Desarrollo de Un Destilador Solar Con Lentes Fresnel

Dedicatoria y agradecimiento

 A Dios mi creador, quien me dio la fe la fortaleza, salud y esperanza para terminar este trabajo.

 A mi adorada hija Pamela quien me prestó el tiempo que le pertenecía para terminar y me motivo siempre con sus noticias, “No te rindas, adelante tu eres

fuerte, tu puedes” ¡Gracias, hermoso bebe!.

 A mi tutora y sinodales por su paciencia y guía profesional.

Este documento es un esfuerzo grande que involucra a muchas personas cercanas a mí, por lo que también dedico esta tesis a mi madre, mis hermanos, y a esos amigos que me han enseñado que la amistad existe y los llevo en mi  corazón.

ÍNDICE INTRODUCCIÓN

… … … … … … … … … … …… …… … … … … … … … … … … … … …

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CAPITULO I PROBLEMATIZACIÓN ................................................. .......................................................... ......... 1 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................... .................................................... ..... 1 1.2. OBJETIVOS ............................................... ......................................................................... ........................................... ................. 2 1.2.1. General ................................................................... .................................................................................... ................. 2 1.2.2. Específicos ................................................. .......................................................................... .............................. ..... 2 1.3. HIPÓTESIS ..................................................................... ........................................................................................... ...................... 3 1.4. JUSTIFICACIÓN ................................................. .......................................................................... .................................. ......... 4 1.5. ANTECEDENTES ................................................... ............................................................................ .............................. ..... 5

CAPITULO II MARCO TEÓRICO ................................. .......................................................... .............................. ..... 1 2.1. Agua ............................................................... ......................................................................................... ....................................... ............. 8 2.1.2. Propiedades físicas y químicas del de l agua ............................ ................................. ..... 8 2.1.3. Contaminación del d el agua ................................................. ........................................................ ....... 10 2.1.4. Tratamientos de purificación del agua ................................... ................................... 10 2.1.5. Tipos de agua para purificación y consumo c onsumo humano ............. 12 2.2. Destilación .................................................. ............................................................................ ......................................... ............... 13 2.3. Procesos físicos de la destilación ................................................. ........................................................ ....... 15 2.3.2. Condensación ......................................................... ........................................................................ ............... 15 2.4. Aparato de destilacion ................................................. ......................................................................... ........................ 16 2.5 Agua mineral o agua destilada .................................................. ............................................................. ........... 17 2.6. Energía ................................................... ............................................................................ ............................................. .................... 21 2.6.1. Energías agotables ..................................................... ................................................................ ........... 21 2.6.2. Energía renovable ................................................... .................................................................. ............... 22 2.7. Colector solar ................................................. ........................................................................... ..................................... ........... 23 2.8. Captadores Captadores solar de baja temperatura ............................................... ............................................... 23 2.9. Captadores solar de alta temperatura ................................................. ................................................. 24 2.10. Lente Fresnel ................................................. .......................................................................... .................................... ........... 25 2.9.1. Principio de funcionamiento ............................................... .................................................. ... 26

2.1 MARCO LEGAL ................................................................................... 29

CAPITULO III METODOLOGÍA ................................................................. 30 3.1. METODOLOGÍA .................................................................................. 31 3.2. Materiales ............................................................................................ 31 3.3. Instrumentos, equipo y accesorios ...................................................... 31 3.4. Construcción del prototipo ................................................................... 31 3.4.1. Primera Sección ..................................................................... 31 3.4.2. Segunda Sección ................................................................... 33 3.4.3. Tercera Sección ..................................................................... 36 3.4.4. Cuarta sección ....................................................................... 37 3.5. Acabado del prototipo de destilador solar ........................................... 41 3.6. Pruebas experimentales ..................................................................... 43 3.6.1.Evaluación preliminar ........................................................................ 43 3.6.2. Primera fase ........................................................................... 43 3.6.3. Prueba preliminar calidad del destilado ................................ 44 3.7.Segunda fase ....................................................................................... 44 3.7.1. Proceso experimental del sistema de calentamiento solar .... 44 3.7.2. Prueba y resultado al sitema de calentamiento solar ............ 46 3.7.2. Prueba preliminar para la calidad del destilado...................... 46 3.8. Lugar donde se realizaron las pruebas del prototipo. ......................... 46 3.9. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................ 47 3.9.1. Resultados de la primera fase .......................................................... 47 3.9.2.Resultados de la segunda fase ......................................................... 47 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 49 Conclusiones .............................................................................................. 50 Recomendaciones ...................................................................................... 51 Bibliografía.................................................................................................. 52  ANEXOS..................................................................................................... 54

ÍNDICE DE FIGURA Figura 1 Aparato de destilación ........................................................................ 16 Figura 2 Calentador solar como captador de baja temepratura ........................ 24 Figura 3 Colector solar de alta temperatura ...................................................... 25 Figura 4 Lente Fresnel ...................................................................................... 25 Figura 5 Lente Fresnel de 1 x 1 m, 500 soles ................................................... 28 Figura 6 Cuerpo del evaporador ....................................................................... 32 Figura 7 Cuerpo del evaporador ....................................................................... 33 Figura 8 Serpentín ............................................................................................ 34 Figura 9 Aros para ecurrimiento del liquido condensado, colocado en el interior  del condensador ............................................................................................... 35 Figura 10 Flotador colocado en el extremo inferior del serpentín .................... 36 Figura 11 Sistema de salida del liquido condensado. ....................................... 37 Figura 12 Lentes Fresnel, colocadas en la circunferencia del evaporador y por  encima de este.................................................................................................. 38 Figura 13 Abrazadera, ubicada en la circunferencia del condensador. ............ 39 Figura 14 Abrazadera, colocada a la circunferencia del condensador,........... 40 Figura 15 Los marcos soportan las lentes F. ................................................... 41 Figura 16 Prototipo de destilación solar terminado ........................................... 42 Figura 17 Proceso llevado a cabo las pruebas de funcionalidad. ................... 43 Figura 18 Proceso del sistema de calentamiento solar con lentes Fresnel. ..... 45

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Propiedades más importantes del agua ................................................. 9 Tabla 2 Contaminates del agua y posibles tratamientos .................................. 11 Tabla 3 Tipos de aguas más aptas para purificaón .......................................... 12 Tabla 4 Principales tipos de destilación ............................................................ 14 Tabla 5 Comparación entre distintos sistemas de depueración de agua .......... 20 Tabla 6 resultados de las pruebas experimental sobre la funcionalidad de ...... 44 Tabla 7 Resulatdos de la prueba de calidad del destilado ................................ 46

ANEXOS  Anexo 1 Evaporador ........................................................................................ 54  Anexo 2 Serpentín colocado en el interior del condensador ............................ 54  Anexo 3 Vista de cuerpo entero del destilador ............................................... 54  Anexo 4 Resgistro de patente .......................................................................... 54

