C] [W] [°C] [°C] 07:00 7 12 2.48 11.98 2.396 29.71 09:00 22 18 2.48 9.70 2.426 24.06 11:00 51 23 2.48 68.85 2.549 170.75 13:00 59 24 2.48 86.34 2.467 214.12 15:00 51 22 2.48 71.21 2.456 176.60 17:00 34 15 2.48 46.02 2.422 114.13 Fuente: Propia (2022) En la siguiente gráfica podemos apreciar que la mejor opción de aislamiento para la bandeja es con poliuretano seguido de la lana de vidrio y por último madera. Aunque este último es menos costoso presenta perdidas de calores mayores. Figura 113 Flujos de calor perdido por la parte inferior del Alambique Solar utilizando Lana de Vidrio, Poliuretano y Madera 214.12 200.00 176.60 170.75 150.00 114.13 100.00 60.14 49.18 49.15 50.00 44.59 34.4529.71 24.06 36.48 36.46 25.59 3.62 5.46 0.00 2.68 4.04 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 LANA DE VIDRIO 50 MM DE ESPESOR POLIURETANO 50 MM DE ESPESOR GEOMEMBRANA 1 MM & MADERA 50 MM DE ESPESOR Fuente: Propia (2022) 4.2.6.2.2. Perdida de calor por la parte frontal y lateral La parte frontal y lateral del condensador del alambique solar no presenta aislamiento térmico alguno, por lo que por estas zonas existen pérdidas de calor que merecen ser calculadas. 185 Flujo de calor perdido total [W] Para las siguientes tablas asumo que la temperatura interior está cercana a la temperatura del agua en la bandeja, con este supuesto podríamos aproximar los flujos de calores perdidos. Tabla 42 Flujos de calor perdido por la parte frontal del Alambique Solar Hora Temperatura Temperatura Área Flujo de Calor Coeficiente Flujo de Calor del día interior exterior frontal Perdido Global Perdido total [°C] Ta [m^2] [W/m^2] [W/m^2°C] [W] [°C] 07:00 7 12 0.43 19.72 3.944 8.44 09:00 22 18 0.43 16.67 4.168 7.14 11:00 51 23 0.43 141.24 5.044 60.46 13:00 59 24 0.43 183.05 5.230 78.36 15:00 51 22 0.43 146.09 5.037 62.54 17:00 34 15 0.43 87.47 4.604 37.45 Fuente: Propia (2022) Tabla 43 Flujos de calor perdido por la parte lateral del Alambique Solar Hora Temperatura Temperatura Área Flujo de Calor Coeficiente Flujo de Calor del día interior exterior lateral Perdido Global Perdido total [°C] Ta [m^2] [W/m^2] [W/m^2°C] [W] [°C] 07:00 7 12 0.44 20.10 4.019 8.84 09:00 22 18 0.44 17.03 4.256 7.49 11:00 51 23 0.44 144.20 5.150 63.45 13:00 59 24 0.44 186.96 5.342 82.26 15:00 51 22 0.44 149.18 5.144 65.64 17:00 34 15 0.44 89.33 4.701 39.31 Fuente: Propia (2022) 186 CAPÍTULO V 5. ANÁLISIS TÉCNICO ECONÓMICO 5.1. ANÁLISIS TÉCNICO 5.1.1. Distrito de Majes El Distrito de Majes es uno de los veinte distritos que conforman la provincia de Caylloma en el departamento de Arequipa. Según el censo nacional del año 2017 la población de este distrito era de 60 108 habitantes, actualmente se estimada que la población está cerca de los 100 000 habitantes, con una tasa de crecimiento anual de 10.7%, y según las proyecciones realizadas se estima que dentro de los próximos años llegaría a los 120 000 habitantes. Tabla 44 Población Total del Distrito de Majes por Área Urbana, Rural y Género Área Hombre Mujer Total Porcentaje Urbano 24838 25494 50332 83.7% Rural 5112 4664 9776 16.3% Total 29950 30158 60108 100% Fuente: INEI (2017) La ciudad Majes está conformada por las habilitaciones denominadas: Ciudad Majes integrada por los módulos A, B, C, D, E, F, G y H. El centro poblado El Pedregal conformado por sus ampliaciones Pedregal Norte, Pedregal Sur y Pedregal Centro. Las habilitaciones industriales Vivienda Taller y Espíritu Santo además de las ocupaciones informales como Ciudad Perdida ubicada en Cerro Sutton. (Municipalidad Distrital de Majes, 2021). Es importante señalar que el Distrito de Majes presenta 5 Municipalidades Menores que son: Santa María de la Colina, Bello Horizonte, San Juan el Alto, Juan Velasco Alvarado y El Pedregal tal como se muestra en el Anexo 4. 187 5.1.1.1. Estructura y Expansión Urbana El crecimiento del Distrito de Majes tiene sus inicios desde el año 1999 y está ligados al desarrollo del Proyecto de Irrigación Majes (1983). Se identifican diez Sectores Urbanos, estos a su vez se integran de Asentamientos Humanos, Asociaciones de Vivienda o Centros Poblados. Estos Sectores Urbanos se visualizan en la siguiente tabla y sus ubicaciones en el distrito se aprecian en el Anexo 5. Tabla 45 Sectores Urbanos del Distrito de Majes Sectores Nombre Superficie urbanos (ha) Sector 01 C.P. Pedregal Norte 54.83 Sector 02 C.P. Pedregal Centro 66.18 Sector 03 C.P. Pedregal Sur 80.31 Sector 04 Ciudad Majes módulos A, B 335.96 Sector 05 Ciudad Majes módulos C 162.89 Sector 06 Ciudad Majes módulo D, G 236.86 Sector 07 Ciudad Majes módulo E 141.10 Sector 08 Ciudad Majes módulo F 21.41 Sector 09 Zona Industrial y Vivienta Taller 165.25 Sector 10 Ocupaciones Informales no det. Fuente: Municipalidad Distrital de Majes (2021) El crecimiento y expansión urbana se desarrolla de las siguientes formas: Expansión formal a través de convocatorias de sorteos para venta de lotes y subastas públicas, por parte de las dos entidades: AUTODEMA y la Municipalidad Distrital de Majes (Municipalidad Distrital de Majes, 2021). Expansión informal a través de ocupaciones informales por parte de asociaciones de vivienda, lotizaciones, asentamientos humanos informales, etc., que al ubicarse en áreas eriazas pertenecientes a la Municipalidad Distrital de Majes ocasionan un proceso desordenado de posesión del suelo majeño (Municipalidad Distrital de Majes, 2021). 188 En la siguiente figura podemos apreciar la expansión urbana formal, informal, así como la expansión urbana futura que se proyecta para los próximos años. En el Anexo 6 se aprecia el Mapa de Propuesta de Crecimiento Urbano para el Distrito de Majes. Figura 114 Expansión Urbana del Distrito de Majes Fuente: Municipalidad Distrital de Majes (2021) 5.1.1.2. Suministro de Agua Cruda al Distrito de Majes Actualmente el Distrito de Majes toma su fuente de agua de la represa de Condoroma, las aguas pasan por la presa de captación y trasvase Tuti, luego pasando por una secuencia de túneles y canales las aguas discurren al río Siguas hasta la localidad de Pitay, donde nuevamente son captadas por una bocatoma, luego estas se derivan hacia las Pampas de Majes por medio de canales y tuberías de presión. De estos se distribuye para el uso poblacional y para el uso agrícola. 