INTRODUCIÓN El agua, es el recurso natural más importante y la base de toda forma de vida. Conociendo la importancia vital del agua, debemos estar informados sobre los problemas por los que atraviesa el agua, las dificultades a enfrentar si falta o si está contaminada. En México la concentración de la población y la actividad económica han creado zonas de alta escasez de agua, no sólo en las regiones de baja precipitación pluvial sino también en zonas donde eso no se percibía como un problema al comenzar el crecimiento urbano o el establecimiento de agricultura de riego. Tan sólo para ilustrar la situación extrema del agua, podemos mencionar que, según cálculos de la Comisión Nacional del Agua, 101 acuíferos de un total de 600 están sobre explotados, otros se encuentran disminuidos en su cauce y la mayoría de alguna manera contaminados.  Al problema de escasez, contaminación de agua, se suma el inconveniente inco nveniente de purificar el agua para consumo humano, que en su proceso o en alguna parte de él, hace uso de algún tipo de energía no renovable, siendo origen de una buena parte de los contaminantes en la atmósfera, además del costo económico. En

consecuencia

es

necesidad,disminuir,

remediar

o

solucionar

los

inconvenientes que esto representa, desde múltiples aspectos. Actualmente con el objeto de solucionar la problemática, se esta haciendo tecnología, la cual hace uso de energía renovable, pero todavía esta en crecimiento e investigación. Lo que significa, que debemos crear, desarrollar tecnología de purificación de agua, que comprenda el uso de energias renovables. Por consiguiente, el desarrollo de un prototipo de destilación solar, resulta una opción para purificación de agua cruda o ligeramente contaminada. El cual para

llevar a cabo el proceso de destilación, obtenga la energía térmica del sol a través de un captador solar de alta temperatura (Lentes Fresnel). Así mismo se ha desarrollado el prototipo de destilación solar por la presente autora.  Actualmente en nuestro país como en todo el mundo, existe el problema de escacez y contaminación del agua, por la importancia que esta tiene en nuestras vidas es fundamental el desarrollo de tecnología amigable con el ambiente. Por este motivo, el desarrollo de un prototipo de destilación es una opción al desarrollo de otros prototipos con estas caracterisiticas y asi mismo estos fueran susceptibles de ser mejorados.

CAPITULO I PROBLEMATIZACIÓN

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA De los problemas que debemos afrontar los seres humanos es la escasez de agua. Los abastecimientos de agua disminuyen, mientras que la demanda crece sorprendentemente, otro problema es la calidad de agua, las personas enferman o mueren debido al agua potable contaminada y saneamiento deficiente. En contraste a lo anterior, los tratamientos de purificación de agua son caros y contaminan, en este contexto, la destilación es una opción de purificación del agua contaminada. Sin embargo, la mayoría de las veces se emplea energía de origen fósil lo que hace de mayor costo a su procesos, además en la combustión de este tipo de energía se emiten contaminantes a la atmósfera. En consecuencia, es conveniente crear equipos térmicos que permitan el uso de energía solar para llevar a cabo el proceso de destilación del agua como medio de purificación y en resultado disminuir problemas de escasez de agua potable, emisiones de contaminantes a la atmósfera y disminuir los costos de proceso.

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1.2. OBJETIVOS 1.2.1. General Desarrollar un prototipo de destilador solar para agua cruda.

1.2.2. Específicos  Analizar los tipos de destiladores actuales para agua cruda 

Diseñar un prototipo de destilador solar para agua



Construir el prototipo de destilador solar 



Probar la eficiencia del destilador solar 



Evaluar la calidad del agua tratada

2

1.3. HIPÓTESIS Mediante el desarrollo de un prototipo de destilador que utiliza energía solar en lugar de energía no renovable, será posible obtener agua más limpia a partir de agua cruda.

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1.4. JUSTIFICACIÓN Desarrollar prototipos de destilación solar e introducir el uso de estos, sería de gran beneficio socio-económico-ambiental. Esto podría lograrse, considerando que la destilación es un proceso de purificación relativamente fácil, aplicando para su proceso energía térmica solar a través de dispositivos de concentración solar de alta temperatura, además incluir en su diseño la durabilidad, diferente capacidad y de fácil uso. Una vez utilizados, serían una buena aplicación para potabilización de aguas superficiales, como ríos lagos y aguas subterráneas, es decir ligeramente contaminadas. Resultaría especialmente útil para las zonas serranas costeras en las cuales la lejanía o economía son el factor restrictivo al agua de consumo humano. En su aplicación también se encontrarían beneficios económicos, ya que al dejar atrás el uso de energía no renovable se reduciría los costos de procesos de purificación. Otra de las garantías de esta aplicación seria la disminución de emisiones de contaminantes a la atmósfera, ya que son el resultado de la combustión de energéticos de origen fósil. Resumiendo, el desarrollo de prototipos de destilación, que utiliza energía solar  en lugar de energía no renovable para obtener agua de consumo humano o potable, sería de beneficios e importancia social, económica y ambiental.  Asimismo, se esperaría fuera susceptible de mejorar cada vez su diseño.

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1.5. ANTECEDENTES Los principios básicos de la destilación solar ya eran conocidos desde hacía muchos años cuando se construyó en Chile en 1872 la primera instalación importante. Este destilador solar, ubicado en Las Salinas, en una zona desértica, fue descrito por el ingeniero J. Hardin del Instituto de Ingeniería Civil en Londres en 1883. Lo describe como una instalación cubierta de vidrio, que abarcaba una superficie de 50,000 pies cuadrados y producía un máximo de 5000 galones por día; de agua destilada para abrevar mulas. El tiempo que funcionó fue aproximadamente 40 años. Durante la segunda Guerra mundial se diseñaron destiladores plegables para uso en valsas salvavidas. Estos consistían en unidades circulares de plástico, con fondo cónico provisto de peso y una parte superior hemisférica, que una vez infladas flotaban en el mar. Bajo el casquete de plástico el vapor que se formaba se condensaba, el destilado se acumulaba en el fondo del cono. Este dispositivo se fabricó en considerables cantidades (UNIDAS, 1972) Después, de la segunda guerra mundial se diseñaron y construyeron en los Estados Unidos de América, en la Universidad de California varios pequeños destiladores experimentales con cubiertas de vidrio. Aproximadamente por la misma época en las Islas Vígenes se construyeron varios diseños de destiladores entre ellos los de estanque. Mas tarde, la unidad del tipo de estanque fue modificado por los franceses y españoles para la instalación de las Marinas. En la actualidad se hallan en marcha proyectos de perfeccionamiento de los destiladores de estanque de sistema de propósito múltiple y producción combinada, es decir que puede producir tanto sal como agua, asimismo funcionan con energía combinada es decir energía eléctrica y solar.

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 Actualmente se ha comenzado la introducción de destiladores solares con sistemas fotovoltaicos autónomos, como por ejemplo el instalado en la comunidad de Santamaría del Loreto en Santiago de Cuba que fue electrificada con una Central Fotovoltaica de 25 kW para la generación de electricidad. Produce agua pura a bajo costo; ideal para beber, cocinar, infusiones, café, biberones etcétera. En México la destilación solar se ha desarrollado en proyectos de investigación de instituciones educativas y de forma aislada en algunos proyectos para proveer agua potable a comunidades costeras aplicando destilación indirecta De estos últimos resalta el realizado en La Paz, Baja California Sur, dicha instalación producía alrededor de 20 m3 por medio de colectores cilíndricoparabólicos. Otra instalación importante se llevó a cabo en Puerto Chale, B.C.S., para proveer de agua potable a esta comunidad pesquera. También destaca la planta construida en Puerto Lobos, Sonora, con el mismo propósito que la anterior. En la investigación los avances realizados en destiladores de canal largo y destiladores indirectos por la UNAM en conjunto con la UABCS y el I.T. de La Paz, así como el desarrollo de diversos prototipos de destiladores tipo caseta y de otros tipos destacan los trabajos realizados en el ITESO y el CINVESTAVMérida. Por último, existen grandes instalaciones de destiladores en diversas partes del mundo, notablemente en países con escasez de agua pero con acceso al mar  como Israel, Islas Canarias y en diversas islas áridas del mediterráneo y otros. De modo que en varios lugares se investiga sobre el desarrollo de nueva tecnología para destilar agua de consumo humano.

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CAPITULO II MARCO TEÓRICO

2.1. Agua El agua (latín aqua) sustancia transparente, inodora e insípida, que se encuentra en estado líquido a temperatura y presión estándar. Su composición molecular es de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En realidad el agua es una sustancia de propiedades poco frecuentes, que la diferencian mucho tanto física como químicamente de la mayoría de los líquidos corrientes. Es el compuesto más abundante en los organismos vivos, ya que constituye el 70 a 90 por ciento del peso de la mayor parte de las formas de vida, asimismo la fase continua de los organismos. A causa de su abundancia y ubicuidad ningún tipo de vida es posible, sin agua (Lehninger, 1991).

2.1.2. Propiedades físicas y químicas del agua El agua está en constantemente movimiento en el ciclo del agua, es una sustancia de propiedades físicas y químicas representativa para la vida sobre la faz de la tierra. Muestra de ello, es el alto índice específico de calor, en virtud de ello los seres vivos como el planeta logran regular su temperatura. También, tiene una tensión superficial muy alta, esta propiedad confiere al agua la característica de ser pegajosa y elástica, por lo que tiende a unirse en gotas en lugar de separarse, de este modo el agua puede moverse a través de las raíces de las plantas y a través de los pequeños vasos sanguíneos del cuerpo humano. También, es considerada el disolvente universal, ya que prácticamente disuelve casi todos los cuerpos sólidos. Las plantas se nutren de sustancias minerales que hay en la tierra, esas sustancias, tienen que ser disueltas antes por el agua para poder entrar en la planta, lo mismo sucede con los demás seres vivos. Su importancia reside, en que casi la totalidad de los procesos que ocurren en la naturaleza y en los organismos vivos es gracias a sus propiedades. En la Tabla 1 se sintetizan las propiedades mas importantes del agua. 8

PROPIEDADES FÍSICOQUIMICAS DEL AGUA Disolvente

Es lo más cercano al solvente universal.

Cohesión

Propiedad con la que las moléculas de agua se atraen entre sí, lo que permite que el agua se mantenga líquida a temperaturas no extremas.

 Adhesión

Tensión superficial

El agua, por su gran potencial de polaridad, generalmente es atraída y se mantiene adherida a otras superficies. La polaridad del agua se da por la geometría tetraédrica irregular de sus átomos de hidrógeno, oxígeno y su alta electronegatividad. Lo que le confiere gran capacidad de atraer electrones de enlace hacia sí y otros. El agua tiene gran atracción entre las moléculas de su superficie, La superficie del líquido se comporta como una película capaz de alargarse y con cierta resistencia al intentar romperla; por lo que algunos objetos flotan en la superficie del agua.

Cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura, en un grado Celsius, a Calor específico. un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C•g, que es igual a 4,1840 J/Kg. Temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido o a Punto de fusión la inversa. Temperaturas de fusión del agua a 1 atm es de 0 °C. La evaporación del agua puede producirse prácticamente a cualquier temperatura entre 0 y 100 ºC a presión atm. Las moléculas de agua adquieren suficiente evaporación. energía cinética y escapan de la atracción de las otras moléculas a la atmosfera. Fenómeno que también depende del aire y humedad relativa. Cuando se alcance una temperatura tal, para la cual, el valor de la presión de Punto de vapor saturado del líquido en cuestión, sea igual al valor de la presión atmosférica, Ebullición la evaporación se producirá en toda la masa del líquido, se dice entonces que el líquido entra en ebullición (hierve). Cantidad de masa contenida en un determinado volumen. La densidad del agua Densidad. varía cuando cambia la presión y temperatura. Presión de la fase gaseosa sobre la fase líquida a temperaturas por debajo del punto ebullición. Entre más vapor en un sistema cerrado la presión aumenta no Presión de vapor  de forma indefinida y hay un valor de presión para el cual por cada molécula que logra escapar del líquido necesariamente regresa una de las gaseosas a él, por lo que se establece un equilibrio y la presión no sigue subiendo. Temperatura de

Tabla 1 Propiedades más importantes del agua

Fuente: (Boys & Nogués Acuña)[email protected] 

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2.1.3. Contaminación del agua Se considera agua contaminada, cuando su composición o su estado están alterados de tal modo que ya no reúne las condiciones de utilización a las que se hubiera destinado en su estado natural. Para la contaminación del agua debe considerarse también, tanto las modificaciones de las propiedades físicas, químicas y biológicas del agua, como los cambios de temperatura provocados por emisiones de agua caliente. (OMS, 2011) La contaminación puede ser de origen natural pero también puede existir otra muy notable de procedencia humana. La primera el agua al caer con la lluvia por enfriamiento de las nubes arrastra impurezas del aire. Al circular por la superficie o a nivel de capas profundas, se le añaden otros contaminantes químicos, físicos o biológicos. Puede contener productos derivados de la disolución de los terrenos: calizas (CaCO3), calizas dolomíticas (CaCO 3-Mg CO3), yeso (CaSO4-H2O), anhidrita (CaSO4), sal (NaCl), cloruro potásico (KCl), silicatos, oligoelementos, nitratos, hierro, potasio, cloruros, fluoruros, así como materias orgánicas. En la segunda de procedencia humana por actividades agrícolas, ganaderas o industriales, en la mayoría de las veces hace sobrepasar la capacidad de autodepuración de la naturaleza.  Al ser recurso imprescindible para la vida humana y para el desarrollo socioeconómico, industrial y agrícola, una contaminación a partir de cierto nivel cuantitativo o cualitativo, puede plantear un problema de Salud Pública.

2.1.4. Tratamientos de purificación del agua Dada su importante, el agua destinada al consumo humano, antes de su distribución, debe ser sometida a tratamiento de purificación y desinfección (Lesur, 1996) En la Tabla 2, se exponen los contaminantes del agua mas frecuentes así mismo posibles tratamiento entre ellos la destilación.

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CONTAMINANTE

TRATAMIENTO

CONTAMINACIÓN  MICROBIOLÓGICA

Clorinación, ozonificación, radiación ultravioleta y destilación.

Coliformes fecales Filtración fina, clorinación, ozonificación, radiación ultravioleta y

Giardia Lamblia

destilación. Filtración fina, osmosis inversa, carbón activado, radiación

Turbidez

ultravioleta destilación.

CONTAMINANTES INORGÁNICOS

Resinas

de

intercambio

iónico(Zeolitas),

osmosis

inversa,

destilación

Cobre (10 ppm)

Resinas de intercambio iónico, osmosis inversa, destilación.

Sodio (20 ppm ) Flúor (4 ppm)

Resina de intercambio iónico, osmosis inversa y destilación.

 Arsénico (0,05 ppm)

Resina de intercambio iónico, osmosis inversa, coagulación con filtración, destilación. Resina de intercambio iónico, osmosis inversa, suavización,

Bario (2 ppm)

destilación.

Cadmio (0.005 ppm)

Resina de intercambio iónico, osmosis inversa, coagulación con filtración, destilación. Coagulación con filtración, resinas de intercambio iónico,

Cromo(0.1 ppm)

suavización, osmosis inversa, destilación.

Plomo( 0.015 ppm) Mercurio (0.002ppm) selenio

Resinas de intercambio iónico, osmosis inversa, coagulación con filtración, suavización, carbón activado granular, destilación. Carbón activado, suavización, osmosis inversa, coagulación con filtración, destilación.

CONTAMINANTES. ORGÁNICOS  Acilamina, benceno,

Carbón activado granular.

plaguicidas, herbicidas, RADIONUCLEIDOS Desechos radioactivos, depósitos de uranio

Osmosis inversa, resinas de intercambio iónico, suavización a pH elevado.