189 Figura 115 Esquema Hidráulico Proyecto Majes Siguas Fuente: https://sites.google.com/site/sistemadeirrigacion3126/home/perimetro-de- riego-en-zonas-deserticas 5.1.1.3. Sistema de Agua Potable El Distrito de Majes en la actualidad cuenta con 2 Plantas de Potabilización de Agua: La Planta de Tratamiento de Agua Potable de El Pedregal que utiliza agua cruda del canal lateral denominado 3R, línea divisora entre el módulo A y B de Ciudad Majes. La captación es conducida por tubería F°F en 70 m aproximadamente con 8” de diámetro nominal. La planta de Agua Potable consta de dos unidades: la de tipo convencional filtrado lento y la de filtrado rápido. (Municipalidad Distrital de Majes, 2021). Cuyas características comunes son: - Sistema convencional de dosificación de insumos químicos. - 2 decantadores. - Sistema convencional de desinfección. - Capacidad de tratamiento 15 l/s (filtrado lento) y 20 l/s (filtrado rápido) se cuenta con macromedidor de 8”. 190 - 2 floculadores (filtrado lento) y 1 floculador horizontal (filtrado rápido). - 4 filtros lentos (filtrado lento) y 4 filtros rápidos (filtrado rápido). Figura 116 Planta de Tratamiento de Agua Potable El Pedregal Fuente: Google Earth (2022) La Planta de Tratamiento de Agua Potable para la Ciudad Majes se ubica más al norte de la primera, cerca al asentamiento E1. Esta se abastece de agua cruda del canal 1R. Es una planta de filtros rápidos y una de las más modernas del país que inicio su operación en el año 2017. Esta planta de tratamiento abastecerá de Agua Potable a los módulos A, B, C, D, E, F y G además de Villa Industrial en su primera y segunda etapa. 191 Figura 117 Planta de Tratamiento de Agua Potable Ciudad Majes Fuente: Google Earth (2022) Con respecto a la percepción sobre la calidad de Agua Potable se señala que la causa de la baja calidad se debe a procesos inadecuados de tratamientos, la falta de limpieza de la infraestructura mayor y a la no desinfección periódica y continua de las infraestructuras de almacenamiento. 5.1.1.4. Sistema de Agua de Regadío Las aguas que llegan a la pampa de Majes provienen de la represa de Condoroma de la cuenca del río Camaná-Majes-Colca. Según estudios realizados estas aguas son consideradas como buenas para el uso doméstico previamente tratada, y para el uso agrario En la siguiente tabla se aprecia el resultado del análisis fisicoquímico que se realizó a una muestra de agua para riego en el año 2020. 192 Tabla 46 Análisis Fisicoquímico realizado al Agua de Regadío Pampa de Majes Agua de Riego Parámetro Valor Unidad pH 8.2 - Conductividad Eléctrica 748 uS Cl- 120 mg/L Na+ 100 ppm (NO3)- <3 mg/L Nota: Prueba: Potenciómetro-pH, Conductividad, Nitrato y Na+ Titulación Cl- Fecha 17/06/2020 Fuente: Proporcionado por Junta de Usuarios Pampa de Majes (2022) El sistema hidrológico artificial del distrito está conformado por las obras de infraestructura de riego que comprende: el Canal de derivación (134 Km), los canales troncales (169 Km), los vasos reguladores (23), las tuberías troncales (222 Km) y las tuberías menores (267 Km). Esta infraestructura riega casi 18 000 ha de cultivo. (Municipalidad Distrital de Majes, 2021) Figura 118 Distribución del Agua de Regadío hacia el Distrito de Majes Fuente: Municipalidad Distrital de Majes (2021) 193 Según los estudios disponibles, el caudal transportado por el canal de derivación es de 10 m3/s, aunque su capacidad es de 30 m3/s, caudal que se distribuye de la siguiente manera (Municipalidad Distrital de Majes, 2021). - Pampa Alta (A, B, C, D y E) : 0,70 l/s/ha en invierno y 0,75 l/s/ha. - Pampa Baja : 0,33 l/s/ha. - Uso poblacional e industrial : 0,30 m3/s. 5.1.1.5. Población Rural y Ocupaciones Informales La población de rural del Distrito de Majes se estimó en 9 776 habitantes y ocupa el 16.3% del total según el censo del 2017. En la siguiente tabla se destaca que el número de viviendas en la zona rural es de 5 055 aproximadamente ocupando el 15% del total. La mayor cantidad de estas viviendas son casas independientes con 4 958, el resto chozas o cabañas con 95 y solo 2 viviendas que no son destinados para ser habitadas. Tabla 47 Viviendas Particulares, por Área Urbana y Rural, y Tipo de Vivienda Tipo de vivienda Urbana Rural Total Casa independiente 23865 4958 28823 Departamento en edificio 106 0 106 Vivienda en quinta 237 0 237 Vivienda en casa de vecindad 551 0 551 Choza o cabaña 0 95 95 Vivienda improvisada 3767 0 3767 Local no destinado para 49 2 51 habitación humana Total 28575 5055 33630 Porcentaje 85% 15% 100% Fuente: INEI (2017) Las Ocupaciones Informales del Distrito de Majes son de 2 tipos: en la zona rural y en la zona urbana. Los procesos de ocupación informal en zonas rurales se han incrementado en los últimos años a causa de falta de áreas asignadas para vivienda de asalariados que laboran en 194 este distrito. Estos grupos ocupan terrenos eriazos cercanos a los centros poblados o cercanos a los principales ejes de transporte público y en las zonas de protección de los canales troncales de la irrigación. (Municipalidad Distrital de Majes, 2021). Son estas ocupaciones informales las que carecen en gran parte de los servicios esenciales como luz y desagüe, pero sobre todo de Agua Potable. Figura 119 Ocupación Informal, Asociación Hijo de Colonos Fuente: Investigación propia (2019) La ocupación informal de mayor proporción es la ubicada en la zona denominada Ciudad Perdida, dicho planteamiento urbano fue desechado al inicio porque el suelo era de consistencia calichosa, sin embargo, aquí no existen lotes vacíos o en abandono y actualmente se viene consolidando como área urbana. 195 Figura 120 Ocupación Informal, Ciudad Perdida Fuente: Investigación propia (2022) Otra ocupación informal de importancia es la ocurrida cercana a los módulos más recientes E, F y G de Ciudad Majes. En la siguiente figura se puede apreciar las ocupaciones informales en el Distrito de Majes en color amarillo y la ocupación urbana en color rojo: Figura 121 Distrito de Majes, Ocupaciones Informales Fuente: Municipalidad Distrital de Majes (2021) 196 5.1.2. Problemática del Agua Potable y Crecimiento Poblacional El Distrito de Majes actualmente presenta problemas en su gestión de tratamiento, abastecimiento y distribución de Agua Potable hacia una buena parte de su población urbana debido a falta de capacidad y operatividad de su infraestructura técnica, aunque se han ejecutado varios proyectos en relación, existen otros factores adversos, uno de ellos es la turbidez del agua, este es más notorio en temporadas de avenidas o lluvias, adicionalmente a esto está el crecimiento acelerado y desordenado de su población. Figura 122 Grifo domiciliario, Agua No Potable (Agua Turbia), Asociación COPRAA Fuente: Investigación propia izq. (2019), der. (2022) Es común encontrar en la zona rural del Distrito de Majes conexiones domiciliarias de agua cruda por medio de mangueras delgadas o abastecimiento de agua (cruda o potable) mediante tanques de almacenamiento a través de camiones cisternas que distribuyen esta agua hacia algunas partes de la población rural en crecimiento. 197 Figura 123 Abastecimiento de Agua por Manguera (izq.) y Tanques de Almacenamiento (der.) Fuente: Investigación propia (2022) En la siguiente tabla podemos apreciar el tipo de procedencia de agua para las viviendas del Distrito de Majes tanto en la zona urbana como la zona rural. Los porcentajes más altos son para las viviendas con red de agua pública tanto dentro o fuera de esta, este es un indicador muy favorable ya que años atrás los porcentajes más altos los ocupaban viviendas abastecidas por ríos y acequias (Censo del 2007). Tabla 48 Viviendas Particulares con Ocupantes Presentes, por disponibilidad de Alumbrado Eléctrico por Red Pública, según Área Urbana y Rural, y Tipo de Procedencia de Agua Dispone de alumbrado eléctrico por red pública Área y tipo de procedencia del agua Si No Total Porcentaje Urbana 11602 3916 15518 84.37% Red pública dentro de la vivienda 7956 820 8776 47.72% Red pública fuera de la vivienda, 882 158 1040 5.65% pero dentro de la edificación Pilón o pileta de uso público 377 250 627 3.41% Camión cisterma u otro similar 2082 2335 4417 24.02% Pozo 149 221 370 2.01% Río, acequia, lago, laguna 76 85 161 0.88% Otro 80 47 127 0.69% Rural 2574 300 2874 15.63% Red pública dentro de la vivienda 1269 133 1402 7.62% Red pública fuera de la vivienda, 1056 38 1094 5.95% pero dentro de la edificación Pilón o pileta de uso público 94 7 101 0.55% Camión cisterma u otro similar 57 48 105 0.57% Pozo 5 3 8 0.04% Río, acequia, lago, laguna 33 54 87 0.47% Otro 60 17 77 0.42% Total 14176 4216 18392 100% Fuente: INEI (2017) 198 Pero a pesar de esto sigue habiendo un gran número de viviendas que el día de hoy carecen del servicio del Agua Potable la mayor parte pertenece a la zona rural y otro pequeño porcentaje pertenece a la zona urbana específicamente los módulos más recientes de Ciudad Majes. En la siguiente figura podemos apreciar el abastecimiento de agua a la población a través de camiones cisterna y camiones de carga. Figura 124 Abastecimiento de Agua por Camión Cisterna y Camión de Carga Fuente: Investigación propia (2021) Analizando específicamente a la población rural podemos afirmar que el 49% se abastece de la red pública dentro de la vivienda, el 38% de la red pública fuera de la vivienda, el 4% por medio de camión cisterna, un 3% de una pileta de uso público, otro 3% de un río o acequia, y otro 3 % de otra fuente, tal como se muestra en la siguiente figura. 199 Figura 125 Abastecimiento de Agua hacia la Zona Rural del Distrito de Majes Camión Pozo Río, acequia, cisterma u otro 0% lago, laguna Otro similar 3% 3% 4% Pilón o pileta de uso público 3% Red pública fuera de la Red pública vivienda, pero dentro de dentro de la vivienda la edificación 49% 38% ZONA RURAL Fuente: INEI (2017) En la siguiente figura se muestra el uso de pozos para almacenar agua cruda ocurrida en algunas viviendas granja ubicadas en la zona rural del Distrito de Majes. Figura 126 Abastecimiento de Agua por Pozo Fuente: Investigación propia (2021) Es preocupante el porcentaje de las viviendas que se abastecen de pozos y canales debido a que estos cuerpos de agua tienen calidad dudosa debido a la contaminación que puede 200 existir en la zona de donde son extraídas, ya sea por descarga de aguas servidas o también por la disposición de basura y el uso indiscriminado de fertilizantes y plaguicidas. Figura 127 Abastecimiento de Agua por Canal a un Asentamiento en la “Sección Agraria E” Fuente: Investigación propia (2022) SEDAPAR es la empresa prestadora de servicio de Agua Potable en el Distrito de Majes, pero este organismo solo cubre a 6 628 viviendas del área urbana y 0 viviendas del área rural tal como se muestra en la siguiente tabla Así mismo para el área rural el mayor número de viviendas es abastecida por su organización comunal (asociaciones) y el resto por medio de camiones cisterna. 201 Tabla 49 Viviendas Particulares con Ocupantes Presentes, por Entidades a la que pagan por el Servicio de Agua, según el Área Urbana y Rural, y Tipo de Vivienda Empresa o entidad a la que pagan por el servicio de agua Área y tipo de vivienda Empresa Municipalidad Organización Camión Otro Total prestadora de comunal cisterna servivio (Pago directo) Urbana 6628 183 369 4417 17 11614 Casa independiente 5710 178 364 4062 16 10330 Departamento en edificio 82 - - - - 82 Vivienda en quinta 211 - - - - 211 Vivienda en casa de vecindad 441 1 - 2 - 444 Vivienda improvisada 157 4 4 340 1 506 Local no destinado para 27 - 1 13 - 41 habitación humana Rural 0 7 1905 105 1 2018 Casa independiente - 7 1905 102 1 2015 choza o cabaña - - - 2 - 2 Local no destinado para - - - 1 - 1 habitación humana Total 6628 190 2274 4522 18 13632 Porcentaje 48.6% 1.4% 16.7% 33.2% 0.1% 100% Fuente: INEI (2017) De acuerdo a la investigación desarrollada en este proyecto e informes realizados por el INEI, SEDAPAR y la Municipalidad del Distrito de Majes, podemos mencionar que algunos de los sectores más destacados que carecen de Agua Potable actualmente y muy probable durante años