Tabla 2 Contaminates del agua y posibles tratamientos Fuente: Manual de purificación del agua Luis Lesur,1996

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2.1.5. Tipos de agua para purificación y consumo humano La depuración de agua contaminada para consumo humano, consiste en retirar  de una manera u otra los contaminantes. Eliminarlos implica algún tipo de tratamiento, asimismo, un costo económico, relacionado con el grado de contaminación del agua y objeto de la purificación. Por consiguiente, la caracterización permite la selección de agua que represente la menor dificultad en el tratamiento de purificación. En la tabla 3 se muestra ciertos tipos de agua con mayor posibilidad para tratamiento de purificación. TIPO DE AGUA

AGUA MAS APTA PARA LA PURIFICACIÓN  Agua en la que la concentración de sales es relativamente alta (más de 10

Salada

000 mg/l).  Agua que contiene sal en una proporción significativamente menor que el

Salobre

agua marina. Entre 1000 - 10 000 mg/l.  Agua natural con una baja concentración de sales, o generalmente

Dulce

considerada adecuada, previo tratamiento, para producir agua potable. La dureza está determinada por el número de átomos de calcio y magnesio

Dura

presentes. El jabón se disuelve malamente.  Agua sin dureza significativa.

Blanda Cruda o bruta

 Agua que no ha recibido tratamiento de ningún tipo, o agua que entra en una planta para su ulterior tratamiento. Se define como aguas bacteriológicamente sanas extraídas de yacimientos

Mineral

subterráneos y que brotan de un manantial en uno o varios puntos de alumbramiento naturales o perforados. Pero actualmente muchos de ellos están contaminados.  AGUA PAPA CONSUMO HUMANO Fines domésticos e higiene personal, así como para beber y cocinar; Agua

Potable

potable cuyas características microbianas, químicas y físicas cumplen con las pautas de la OMS o los patrones nacionales sobre la calidad del agua potable (UNICEF. 2011)

Destilada

Es el liquido obtenido alcondensar el vapor producido por el agua al hervir. Tabla 3 Tipos de aguas más aptas para purificaón Fuente: Manual de purificación del agua Luis Lesur,1996, www.oms.gob.com/articulos.

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2.2. Destilación La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren ligeramente, no se puede conseguir  la separación total en una destilación individual. Un ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100°C, y alcohol, que hierve a 78.6°C. Si se hierve una mezcla de estos dos líquidos, el vapor que sale es más rico en alcohol y más pobre en agua que el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la que puede obtenerse por fermentación) para obtener una disolución que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones (Rajiv, Jorapur, & Rajvanshi, 1991). La destilación es el método más utilizado para separar y purificar mezclas y líquidos. Tiene innumerables aplicaciones en la industria y en laboratorio. Se usa con fines muy variables: para purificar un componente separándolo de otra sustancia que se introdujo en el curso de su elaboracion, para separar dos componentes valiosos o dos disolventes que luego se recuperan y recirculan devolviendose al proceso original (ENCARTA, 2008) En la tabla 4 se exponen los principales tipos de destilación 13

PRINCIPALES TIPOS DE DESTILACI N Destilación simple los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual los refresca y condensa de Destilación simple

modo que el destilado no resulta puro. Su com posición será idéntica a la composición de los vapores a la presión y temperatura dados y pueden ser computados por la ley de Raoult. Es una variante de la destilación simple que se emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con punto de ebullición cercanos.

Destilación

La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de

fraccionada

una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos". Es la operación complementaria de destilación del crudo procesado en la unidad de destilación atmosférica, que no se vaporiza y sale por la

Destilación al vacío

parte inferior de la columna de destilación atmosférica. El vaporizado de todo el crudo a la presión atmosférica necesitaría elevar la temperatura por encima del umbral de descomposición química y eso, en esta fase del refino de petróleo, es indeseable. Si dos líquidos insolubles se calientan, ninguno de los dos es afectado por la presencia del otro (mientras se les remueva para que el líquido

Destilación por 

más ligero no forme una capa impenetrable sobre el más pesado) y se

vapor 

evaporan en un grado determinado solamente por su propia volatilidad. Por lo tanto, dicha mezcla siempre hierve a una temperatura menor que la de cada componente por separado. Si una columna larga que contiene una mezcla de gases se cierra herméticamente y se coloca en posición vertical, se produce una separación parcial de los gases como resultado de la gravedad. En una

Destilación molecular centrífuga

centrifugadora de alta velocidad, o en un instrumento llamado vórtice, las fuerzas que separan los componentes más ligeros de los más pesados son miles de veces mayores que las de la gravedad, haciendo la separación más eficaz Tabla 4 Principales tipos de destilación

Fuent: ENCARTA 2008. http://es.encarta.msn.com/encyclopedia

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2.3. Procesos físicos de la destilación Para que ocurra la destilacion es necesario que se lleven a cabo dos fenómenos físicos, la evaporacion y condensacion.

2.3.1. Evaporación La evaporación es un proceso físico en el que un líquido o un sólido se convierte gradualmente en gas. Considerando que en este proceso el agua se calienta al absorber energía calórica del sol, suponiendo la fuente de energía es el sol y que esto permite culminar la fase. La energía necesaria para que un gramo de agua se convierta en vapor es de 540 calorías a 100 ºC valor  conocido cómo calor de evaporación. Hay dos tipos de vaporización: la ebullición y la evaporación. La ebullición, es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de gas. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. La diferencia entre la evaporación y la ebullición, es que en la evaporación, el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido. También se encuentra en que en una se necesita mayor cantidad de calor para que suceda la reacción y los vapores se desprenden de todo el seno de la masa  Agua (King, 1988).

2.3.2. Condensación La condensación es el cambio de estado de la fase vapor a la fase líquido. El vapor que condensa puede ser un vapor puro, una mezcla de vapores no miscibles o un vapor mezclado con un gas (el gas no condensará) aquí solo se tratará condensación de un vapor puro. Dicho de otra manera es el fenómeno inverso de la vaporización. Debido a paredes frías con la función de extraer el calor (Pedro R., 2000). a) Para que se produzca condensación, es necesario la existencia de una superficie fría (p. ej., la de un tubo). Existen dos tipos de condensación: 15

Condensación en forma de gota. El vapor condensa en forma de pequeñas gotas sobre la superficie fría. Esas gotas se van desprendiendo de la superficie y en su lugar van formándose gotas nuevas. (Pedro R. 2000). b) Condensación por película descendiente es muy utilizada. Se puede

producir en el interior o exterior de tubos verticales o sobre placas planas verticales. Las gotas liquidas que se forman por enfriamiento, se adhieren a la pared debido al efecto de las fuerzas de tensión superficial, y constituye una película de espesor que va creciendo en sentido descendiente. Esta película se acumula y desciende al fondo del aparato (Pedro R., 2000)

2.4. Aparato de destilacion Técnicamente el término alambique se aplica al recipiente en el que se hierven los líquidos durante la destilación, pero a veces se aplica al aparato entero, incluyendo la columna fraccionadora, el condensador y el receptor en el que se recoge el destilado. Este término se extiende también a los aparatos de destilación destructiva o craqueo. Los alambiques para trabajar en el laboratorio están hechos normalmente de vidrio, pero los industriales suelen ser de hierro o acero, otros se están desarrollando y mejorando los destiladores solares.En la figura 1 se muestra de un destilador y partes de su proceso

Figura 1 Aparato de destilación Destilación y tipos de destilación.www.alambiques.com