venideros son los siguientes: - Ciudad Perdida, ubicada sobre Cerro Sutton al lado este del distrito. - Ciudad Majes módulos D, E; F y G. al lado noreste del distrito. - Parte de Villa Industrial, en la parte central del distrito. - Los Asentamientos y las mismas familias de las parcelas que ocupan las secciones agrícolas A, B, C, D y E. - Las expansiones urbanas ubicada al suroeste de Pedregal Sur. - Ocupaciones informales frente al Ciudad Perdida, al lado de la Quebrada Hospicio. - Ocupaciones informales al norte de los módulos E, F y G de Ciudad Majes. En resumen, afirmamos que es notorio el déficit del agua potable en la zona rural y en las partes más recientes de la zona urbana. Este problema afecta principalmente la salud de los 202 pobladores, que además de esto no gozan de una adecuada calidad de vida. También se hace evidente que la escasez de agua podría afectar la instalación de industrias y servicios que vienen de la mano de la producción agropecuaria del Distrito de Majes. La proyección de la población del Distrito de Majes para junio del 2020 según el INEI era de 70 780 habitantes en total, sin embargo, otros indicadores mencionan que la población de este distrito para el año 2021 ya superó los 100 000 habitantes. Los criterios fundamentales para esta estimación son: el crecimiento vegetativo, es decir, la diferencia entre el número de nacimiento y el número de defunciones, y el efecto migratorio que en los últimos años ha sido el más resaltante. En la siguiente tabla se muestra las proyecciones realizadas por la Municipalidad del Distrito de Majes, se destaca que para el año pasado (2021) la población total seria 97067 pobladores con una tasa de crecimiento promedio de 5.7%. Tabla 50 Proyecciones de la Población del Distrito de Majes Año Hombres Mujeres Total 2012 29993 29041 59034 2013 32168 31299 63467 2014 34501 33732 68233 2015 37003 36354 73357 2016 39687 39180 78867 2017 42135 41799 83934 2018 44277 44137 88414 2019 46048 46125 92173 2020 47390 47700 95090 2021 48258 48809 97067 Tasa de cremiento 5.4% 5.9% 5.7% promedio Fuente: Municipalidad Distrital de Majes (2021) Podemos concluir que la población del Distrito de Majes sigue en aumento cada año y queda como labor de las autoridades responsables cumplir con sus funciones para alcanzar el 203 desarrollo, bienestar y sobre todo la salud de sus pobladores. Los pobladores de las zonas rurales y ocupaciones informales son los que carecen hoy en día del servicio de Agua Potable, y los más propensos a sufrir enfermedades infecciosas, endémicas y diarreicas. Es importante dar a conocer el riesgo a los que están expuestos estos pobladores, así mismo se necesita poner más relevancia en buscar otras alternativas de obtención agua pura sobre todo teniendo especial atención en aprovechar el abundante recurso solar con el que cuenta este distrito. 5.1.3. Destilación Solar como Alternativa de obtención de Agua Pura La destilación solar es un método muy sencillo de mejorar la calidad del agua de una forma económica y ecoamigable. Esta forma permite purificar diversos tipos de agua como el agua de mar, el agua de río, el agua empozada, etc. A pesar de esto la purificación de agua mediante energía solar es subestimada y casi desconocida por los pobladores del Distrito de Majes, lo que hace reflexionar que hace falta mayor difusión acerca de su utilidad, ventajas y limitaciones. Aunque fue desarrollada inicialmente para ser aplicada hacia regiones áridas localizadas en la costa con el fin obtener agua potable a partir de agua de mar, logró ser útil en otras regiones que carecen del recurso vital. Su campo logró extenderse por lo que ahora es aplicada hacia cualquier grupo de personas aisladas o carentes de agua potable, estas personas pueden ser coincidentemente familias de pocos miembros. En el Distrito de Majes el promedio de miembros o personas por vivienda en la zona rural es 3 (INEI, 2017) y según los valores recomendados por la OMS (Tabla 3 y 4) se requeriría 9.6 litros/día (3 personas adultas) para mantener el cuerpo hidratado. Con este simple cálculo se afirma que el destilador solar propuesto en este proyecto podría cumplir esta demanda (6 a 10 litros/día para el mes de Junio), aun así, existen mejoras y formas que pueden realizarse para aumentar la producción como, por ejemplo: disminuir aún más la profundidad del agua 204 contaminada en la bandeja o mejorar el aislamiento en las tuberías de conexión o simplemente usar 2 o más destiladores en lugar de 1 solo. Podemos afirmar que la Destilación Solar perfectamente puede ser aplicada hacia la zona rural del Distrito de Majes para mejorar la calidad del agua cruda o agua para riego, que es el de mayor presencia y la más accesible en cualquier sector del distrito. En la siguiente figura puede apreciarse algunos pobladores de la Zona Rural del Distrito de Majes dedicados a la crianza de animales y al cultivo en las parcelas aledañas que tuvieron la oportunidad de conocer este método de purificación de agua. Así como ellos existen alrededor de 2 874 familias (INEI, 2017) que podrían mejorar su calidad de vida al mejorar la calidad del agua que consumen diariamente, con ello conservar su salud evitando enfermedades como la diarrea, el cólera o males intestinales por consumir aguas contaminadas, además de evitar la deshidratación por no consumir la cantidad de agua necesaria. Figura 128 Algunos pobladores de la Zona Rural del Distrito de Majes que podrían beneficiarse de la Destilación Solar Fuente: Propia (2022) El sistema de destilación propuesto en este proyecto ofrece la ventaja ser fácil de implementar, operar, realizar el mantenimiento, bajo costo de construcción y larga vida útil. 205 Queda claro que este prototipo de destilación solo es uno de los muchos que se podrían comenzar a utilizarse en la zona rural de este distrito. También queda claro que este sistema propuesto puede utilizarse sin colector solar, o con solo 1 colector solar, así como también podrían utilizarse 2 o más alambiques para aumentar la producción de agua pura diaria utilizando un solo tanque de control de nivel de agua. Otros destiladores que pueden implementarse perfectamente y a un costo no demasiado elevado son el destilador tipo pirámide o el destilador de efecto múltiple, aunque tendría dificultades en el mantenimiento es una interesante opción. Una alternativa más comercial es el destilador tipo panel que se presenta así mismo de buen desempeño y alta producción de agua pura. 5.2. ANÁLISIS ECONÓMICO 5.2.1. COSTO DE CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA Para la elaboración del metrado y costo de fabricación de todos los componentes y partes del sistema propuesto se utilizó los planos finales los cuales muestran los detalles necesarios. En la siguiente tabla se presenta el costo de fabricación de todos los componentes del sistema propuesto dentro de estos se incluye los materiales, mano de obra y costos indirectos. Tabla 51 Costo del Sistema de Destilación Solar Propuesto Item Nombre Cantidad Costo 1 Alambique solar 1 S/ 1,982.02 2 Tanque de control de nivel de agua contaminda 1 S/ 441.62 3 Colector solar de placa plana (FPC) 1 S/ 927.09 4 Tanque de reserva de agua contaminada 1 S/ 893.55 5 Tuberias, mangeras, accesorios y otros - S/ 113.94 Costo total: S/ 4,358.23 Fuente: Propia (2022) 206 El costo total de este proyecto es S/. 4 358.23, el costo del Alambique Solar es de S/. 1 982,02 que es el componente principal y tiene un costo mayor que un Colector Solar de Placa Plana cuyo valor es S/. 927,09. Es importante señalar que todos los materiales se adquirieron en la ciudad de Arequipa en los últimos meses del año 2021 con un valor referencial del dólar de S/. 3,99. La mayoría de los materiales para esas fechas tuvieron un alza significativa, se espera que algunos materiales regresen a su precio normal. 5.2.1.1. Costo del Alambique Solar El Alambique Solar es el componente más complejo de todo el sistema y está compuesto de 2 partes principales: el Condensador y el Evaporador. En la siguiente tabla se detalla el costo de fabricación del Alambique Solar como componente y en las siguientes tablas el costo de fabricación de cada una de sus partes que la componen. Tabla 52 Costo del Alambique Solar 1.0 Alambique solar Item Nombre Costo 1.1 Condensador S/ 856.78 1.1.1 Cubierta superior S/ 235.71 1.1.2 Canaleta recolectora de agua destilada S/ 118.97 1.1.3 Bastidor S/ 152.70 1.1.4 Accesorios S/ 28.00 1.1.5 Pernos, arandelas, tuercas y otros S/ 121.40 1.1.6 Mano de obra y otros S/ 200.00 1.2 Evaporador S/ 919.14 1.2.1 Bandeja o fuente S/ 481.34 1.2.2 Aislamiento térmico S/ 26.18 1.2.3 Bastidor S/ 131.31 1.2.4 Accesorios S/ 40.50 1.2.5 Pernos, arandelas, tuercas y otros S/ 39.80 1.2.6 Mano de obra y otros S/ 200.00 1.3 Estructura de soporte S/ 206.11 1.3.1 Estructura de soporte S/ 106.11 1.3.2 Mano de obra y otros S/ 100.00 Total: S/ 1,982.02 Fuente: Propia (2022) 207 Tabla 53 Costo del Condensador 1.1 Condensador Costo/ Item Nombre Cantidad Metrado Unidad Costo Unidad 1.1.1 Cubierta superior - - - - S/ 235.71 Vidrio 4 0.79 m2 S/ 6 6.69 S/ 210.00 Marco lateral 4 0.04 m2 S/ 8 2.30 S/ 25.71 1.1.2 Canaleta recolectora de agua destilada - - - - S/ 118.97 Chapa inox 4 0.15 m2 S/ 8 2.30 S/ 94.97 Niple inox de Ø1/2" 4 3.0 pulg S/ 6.00 S/ 24.00 1.1.3 Bastidor - - - - S/ 152.70 Cubierta frontal 2 0.32 m2 S/ 4 7.30 S/ 39.49 Cubierta lateral 2 0.41 m2 S/ 4 7.30 S/ 78.96 Marco superior 2 0.12 m2 S/ 4 7.30 S/ 20.07 Marco central 1 0.11 m2 S/ 4 7.30 S/ 9.52 Ángulo o unión 4 0.01 m2 S/ 4 7.30 S/ 4.67 1.1.4 Accesorios - - - - S/ 28.00 Codo de Ø1/2" 4 1.0 unid. S/ 1.00 S/ 4.00 Niple tipo botella de Ø1/2" 4 1.0 unid. S/ 6.00 S/ 24.00 1.1.5 Pernos, arandelas, tuercas y otros - - - - S/ 121.40 Perno hexagonal de Ø1/4"x1/2" 42 1.0 unid. S/ 0.20 S/ 8.40 Arandela plana de Ø1/4" 42 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 4.20 Tuerca hexagonal de Ø1/4" 42 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 4.20 Perno hexagonal de Ø5/16"x5/8" 72 1.0 unid. S/ 0.30 S/ 21.60 Arandela plana de Ø5/16" 72 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 7.20 Tuerca hexagonal de Ø5/16" 72 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 7.20 Empaque de 1/32" 1 0.41 m2 S/ 8 0.00 S/ 32.60 Silicona neutra 2 1.0 unid. S/ 1 8.00 S/ 36.00 1.1.6 Mano de obra y otros - - - - S/ 200.00 Total: S/ 856.78 Nota: El costo del material incluye el costo por el servicio de soldadura y/o plegado requerido según se el caso. Fuente: Propia (2022) 208 Tabla 54 Costo del Evaporador 1.2 Evaporador Costo/ Item Nombre Cantidad Metrado Unidad Costo Unidad 1.2.1 Bandeja o fuente - - - - S/ 481.34 Bandeja 1 2.98 m2 S/ 82.30 S/ 333.00 Placa de sujeción 8 0.002 m2 S/ 82.30 S/ 1.34 Niple inox de Ø3/4" 4 4.0 pulg S/ 8.00 S/ 32.00 Niple inox de Ø3/4" 3 5.0 pulg S/ 9.00 S/ 27.00 Pintura negra termoresistente 2 0.11 gal S/ 387.30 S/ 88.00 1.2.2 Aislamiento térmico - - - - S/ 26.18 Lana de vidrio 1 3.60 m2 S/ 4.65 S/ 16.74 Cinta de madera 2 1.18 m S/ 4.00 S/ 9.44 1.2.3 Bastidor - - - - S/ 131.31 Perfil frontal 2 0.43 m2 S/ 4 7.30 S/ 49.95 Perfil lateral 2 0.21 m2 S/ 4 7.30 S/ 24.59 Ángulo o unión 4 0.01 m2 S/ 4 7.30 S/ 5.18 Sujeciones 1 0.09 m2 S/ 4 7.30 S/ 7.17 Cubierta inferior 1 2.80 m2 S/ 1 5.85 S/ 44.42 1.2.4 Accesorios - - - - S/ 40.50 Llave de paso de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 7.00 S/ 7.00 Niple tipo botella de Ø3/4" 2 1.0 unid. S/ 7.00 S/ 14.00 Tapón macho de Ø3/4" 3 1.0 unid. S/ 1.50 S/ 4.50 Unión de Ø3/4" 4 1.0 unid. S/ 2.00 S/ 8.00 Unión universal de Ø3/4" 2 1.0 unid. S/ 3.50 S/ 7.00 1.2.5 Pernos, arandelas, tuercas y otros - - - - S/ 39.80 Perno hexagonal de Ø5/16"x5/8" 64 1.0 unid. S/ 0.30 S/ 19.20 Arandela plana de Ø5/16" 64 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 6.40 Tuerca hexagonal de Ø5/16" 64 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 6.40 Remache de aluminio de Ø1/8"x1/2" 52 1.0 unid. S/ 0.15 S/ 7.80 1.2.6 Mano de obra y otros - - - - S/ 200.00 Total: S/ 919.14 Nota: El costo del material incluye el costo por el servicio de soldadura y/o plegado requerido según se el caso. Fuente: Propia (2022) Tabla 55 Costo de la Estructura de Soporte del Alambique Solar 1.3 Estructura de soporte Costo/ Item Nombre Cantidad Metrado Unidad Costo Unidad 1.3.1 Estructura de soporte - - - - S/ 106.11 Tubo cuadrado 2"x2"x1.5mm 1 3.20 m S/ 11.33 S/ 36.27 Tubo rectangular 1"x2"x1.2mm 1 9.54 m S/ 5.25 S/ 50.06 Refuerzo (chapa de acero 2mm) 8 0.01 m2 S/ 90.87 S/ 9.78 Recubrimiento 1 0.25 gal S/ 4 0.00 S/ 10.00 1.3.2 Mano de obra y otros - - - - S/ 100.00 Total: S/ 206.11 Fuente: Propia (2022) 209 5.2.1.2. Costo del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada El Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada trabaja conjuntamente con el Alambique Solar, por lo que es un componente esencial del sistema propuesto. Su costo total es de S/. 