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2.5 Agua mineral o agua destilada Que es mejor beber agua destilada o agua mineral. Si se pregunta a los médicos la mayoría le responderá que el agua destilada es apta en el consumo humano, ya que los minerales necesarios y en su mejor forma los podemos obtener de los alimentos. La importancia del agua en la salud está fuera de toda duda, Sin embargo, hay algo que está en si es mejor beber agua mineral o destilada. Es verdad que no es lo mismo beber agua de grifo en la ciudad o agua de grifo que agua de manantial, entre éstas hay diferencias, especialmente en lo que al grado de mineralización se refiere: cuantos menos minerales tenga mejor es para el consumo. A fin de cuentas los minerales del agua no se asimilan por el organismo y deben ser eliminados; si alguien bebe agua rica en minerales puede terminar logrando tener piedras en los riñones y los conductos urinarios así como en las paredes intestinales, las arterias, las articulaciones, el hígado y hasta el corazón, a veces corroyendo incluso los tejidos. Porque los minerales del agua son minerales inorgánicos y nosotros al igual que los animales sólo podemos asimilar los minerales orgánicos (Dr. Ams, 1987). Es decir, son sólo las plantas las que pueden absorber por las raíces los minerales inorgánicos quedándoselos y transformándolos en orgánicos, en asimilables por animales y humanos y son también las plantas frutas y verduras las que transforman el agua que absorben de la tierra en agua destilada, libre de minerales inorgánicos, pura y además en forma de cristal líquido. Según los cálculos de los expertos a lo largo de la vida una persona que bebe agua dura no destilada puede llegar a ingerir el equivalente a 450 vasos de minerales sólidos. Residuos que si no se eliminan se derminan acumulando o tederiorando tejidos dando lugar a numerosas dolencias y sólo hay una manera de prevenir ese problema: eliminar los minerales inorgánicos, ingiriendo agua desmineralizada, preferentemente destilada. 17

Beber agua lo más pura posible lo que por una parte, se consigue ingiriendo el agua biológica de las frutas y verduras -destilada naturalmente y, por otra, utilizando medios mecánicos de purificación. Es decir, mediante filtros, aparatos que eliminen el máximo posible de impurezas y elementos patógenos. Obviamente en las grandes poblaciones urbanas las llamadas aguas potables han sido ya sometidas a un proceso de purificación y se supone que son aptas para el consumo pero la verdad es que su calidad es en general bastante discutible. Porque no hablamos sólo de su dureza, de que sea salina o calcárea, sino también de los microorganismos que no se eliminan con tales procesos a pesar del cloro añadido. Por eso en muchas poblaciones la instalación de métodos de purificación de agua en los domicilios, oficinas e instalaciones públicas sea una necesidad decisiva y hablamos básicamente de tres posibilidades: a) Filtros, eliminan del agua la arena, el mal olor, el cloro y la mayoría de los contaminantes orgánicos como los pesticidas, los herbicidas, el benceno, los trihalometanos (THM) y los policlorobifenilos (PCB). b) Dispositivos de ósmosis inversa: además de lo anterior, eliminan contaminantes inorgánicos como el arsénico, el boro, el cadmio, el calcio, el cromo, el cobre, el plomo, la plata, el manganeso, el mercurio, los sulfatos, los cloruros, el sodio, el selenio y el zinc, hierro, nitratos, sulfuros, virus, no así el cloro, además de los contaminantes radiactivos estroncio 90 y radio 226 y 228, un contaminante orgánico como el tanino e, incluso, la mayor parte de las microalgas, bacterias, hongos y mohos presentes en el agua. c) Destiladoras al vapor: los aparatos de agua destilada si eliminan todos los contaminantes mencionados sin excepción: los inorgánicos, los orgánicos, los radioactivos y los biológicos. Siendo algunos de excelente calidad y precio muy asequible. Sin pérdida de agua 18

La destilación por vapor, es en realidad el procedimiento utilizado por la naturaleza para purificar el agua. La diferencia está en que en la naturaleza el vapor se crea por efecto del calor del sol y en la destiladora el calor se consigue con electricidad haciendo hervir el agua; y en la naturaleza el vapor se condensa por las bajas temperaturas de la atmósfera produciendo lluvia o nieve y en la destiladora se logra haciendo pasar el vapor por espirales que la enfrían. Pero en ambos casos las impurezas se eliminan. Debido a las constantes cuestiones sobre la diferencia entre destilación de vapor de agua y otros procesos de purificación Dr. Marc Ams, de su libro Water Connectionen, muestra e identifica que elementos son capaces de eliminarse y cuáles no con cada tratamiento. Él, hizo una comparación entre los diferentes procesos de purificación de agua para consumo humano. Esto es la entre destilación, osmosis inversa y filtros de carbón En sus investigaciones él resume y muestra que la destilación es uno de los procesos que mas elementos contaminates elimina del agua, siguiendo a este la osmosis inversa, por último los filtros de carbon, como puede observarse en la tabla 5. Mas tarde, Lexis Carrol -premio Nobel de Medicina en 1912 llegó a relacionar el agua con la inmortalidad: La célula es inmortal. En realidad es el fluido en el que flota, básicamente agua, lo que degenera. Por tanto, renovando ese fluido a intervalos proporcionaríamos a las células lo que necesitan para su alimentación y, hasta donde nosotros conocemos, el pulso de la vida continuaría para siempre, por lo que resulta necesario tomar el agua en abundancia y lo más pura posible para lograr células siempre sanas.

19

Tabla 5 Comparación entre distintos sistemas de depueración de agua Fuente: http://www.fabricatuagua.com

20

2.6. Energía El concepto de energía esta relacionado con la capacidad de poner en movimiento o transformar algo. Tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía la energía se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla, y luego darle un uso industrial o económico. Entendida como un recurso natural, la energía nunca es un bien es sí misma, sino que es un bien intermedio que permite satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios. La energía también puede clasificarse según sus fuentes. Se llaman energía renovable a aquella que proviene de fuentes agotables, como la procedente del petroleo y el carbón o el gas natural. En cambio la energía renovable es relativamente infinita.

2.6.1. Energías agotables Las fuentes de energía primarias agotables son aquellas de las cuales hay una cantidad limitada, se conozca o no esa cantidad. Las fuentes primarias agotables almacenadas en la tierra son difíciles de evaluar y, por ello, hay una gran disparidad en las cifras de reservas sobre todo, que se dan sobre todo cuando en la evaluación se tienen criterios económicos y peor aún, cuando interviene interese comerciales. En cualquier caso, conviene hacer hincapié en que la cantidad total es finita y el coste de extracción suele estar relacionado con las tecnologías correspondientes y con las leyes del mercado, incluyendo al gobierno.

21

De entre las agotables en orden de distribución de energía primaria a nivel mundial y de mayor abundancia y uso, se encuentra, el petróleo 33%, carbón 23%, gas natural %, 18% energía renovables 18%, nuclear.  Al día de hoy, el petróleo sigue manteniendo una cierta hegemonía pero disminuyendo también su participación relativa a nivel mundial y el combustible gaseoso aumenta su participación de manera firme. Un estudio de Worldwatch Institute predice que para el 2050 no se hará uso del carbón por razones medio ambientales y para el 2100 ya no se consumirá petróleo y el hidrogeno habrá sustituido al gas natural como vector energético gaseoso. (Valeriano, 2006) Según parece apuntarse por todos los especialistas el hidrógeno será en efecto el combustible predominate. Pero el hidrógeno no es una fuente energética primaria, no hay minas pozos de hidrogeno. Hay que obtenerlo a partir de sustancias que lo contengan. Sin duda el agua y gas metano para obtenerlo. Pero la elaboración de hidrógeno implica tecnología cara que ahora se encuentra en proceso.

2.6.2. Energía renovable Las fuentes de energía primaria de carácter renovable son aquellas cuya disponibilidad se repite en el tiempo según periodos fijos o variables y en cantidades también variables. Ejemplo típico son la energía

solar, eólica,

hidráulica, biomasa, etc. Por lo que se refiere a la energía renovable es aún más difícil que en las agotables hacer la valoración del recurso de manera absolutamente general y precisa, lo cual no quiere decir que no se puedan dar algunos valores y datos sobre su distribución espacial y temporal. La duración de las reservas de las fuentes renovables de energía no se indican por razones obvias, ya que dependen directa o indirectamente del sol y la vida 22

probable de éste es tan elevada en relación a la vida de un ser humano, que se escapa de nuestra valoración. En cualquier caso se trata de miles y millones de años. De todas las fuentes renovables sin duda la radiación solar es la más abundante y, por otra parte, el origen de todas las demás, incluidas  –no lo olvidemos las agotables de origen fósil. La única fuente energética que no depende del sol es la nuclear (Valerio 2006).