441,62 tal y como se muestra en la siguiente tabla. Tabla 56 Costo del Tanque de Control de Nivel de Agua Contaminada 2.0 Tanque de control de nivel de agua contaminda Costo/ Item Nombre Cantidad Metrado Unidad Costo Unidad 2.1 Tanque de control de nivel de agua - - - - S/ 291.30 2.1.1 Tapa 1 0.19 m2 S/ 8 2.30 S/ 15.42 2.1.2 Tanque de agua contaminada 1 1.00 m2 S/ 8 2.30 S/ 229.99 2.1.3 Válvula tipo flotador de 3/4" 1 1.0 kit S/ 3 2.90 S/ 32.90 2.1.4 Niple inox de Ø3/4" 1 2.0 pulg S/ 6.00 S/ 6.00 2.1.5 Niple inox de Ø3/4" 1 3.0 pulg S/ 7.00 S/ 7.00 2.2 Accesorios - - - - S/ 37.00 2.2.1 Llave de paso de Ø3/4" 2 1.0 unid. S/ 7.00 S/ 14.00 2.2.2 Niple tipo botella de Ø3/4" 3 1.0 unid. S/ 7.00 S/ 21.00 2.2.3 Unión de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 2.00 S/ 2.00 2.3 Estructura de soporte - - - - S/ 38.32 2.3.1 Ángulo 38x38x2mm 1 2.70 m S/ 5.67 S/ 15.30 2.3.2 Tubo redondo Ø1 1/4"x1.0mm 1 0.64 m S/ 5.24 S/ 3.35 2.3.3 Tubo redondo Ø1"x1.0mm 1 2.80 m S/ 4.67 S/ 13.07 2.3.4 Perno hexagonal de Ø5/16"x5/8" 4 1.0 unid. S/ 0.30 S/ 1.20 2.3.5 Tuerca hexagonal de Ø5/16" 4 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 0.40 2.3.6 Recubrimiento 1 0.13 gal S/ 4 0.00 S/ 5.00 2.4 Mano de obra y otros - - - - S/ 75.00 Total: S/ 441.62 Nota: El costo del material incluye el costo por el servicio de soldadura y/o rolado requerido según se el caso. Fuente: Propia (2022) 5.2.1.3. Costo del Colector Solar de Placa Plana (FPC) El Colector Solar de Placa Plana es un componente que se puede adquirir en una tienda y los podemos encontrar de diversas capacidades, y también se pueden mandar a fabricar a la medida que se desee. En este proyecto se utilizó un Colector Solar para una Terma Solar de 120 litros, el precio de un colector de esta capacidad en el mercado está entre los S/. 1000 y S/. 1 100. 210 En la tabla siguiente se detalla los componentes esenciales del Colector Solar de Placa Plana utilizado en este proyecto, su costo de fabricación es S/. 927,09. Tabla 57 Costo del Colector Solar de Placa Plana (FPC) 3.0 Colector solar de placa plana (FPC) Costo/ Item Nombre Cantidad Metrado Unidad Costo Unidad 3.1 Colector solar de placa plana (FPC) - - - - S/ 518.09 3.1.1 Marco superior 1 4.82 m S/ 2.17 S/ 10.43 3.1.2 Cubierta superior (vidrio) 1 1.43 m2 S/ 6 6.69 S/ 95.37 3.1.3 Placa absorbedora 1 1.57 m2 S/ 4 1.67 S/ 65.57 3.1.4 Banco de tubos - - - - S/ 203.40 Tubo de cobre Ø3/4" 1 2.38 m S/ 3 0.00 S/ 71.40 Tubo de cobre Ø1/4" 1 14.40 m S/ 9.17 S/ 132.00 3.1.5 Aislamiento térmico 1 1.31 m2 S/ 4.65 S/ 6.10 3.1.6 Bastidor o carcasa - - - - S/ 77.42 Bastidor 1 4.80 m S/ 1 0.00 S/ 48.00 Cubierta inferior 1 1.41 m2 S/ 1 5.85 S/ 22.29 Soporte superior 2 0.54 m S/ 4.17 S/ 4.53 Soporte inferior 2 0.25 m S/ 4.17 S/ 2.11 Sujetador 4 0.003 m2 S/ 4 1.08 S/ 0.49 3.1.7 Pernos, tuercas y remaches - - - - S/ 13.30 Perno hexagonal de Ø5/16"x5/8" 4 1.0 unid. S/ 0.30 S/ 1.20 Tuerca hexagonal de Ø5/16" 4 1.0 unid. S/ 0.10 S/ 0.40 Remache de aluminio de Ø1/8"x1/2" 78 1.0 unid. S/ 0.15 S/ 11.70 3.1.8 Recubrimientos - - - - S/ 46.50 Pintura negra termoresistente 1 0.11 gal S/ 3 87.30 S/ 44.00 Base antivorrosiva 1 0.06 gal S/ 4 0.00 S/ 2.50 3.2 Accesorios - - - - S/ 59.00 3.2.1 Bushing reductor de Ø3/4" a Ø1/2" 1 1.0 unid. S/ 1.00 S/ 1.00 3.2.2 Codo de Ø1/2" 1 1.0 unid. S/ 1.00 S/ 1.00 3.2.3 Codo de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 1.50 S/ 1.50 3.2.4 Llave de paso de Ø3/4" 2 1.0 unid. S/ 7.00 S/ 14.00 3.2.5 Niple de Ø1/2" 1 2.0 pulg S/ 1.00 S/ 1.00 3.2.6 Niple de Ø3/4" 4 2.0 pulg S/ 1.50 S/ 6.00 3.2.7 Tapón macho de Ø1/2" 1 1.0 unid. S/ 1.00 S/ 1.00 3.2.8 Tapón macho de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 1.50 S/ 1.50 3.2.9 Unión de Ø1/2" 1 1.0 unid. S/ 1.00 S/ 1.00 3.2.10 Unión de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 2.00 S/ 2.00 3.2.11 Unión universal de Ø3/4" 2 1.0 unid. S/ 3.50 S/ 7.00 3.2.12 Válvula unidireccional de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 2 2.00 S/ 22.00 3.3 Mano de obra y otros - - - - S/ 350.00 Total: S/ 927.09 Fuente: Propia (2022) 5.2.1.4. Costo del Tanque de Reserva de Agua Contaminada El Tanque de Reserva es un componente del sistema que puede ser de la capacidad que se desee. En este proyecto se propone usar un tanque de 600 litros para que el proceso de destilación solar sea más continuo, esto quiere decir que se quiere evitar estar reponiendo agua contaminada frecuentemente dentro del sistema. 211 En la siguiente tabla se muestra precio de un tanque de 600 litros y el costo de fabricación de su estructura de soporte cuya suma nos da un valor de S/. 893,55. Tabla 58 Costo del Tanque de Reserva de Agua Contaminada 4.0 Tanque de reserva de agua contaminada Costo/ Item Nombre Cantidad Metrado Unidad Costo Unidad 4.1 Tanque de reserva de agua contaminada - - - - S/ 560.00 4.2 Estructura de soporte - - - - S/ 169.55 4.2.1 Tubo cuadradro 1 1/2"x1.2mm 1 16.92 m S/ 8.25 S/ 1 39.62 4.2.2 Tubo redondo Ø7/8"x1.2mm 1 2.18 m S/ 4.17 S/ 9.08 4.2.3 Platina 1"x1/8" 1 3.74 m S/ 2.91 S/ 10.85 4.2.4 Recubrimiento 1 0.25 gal S/ 4 0.00 S/ 10.00 4.3 Accesorios - - - - S/ 14.00 4.3.1 Llave de paso de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 7.00 S/ 7.00 4.3.2 Multiconector 1 1.0 unid. S/ - S/ - 4.3.3 Niple tipo botella de Ø3/4" 1 1.0 unid. S/ 7.00 S/ 7.00 4.4 Mano de obra y otros - - - - S/ 150.00 Total: S/ 893.55 Fuente: Propia (2022) 5.2.1.5. Tuberías, mangueras, accesorios y otros Para hacer la conexión entres componentes se utilizó tuberías, mangueras, accesorios de conexión y otros (cinta teflón, formador de empaquetadura, etc.) Para la recepción del agua destilada se propone usar 2 bidones de 20 litros cada uno, esta capacidad no es estrictamente necesaria pudiendo ser mayor, menor o como se desee. El precio de estos elementos mencionados nos da un valor de S/. 