2.7. Colector solar  Un captador solar, también llamado colector solar, es cualquier dispositivo diseñado para recoger la energía irradiada por el sol y convertirla en energía térmica. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción y agua caliente sanitaria, y los colectores de alta temperatura, conformados mediante espejos y utilizados generalmente para producir energía eléctrica.

2.8. Captadores solar de baja temperatura Captador solar plano, también llamado colector solar plano o panel solar  térmico, consiste en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se calienta a su paso por el panel. Puede ser a su vez: 

Captador plano protegido: con un vidrio que limita las pérdidas de calor.



Captador plano no protegido: sistema más económico y de bajo rendimiento, utilizado esencialmente para climatización de piscinas.



Panel de tubos de vacío, donde la superficie captadora está aislada del exterior por un doble tubo de vidrio que crea una cámara al vacío. En la figura 2 se muestra un calentador solar como ejemplo de un captador de baja temperatura

23

Figura 2 Calentador solar como captador de baja temepratura Fuente: Calentadores solares de agua http://www.hotfrog.com.mx

2.9. Captadores solar de alta temperatura Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos parabólicos. Pueden ser: 

Sistemas lineales (disposición cilíndrica): el fluido se calienta al recorrer  la línea situada en el foco de la parábola. Sistemas puntuales (disposición esférica): con forma de plato, utilizado para concentrar más los rayos y obtener así temperaturas más altas cuando la infraestructura es de dimensiones limitadas.



Lentes Fresnel o espejos planos, con idéntica función que los concentradores solares lineales.



Espejos, espejos Fresnel en una central térmica solares, que concentran la radiación solar en un único punto situado en una torre, en donde se genera vapor de agua para producir electricidad. En la figura 3 se puede ver un ejemplo de calentador solar parabólico de alta temperatura.

24

Figura 3 Colector solar de alta temperatura Fuente: http://www.dav.sceu.frba.utn.edu.ar 

2.10. Lente Fresnel El conde George Louis Leclerc, escritor y naturalista francés, en 1748 sugirió en que las lentes podrían tener su peso sensiblemente disminuyendo su superficie esférica sin disminuir su potencia. La idea fue llevada a la práctica por  el físico francés Agustín Fresnel (1788-1827) que consiguió reducir el espesor, peso de la lente logrando un poder luminoso mayor como puede observarse en la figura 4.

Figura 4 Lente Fresnel Fuente: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA

25

La idea del el físico francés Agustín Fresnel, exactamente consistió en recortar  una lente esférica plano convexa o biconvexa y reducir a una serie de anillos que son prismas parabólicos concéntricos que recogen la luz dispersa y la concentran. La acción óptica es similar a la de una lente convergente pero con espesor reducido y mucho más plana. Se instaló por primera vez en un faro en Francia en 1827. Posteriormente, a partir de 1945 estas se moldean en plástico llegando a tener menos de 1 mm de espesor y pocas veces de vidrio. Hoy por hoy las Lentes Fresnel, tienen mas de una aplicación, han sido las lentes de los focos en estudios de televisión, proyectores de cine y escolares, calentadores

solares,

como

catadores

solares

de

alta

temperatura

comúmmente en las centrales electricas y en cocinas solares entre otros. En las cocinas solares con lentes Fresnel no es necesario el uso de una caja de aislamiento, pues la temperatura, dependiendo del foco podría sobrepasar los 600 ºC. Esta temperatura es demasiado alta para ser manejada con facilidad, por lo que si la vasija de cocción se sitúa fuera del foco, aumentará la superficie de caldeo (teleformacion, 2010).

2.9.1. Principio de funcionamiento Las lentes Fresnel de vidrio o platico, la misión es la misma, es hacer que los rayos de luz se comporten al atravesarlas como cuando atraviesan lentes plano convexas, es decir los cortes múltiples circulares sobre la superficie de la lente, hacen que funcione entre una combinación de prismas y lente en un único dispositivo, a continuación una descripción mas detatallada sobre el funcionamiento:

26



Utilizan las leyes de la refracción para concentrar la luz mediante prismas o lentes.



Consiste de un conjunto de lentes, casi todas prismas, que convierten la luz proveniente de una fuente puntual en una colección de rayos paralelos.



Los rayos de luz que llegan paralelos al eje óptico tienden a concentrarse en un punto o foco.



Concentran la radiación solar sobre receptores térmicos estacionarios.



Los primeros diseños se realizaron con óptica no formadora de imágenes, lo que significa que el sistema acepta rayos fuera del campo paraxial (no paralelos eje óptico)



La luz recibida por una Lente de Fresnel, puede dirigir el 80% de la luz de la fuente hacia el observador, diferencia significativa si, se compara con otros tipos de lentes.



Como otro concentrador cualquiera, concentran la radiación solar sobre el receptor para incrementar la temperatura de trabajo



Teóricamente pueden alcanzarse 4, 9. 40, 45, 50 hasta 500 soles, con una eficiencia óptica ≈ 60%



Se diseñan para una temperatura de trabajo entre 80ºC y 300ºC, con una eficiencia total promedio anual entre el 40 y 50%



La eficiencia depende mucho del ángulo de incidencia.



La eficiencia óptica no es un parámetro constante, por lo que la eficiencia ha de evaluarse no solo para una cierta localización geográfica, sino 27

también para cada orientación del colector. En la figura 5 se puede observar una lente Fresnel de gran tamaño 1 x 1 m.

Figura 5 Lente Fresnel de 1 x 1 m, 500 soles Fuente: http://www.erco.com

28

2.1 MARCO LEGAL El abastecimiento de agua para uso y consumo humano con calidad adecuada es fundamental para prevenir y evitar la transmisión de enfermedades gastrointestinales y otras, para lo cual se requiere establecer límites permisibles en cuanto a sus características bacteriológicas, físicas, organolépticas, químicas y radiactivas. Con el fin de asegurar y preservar la calidad del agua en los sistemas, hasta la entrega al consumidor, se debe someter a tratamientos de potabilización. La, Norma Oficial Mexicana NOM-127 SSA1-1994 establece los límites permisibles de calidad y los tratamientos de potabilización del agua para uso y consumo humano, que deben cumplir los sistemas de abastecimiento públicos y privados o cualquier persona física o moral que la distribuya, en todo el territorio nacional. Esta Norma Oficial Mexicana la deben cumplir los sistemas de abastecimiento públicos y privados o cualquier persona física o moral que la distribuya, en todo el territorio nacional. La NOM-127 SSA1-1994 define al agua para uso y consumo humano: aquella que no contiene contaminantes objetables, ya sean químicos o agentes infecciosos y que no causa efectos nocivos al ser humana. (SSA, 2000) En conclusión, el principal objetivo de la potabilización del agua, es la protección de la salud pública, eliminando o reduciendo a una concentración mínima los componentes peligrosos, sin embargo aun cuando no existen normas vigentes que rijan la calidad del agua destilada, esta bien podría considerarse legalmente potable, ya que la destilación elimina totalmente los contaminates y de estos son una mayoría.

29

CAPITULO III METODOLOGÍA

30

3.1. METODOLOGÍA

3.2. Materiales Se uso lámina de acero inoxidable calibre 16, para el cuerpo del evaporador  lámina de acero inoxidable. calibre 18, en el cuerpo del condensador. Tubo de acero inoxidable de ½” de ½”

,

,

para la salida del liquido condensado. Tubo de cobre

utilizado como tubo de llegada de agua cruda. Una válvula de cierre

rápido de ½” ubicada en la salida del desagüe del evaporador (mantenimiento).

Un flotador de cobre ubicado en la terminar del serpentín. Acero inoxidable calibre 18 para el sistema de soporte de lentes Fresnel (abrazadera, bastidor, marcos, tornillos).