113.94 siendo el elemento más elevado los bidones de recepción de agua destilada. Tabla 59 Precio de Tuberías, Mangueras, Accesorios y otros 212 5.0 Tuberias, mangeras, accesorios y otros Costo/ Item Nombre Cantidad Metrado Unidad Costo Unidad 5.1 Tuberias, mangeras, accesorios y otros - - - - S/ 1 13.94 5.1.1 Tubería de PVC de Ø3/4" 1 3.55 m S/ 9.17 S/ 3 2.54 5.1.2 Manguera de PVC de Ø3/4" 1 2.00 m S/ 2.00 S/ 4 .00 5.1.3 Manguera de PVC de Ø1/2" 1 3.60 m S/ 1.50 S/ 5 .40 5.1.4 Bidón de 20L 2 1.0 unid. S/ 3 0.00 S/ 6 0.00 5.1.5 Codo de Ø3/4" 4 1.0 unid. S/ 1.50 S/ 6 .00 5.1.6 Cinta teflón 6 1.0 unid. S/ 1.00 S/ 6 .00 Fuente: Propia (2022) 5.2.2. COSTO DEL AGUA POTABLE La estructura de costos del Agua Potable para el Distrito de Majes está dada por SEDAPAR, esta entidad varía el costo del agua según la clase y categoría tal y como se muestra en la siguiente tabla. Tabla 60 Estructura de Tarifas de Agua Potable para Distrito de Majes Tarifas Tarifas Rango de (Soles/m3) (Soles/litro) Clase Categoría consumo (m3) Agua Potable Agua Potable Social 0 a más 0.462 0.000462 0 a 10 0.462 0.000462 Residencial Doméstico 10 a 30 0.974 0.000974 30 a más 1.770 0.001770 Comercial 0 a más 2.927 0.002927 y otros No residencial Industrial 0 a más 2.927 0.002927 Estatal 0 a más 1.612 0.001612 Fuente: SEDAPAR (2021) La categoría que tomaremos como referencia para nuestro interés será la de “Domestica” entre el rango de 0 a 10 m3, cuyo costo es de 0.000462 soles por un litro de agua potable. 213 Si tomamos una producción promedio de agua pura (considerada como agua potable) de 12 litros por día a manera de ejemplo tendríamos que su costo sería de S/. 0.005544 tal como se muestra en el siguiente calculo: soles Costo = 12 litros ∗ 0.000462 litro Costo = 0.005544 soles En otras palabras, si hubiéramos consumido 12 litros de agua potable (en una vivienda, por ejemplo) SEDAPAR nos hubiera cobrado S/. 0.005544. Este es un caso supuesto porque en realidad no consumimos 12 litros sino más bien lo podríamos producir mediante Destilación Solar. Por otro lado, esta cantidad de agua (12 litros de agua tratada por destilación) no es del todo gratis, sino que provendría del agua de regadío (agua cruda) la misma que SEDAPAR toma del canal 3R para ser tratada en su Planta de Potabilización. Por lo que debemos conocer cuánto es el costo de este tipo de agua. 5.2.3. COSTO DEL AGUA DE REGADÍO La captación y distribución del agua de regadío está a cargo de la Junta de Usuarios de la Pampa de Majes, la cual se encarga a su vez el cobro por el uso del agua para riego de las parcelas en el Distrito de Majes. En la siguiente tabla podemos apreciar el costo en soles por metro cúbico y por litro de Agua para Riego. 214 Tabla 61 Tarifa del Agua para Riego de la Pampa de Majes Valor Valor Descripción Soles/m3 Soles/litro Retribución económica 0.00100 0.000001 Utilización infraestructura menor 0.01307 0.000013 Utilización infraestructura mayor 0.00334 0.000003 Total 0.01741 0.000017 Fuente: Junta de Usuarios Pampa de Majes (2022) El valor de nuestro interés es el Valor Total que es 0.000017 soles por un litro de Agua de Regadío. Este valor es referencial para el año 2022, pudiendo variar para el próximo año. Tomando los 12 litros de agua de regadío que requerimos para ser destilada tendríamos que su costo será de S/. 0,000204 tal como se muestra en el siguiente calculo: soles Costo = 12 litros ∗ 0.000017 litro Costo = 0.000204 soles En resumen, podemos afirmar que sí hubiésemos consumido 12 litros de Agua Potable de SEDAPAR hubiésemos pagado S/. 0.005544, pero destilando agua de regadío por medio de un Destilador Solar solo pagaríamos el costo del Agua de Regadío que es S/. 0,000204 ya que el costo del proceso de destilación solar es cero. La diferencia de estos dos valores es de S/. 0.00534 que es un valor muy insignificante y representan de cierto modo un ahorro monetario que nos brinda la destilación solar. 5.2.4. COSTO DEL AGUA DESTILADA De manera práctica podríamos afirmar que el costo del proceso de destilación solar es cero porque la energía solar es libre, por lo que el costo del agua destilada es el mismo que el 215 costo del agua cruda cuyo valor es 0.01741 soles por metro cúbico o de 0.000017 soles por litro tal como se muestra a continuación. Agua destilada: 0.01741 Soles/m3 ó 0.000017 Soles/litro La diferencia entre el Agua Potable y el Agua de Regadío es de S/. 0.4446 por m3 o S/. 0.000445 por litro, tal como se aprecia en la siguiente tabla: Tabla 62 Diferencia del Costo entre el Agua Potable y Agua para Riego Costo Soles/Metro cúbico Soles/Litro Costo del agua potable 0.4620 0.000462 Costo del agua de regadio 0.0174 0.000017 Diferencia 0.4446 0.000445 Fuente: Propia (2022) Podemos afirmar que se tiene una mayor diferencia (ahorro) cuando se llega a producir por ejemplo 1 m3 en vez de solo 1 litro de agua destilada. Ciertamente un Destilador Solar como unidad no llega a producir 1 m3 de agua. Por lo que la poca producción de agua al día que se consigue por este método es una de las mayores desventajas de la Destilación Solar. 5.2.5. RENTABILIDAD DEL SISTEMA PROPUESTO La siguiente tabla muestra el Costo total diario de producción de agua destilada utilizando el sistema de destilación solar propuesto en este proyecto. 216 Tabla 63 Costo total diario de producción de Agua Destilada Costo del Sistema Vida útil Depreciación Agua Destilada Costo Costo Costo total diario de Destilación Solar aproximada diaria promedio Agua Cruda Agua Cruda de producción de propuesto [años] (Línea recta) producida [soles/litro] utilizada Agua Destilada [soles] [soles] * [litros] ** [soles] [soles] *** 4358.23 15 0.81 9.03 0.000017 0.00015 0.81 Nota: * La depreciación diaria representa el "Costo diario por el uso del activo" (Sistema de Destilación) ** Agua destilada promedio producida para el mes de Junio para la configuración Nc=1 & Xw=2cm *** Costo total diario de producción (agua destilada) = Costo por el uso del activo (depreciación diaria) + Costo por el agua Fuente: Propia (2022) El costo total diario de producción de agua destilada por litro será entonces 0.090 soles/litro (0.81soles/9.03litros). Para analizar la rentabilidad del sistema propuesto tenemos dos casos particulares: El primero sería comparar el Costo total diario de producción de agua destilada con el Gasto diario de Agua Embotellada (agua de mesa o agua mineral) que tendríamos al comprar este tipo de agua para la misma cantidad de agua destilada promedio producida (9.03 Litros). El segundo caso sería comparar el Costo total diario de producción de agua destilada con el Costo diario de Agua Potable para la misma cantidad de agua destilada promedio producida. En la siguiente tabla se muestra lo descrito anteriormente. Tabla 64 Análisis de Rentabilidad del Sistema Propuesto Valor del Gasto diario de Costo diario Costo total diario Agua Destilada Costo del Agua Agua de Agua de producción de promedio producida Agua Potable Embotellada Embotellada Potable Agua Destilada [litros] [soles/litro] [soles/litro] [soles] [soles] [soles] 9.03 1.20 10.84 0.000462 0.00417 0.81 Fuente: Propia (2022) Como se aprecia en la tabla anterior el sistema de destilación solar propuesto (sistema utilizando un solo colector solar), es rentable para el primer caso porque el Costo total diario 217 de producción de agua destilada es menor que el Gasto diario de agua embotellada (S/. 0.81 < S/. 10.84). Teniendo un ahorro diario de 10.03 soles, con este valor el sistema de destilación propuesto se pagaría en 1.2 años ((S/.4358.23/S.10.03)/365dias). Sin embargo, para el segundo caso el sistema de destilación solar propuesto no parece ser rentable porque el Costo total diario de producción de agua destilada es mayor que el Costo diario de agua potable (S/. 0.81 > S/. 0.00417). Aun así, podemos concluir afirmando que invertir en un destilador solar es una decisión correcta para cubrir la demanda de al menos los litros de agua pura necesarios que se requiere diariamente para mantener el cuerpo hidratado o evitar enfermarse por consumir aguas contaminadas. Visto de otra forma ¿Cuánto cuesta la salud? 218 CONCLUSIONES Se diseñó y construyó un prototipo de Destilador Solar de Doble Vertiente que puede ser acoplado a uno o dos Colectores Solares de Placa Plana (FPC) para ser aplicado a la población rural del Distrito de Majes que carece del servicio de agua potable y cuyos resultados promedios obtenidos para el mes de Junio del presente año fueron: - 7.84 L/día (3.16 L/m2 por día), 9.03 L/día (3.64 L/m2 por día) y 10.21 L/día (4.12 L/m2 por día) para las configuraciones Nc=0, Nc=1 y Nc=2 respectivamente, a una profundidad de agua de 2cm. - 6.17 L/día (2.49 L/m2 por día), 8.42 L/día (3.40 L/m2 por día) y 9.68 L/día (3.90 L/m2 por día) para las configuraciones Nc=0, Nc=1 y Nc=2 respectivamente, a una profundidad de agua de 4cm. Se presentó a la destilación solar y a los diversos tipos de destiladores solares como una alternativa en la obtención de agua pura a pequeña escala (L/día). Se presentó el modelo térmico que describe el comportamiento del destilador solar, el cual está basado en los principios termodinámicos y de transferencia de calor. Así como también se presentó las ecuaciones para estimar la radiación solar incidente sobre el colector y alambique solar el cual tiene un valor promedio de 770 W/m2. Se utilizó el programa EES para resolver las ecuaciones que sustentan el comportamiento teórico del colector y destilador solar. Así también se utilizó este programa para realizar el análisis teórico respectivo. Se realizó el análisis de resultados experimentales para las siguientes configuraciones: Sistema de destilación solar sin colector solar, con 1colector solar y con 2 colectores solares, 219 obteniéndose una máxima producción de 10. 21 L/día (4.12 L/m2 por día) con 2 colectores solares a una profundidad del agua de 2cm, para el mes de Junio. Se realizó un breve análisis técnico que describe el estado y situación actual de la población rural del Distrito de Majes. Así también se realizó un breve análisis económico el cual describe el costo del sistema de destilación propuesto con un valor de S/. 4 358.23, además del costo del agua potable, agua de regadío (agua cruda) y agua destilada en soles/litro. Se presentó los planos necesarios para realizar la construcción de un destilador solar de doble vertiente, así como las indicaciones y sugerencias respectivas basadas en la experiencia vivida en este proyecto. 220 RECOMENDACIONES Para aumentar la producción de agua destilada diaria se recomienda realizar los siguientes ajustes y mejoras al sistema propuesto: disminuir la profundidad del agua en la fuente para las estaciones de otoño e invierno y aumentarla en primavera y verano, evitar cualquier fuga de vapor, cubrir el aislamiento térmico del evaporador, aislar las tuberías de conexión hacia los colectores solares. Se recomienda realizar un mantenimiento al sistema (evaporador y tanque de control) cada cierto periodo de tiempo (1 a 2 meses). También se recomienda mantener libre de polvo las cubiertas (vidrios) del alambique y colector solar. Se recomienda utilizar pernos y tuercas de acero inoxidable para las uniones interiores del alambique solar. Así también se recomienda utilizar accesorios de acero inoxidable. Se recomienda tener precaución en la manipulación de algunos componentes que pueden estar muy calientes y otros que son frágiles. Así mismo se recomienda utilizar elementos de protección personal para la manipulación de la lana de vidrio. 221 REFERENCIAS Abdessemed, A. (2018). Effects of tray shape of a multi-stage solar still coupled to a parabolic concentrating solar collector in Algeria. Renewable Energy. Retrieved from https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.08.074 ACNUR Comité Español. (2019). Escasez de agua en el mundo: Causas y consecuencias. 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