3.3. Instrumentos, equipo y accesorios Tres lentes Fresnel para calentamiento solar, un termómetro utilizado para la medición del agua de entrada, medición de la temperatura de la evaporación, así mismo se mide el destilado obtenido con un vaso de precipitado en ml/h y un reloj.

3.4. Construcción del prototipo  A un cuando se analizaron varios tipos de destiladores, desde los más antiguos hasta los más actuales, el prototipo se ha diseñado y construido sin tener como base un modelo físico existente. Solamente se analizaron las variables de las cuales dependía se obtuviera el destilado. Por consiguiente, el cuerpo del prototipo-destilador se compone en principio de cuatro secciones: 1. Evaporador. 2. Condensador ( por 3 piezas) 3. Sistema de salida del destilado.

4. Sistema de calentamiento solar ( por 3 piezas)

3.4.1. Primera Sección Evaporador (1). La forma, es un tipo de cono recortado, que provee espacio para contener el agua y disgregación de vapor, fabricado con lámina de acero 31

inoxidable calibre 16. Se optó por este tipo de material ya que es de excelente resistencia a la corrosión, limpiabilidad e higiene, facilidad de formado. Habilidad para manejar temperaturas criogénicas y altas temperaturas (hasta 925 grados Celsius), así mismo evita contaminación metálica, minimiza adherencia de incrustaciones, lo mismo con el tubo de ½”



con una válvula

para desagüe.En la figura 6 se puede observar el cuerpo del evaporador.

Figura 6 Cuerpo del evaporador 

32

3.4.2. Segunda Sección Condensador (2). La forma es de tipo cilindro, de acero inoxidable calibre 18; de menor calibre que el vaporizador ya que no es expuesto alguna fuente de calor  directamente. El condensador a su ves contiene tres elementos: a) un serpentín de cobre en forma contra corriente en el interior de este, b) 4 aros de acero inoxidable calibre 18 a 45°C de inclinación, este para posar el líquido condensado y escurrimiento del líquido c) un flotador de cobre. En la figura 7 muestra el cuerpo del condensador.

Figura 7 Cuerpo del evaporador 

33

a) El serpentín con tubería de cobre de ½” de. Se colocó con soldadura en el interior de la circunferencia del condensador-cilíndrico. Sus funciones son dos: la primera, como tubería de llegada para el agua que se va a tratar, segundo, el agua (de llegada) fluye por el interior del serpentín a temperatura ambiente, así, por medio del serpentín se logra condensar el vapor saliente del evaporador. En la figura 8 se muestra la estructura del serpentín.

Figura 8 Serpentín

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b)

Cuatro aros de tipo cono recortado de acero inoxidable calibre 18, a 45° de inclinación. Los cuatro aros se han soldado a la circunferencia del serpentín. La finalidad de los aros es alojar el vapor de agua y escurrimiento. Los grados de inclinación favorecen la rapidez de escurrimiento del líquido condensado. El destilado sale por los canales de los mismos aros, vertiendo el líquido al prisma triangular (3° sección). En la figura 9 se muestra la forma de los aros y ubicación en el interior  del condensador.

Figura 9 Aros para ecurrimiento del liquido condensado, colocado en el interior del condensador 

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Flotador metálico de cobre, colocado en el extremo inferior de serpentín. Funciona como sistema de control de flujo del agua de llegada al evaporador. En la figura 10 se puede observar la ubicación del flotador en el extremo inferior  del serpentín.

Figura 10 Flotador colocado en el extremo inferior del serpentín

3.4.3. Tercera Sección Sistema de salida del destilado. (3), es de tipo prisma triangular de acero inoxidable, calibre 18. Se encuentra soldado a la pared exterior del condensador cilíndrico. Su función, es la de recibir el liquido condensado proveniente del los canales de los 4 aros, así mismo deja salir el agua destilada a través de un tubo de acero inoxidable de ½ ”, colocado en extremo inferior  del prisma triangular. En la figura 11 se puede observar la forma y ubicación del sistema de salida (prisma triangular).

36

Figura 11 Sistema de salida del liquido condensado.

3.4.4. Cuarta sección Sistema de calentamiento solar (4), esta integrado por a) un sistema de calentamiento solar a base de 3 lentes Fresnel, b) sistema de soporte para las lentes Fresnel, este por una abrazadera de acero inoxidable y c) tres marcos con sus tres bastidores correspondientes, tornillos rondanas para sujeción. a)

Lentes Fresnel

Lentes Fresnel de material plástico de 0. 30 x 0.28 m, con distancia focal 0.90 m, siendo esto una característica de poder de calentamiento La lente Fresnel con estas características alcanza los 90 a 100 °C, sobre la superficie de acero inoxidable (sobre el evaporador).

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Su funcionamiento es la de un captador solar de alta temperatura, que concentra la radicación solar en un punto (punto focal) situado sobre la lámina del evaporador. Así el fluido se calienta al recorrer la lámina situada en el foco de la lente. Con ello se busca iniciar el calentamiento del agua hasta la evaporación a una temperatura de 90 a 100°C, suficiente para conseguir el punto de ebullición. En la figura 12 se puede observar la posición de las lentes Fresnel; en la circunferencia del evaporador y por encima de este.

Figura 12 Lentes Fresnel, colocadas en la circunferencia del evaporador  y por encima de este.

b)

Sistema de soporte

El sistema de soporte (para lentes Fresnel) se conforma de tres partes diferentes: tres abrazadera, tres bastidores, tres marcos (tornillos, rondanas mariposa). 38

1. Una abrazadera, de forma cilindro recortado, de A. inoxidable calibre 18, altura 5 cm, 21 cm de , orificios en la circunferencia de esta. Su objetivo es soportar las lentes Fresnel a través de un bastidor. La abrazadera se sitúa al contorno del condensador,

sosteniéndose por medio de la

presión que ejercen los tornillos cuando estos se ajustan por medio de tuercas mariposa. La abrazadera en una longitud de 10 cm de arriba abajo puede ser ubicada en el cuello del condensador con la finalidad de acomodar el marco de la lente, así mismo, orientar el foco concentrador  de energía de la lente Fresnel sobre el evaporador. En la Figura 13, 14 se puede observar la abrazadera de acero colocada en la circunferencia del condensador.

Figura 13 Abrazadera, ubicada en la circunferencia del condensador.

39

Figura 14 Abrazadera, colocada a la circunferencia del condensador, el aro a su vez soporta un marco y este ultimo a una lente.

En contraste a lo anterior, la siguientes figura 14. se puede observar la abrazadera colocada a la circunferencia del condensador, la abrazadera soporta por medio de tornillos a un bastidor recortado, el bastidor soporta por medio de tornillos a un marco y este ultimo enmarca y soporta a una lente Fresnel. 2. Tres bastidores, metálicos de forma rectángulo recortado. Su función es el soporte. Por medio de tornillos, tuercas mariposa, cada bastidor soporta un marco que encuadra una lente de 30 x 28 cm. Así mismo el bastidor, es soportado a la abrazadera antes descrita, por medio de tornillos y tuercas mariposa. En la figura 14 se puede observar la forma del bastidor y como es que porta el marco de la lente.

40

Figura 15 Los marcos soportan las lentes F.

3. Tres marcos metálicos, cada uno porta una lente de 30x28 cm, el marco se encuentra soportado con tornillos al bastidor. Los tornillos

atraviesan desde el marco al bastidor, siendo

ajustados por medio de tuercas mariposa. Este mecanismo, permite un giro circular del marco y con ello el movimiento circular de la lente, el movimiento circular permite orientar el foco de la lente sobre La lamina del evaporador. En la figura 16 se puede observar el marco para las lentes Fresnel.

3.5.

Acabado del prototipo de destilador solar 

Se integran todas las partes del destilador solar. El evaporador y condensador se integran. Ala circunferencia del condensador se coloca un aro, al aro en su circunferencia se colocan tres bastidores con tornillos, cada bastidor porta una lente fresnel. Concluido el armado se prosiguió a probar el prototipo. En la figura16 se muestra el prototipo terminado. 41

Figura 16 Prototipo de destilación solar terminado

42

3.6.

Pruebas experimentales

3.6.1. Evaluación preliminar  Las pruebas experimentales fueron llevadas a cabo en un día muy soleado. La evaluación preliminar consta de dos fases, la primera fase consiste: en una prueba de funcionalidad del equipo térmico y calidad del destilado. La segunda fase sólo se llevaría a cabo si las pruebas de funcionalidad del equipo térmico resultaban positivas.

3.6.2. Primera fase La prueba preliminar de funcionalidad, 6consistió en armar el prototipo, evaporador y condensador, después con 20 litros de agua de la llave mas 1 kg de sal comun en el evaporador. Después se llevo al equipo térmico sobre la estufa de gas LP, se tomó la temperatura del agua al inicio del proceso, dejando que se calentara hasta ebullición. En la figura 17 se expone el proceso llevado a cabo para obtener pruebas de funcionalidad del prototipo.

PROCESO SOBRE LA FUNCIONALIDAD DEL PROTOTIPO

Se tomó la temperatura del agua al inicio del proceso Armado el prototipo evaporador  y condensador 

Se dejó calentar y se tomó la temperatura cuando inicio la evaporación Se llenó el evaporador con 20 litros de agua de la llave mas 1 kg de sal común

El destilador se ubicó sobre la estufa de gas LP

Figura 17 Proceso llevado a cabo las pruebas de funcionalidad.

43

Resultados de la prueba preliminar. Despues de 30 minutos el agua del evaporador comenzó a ebullir, en ese momento se tomo la temperatura de evaporación, asimismo se tomo el tiempo en que comenzó a salir el destilado. En tabla 6 se exponen los resultados obtenidos de proceso

RESULTADOS Tiempo inicial cuando se puso al evaporador en la estufa 12:30 del día Tiempo en comenzó a hervir el agua

1:00 p:m

Tiempo en que inició la destilación

1:09 p:m

Se alcanzó una Temp. de evaporación

99 °C

Cantidad destilado obtenido con un vaso de precipitado

750 ml / hrs

Se cató el agua destilada

Sin sabor alguno a sal.

Tabla 6 resultados de las pruebas e xperimental sobre la funcionalidad de

3.6.3. Prueba preliminar calidad del destilado La prueba de calidad del destilado consistió en catar el líquido destilado, el cual se probo sin sabor alguno a sal.

3.7. Segunda fase Esta fase se llevo a cabo la prueba de funcionalidad del equipo térmico solar, es decir, que para calentar el agua del evaporador, se obtuvo su energia termica, por medio de las lentes Fresnel o concentradores solares y una segunda pruebade calidad del destilado

3.7.1. Proceso experimental del sistema de calentamiento solar  Llevar a cabo las pruebas del sistema de calentamiento solar, fue necesario de antemano haber realizado pruebas de funcionalidad del destilador y que estas fueran positivas, sólo entonces se comenzó la fabricación del sistema de soporte para las lentes Fresnel y se prosiguió a probar el equipo concentrador  de energía solar.

44

Terminado del sistema de calentamiento solar con lentes fresnel, se prosiguió a instalar al destilador(exactamente circunferencia del condensador) el sistema de calentamiento solar. Lo siguiente fue que todo el equipo de destilación solar  (destilador y lentes) se sacó al sol radiante del medio dia y por medio del sistema de soporte, se orientarón las lentes para hacer incidir el foco sobre la lámina del evaporador con la finalidad de calentar en agua. El agua contenida en el evaporador fue de 20 litros mas 1 kg de sal común. En la figura 18 se expone los pasos llevados a cabo para la prueba de funcionalidad del sistema de calentamiento, así, mismo la tabla 7 muestra los resultados de la prueba de calentamiento del sistema de lentes, así como la calidad del destilado

PROCESO SOBRE LA FUNCIONALIDAD DELEQUIPO TERMICO SOLAR DE LENTES FRESNEL

 Armado el equipo térmico solar se colocó a la circunferencia del evaporador 

Se orientaron las lentes para hacer incidir el foco sobre la lámina del evaporador

Por medio de las lentes se comenzó a calentar el agua del evaporador

Todo el equip de destilación solar  se sacó al sol del medio día para calentar el agua del elevaporador 

El evaporador de antemano con. 20 litros de agua mas 1 kg de sal

. Figura 18 Proceso del sistema de calentamiento solar con lentes Fresnel.

45

3.7.2. Prueba y resultado al sitema de calentamiento solar  RESULTADOS Tiempo inicial

12:00

Temperatura inicial del agua de la llave

26 C°

Tiempo inicial de evaporación

12:34

Temperatura de . evaporación

99 °C

Tiempo de salir del líuido condnesado

12:42

Liquido destilado obtenido

745 ml/ hr 

Tiempo inicial

12:00

Se cato el agua destilada

Sin sabor alguno a sal

Tabla 7 Resulatdos de la prueba de calidad del destilado

3.7.2. Prueba preliminar para la calidad del destilado Se colocó el sistema de calentamiento solar al destilador a las 12:00 del día tiempo inicial del proceso con una temperatura del agua de la llave de 26°C, transcurrido el un tiempo se comenzó a observar evaporación del agua, exactamente 12:34 del día con una temeperatura de a 99°C, y no fue hasta pasados 8 minutos que se comenzó a observar salir líquido del destilador y durante una hora se obtuvieron 745 ml/hr de agua destilada, finalmente se prosiguió a catar el agua destilada esta sin sabor alguno a sal.

3.8. Lugar donde se realizaron las pruebas del prototipo. Las pruebas del destilador solar se realizaron en las instalaciones de la empresa TOC TECHNOLOGY OUTSOURCING CENTER, S.A. DE C.V., oficinas ubicadas en Privada de Campo Nuevo, número 22,  Ara uca ri as, Co l. In dea có Ani mas de est a ci udad ca pit al .

46

3.9.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.9.1. Resultados de la primera fase En la figura 17, tabla 6 muestran tanto el proceso y resultados de la prueba de funcionalidad del prototipo. El destilador se colocó a la estufa con gas LP, lo cual después de ½ hr se observó comenzar la evaporación del agua y 9 minutos más tarde comenzó a salir líquido condensado, luego con un vaso de precipitado puesto a la salida del destilador se obtuvierón 750 ml/hrs de agua destilada, lo que confirmo la funcionalidad del destilador. En la prueba preliminar los resultados de calidad del destilado se observan en la tabla 6. Se determinó la calidad del destilado, mediante una mezcla de agua de la llave más 1 kg de sal común. Los resultados obtenidos son los siguientes: despues de 30 minutos se observó comenzar la evaporación y pasados 9 minutos comemzar a salir agua destilada, con un vaso de precipitado se pudo obtener 750 ml/hrs, se prosiguió a catar el líquido obtenido y este, sin sabor  alguno a sal. En esta fase, se puede definir la calidad del destilado parcialmente limpia, desde el punto de vista que fue probada o catado sin sabor alguno de sal.Parcialmente limpia, ya que no se realizaron pruebas bacteriológicas de laboratorio, porque en en esta fase de investigación sólo se ha pretendido probar la funcionalidad del sistema de destilación como el sistema de calentamiento solar.

3.9.2. Resultados de la segunda fase En la figura 18 y tabla , se muestra los resultados de la prueba de funcionalidad del sistema de calentamiento solar por tres lentes Fresnel, la cual se consiguió, haciendo incidir sobre la lámina del evaporado el foco de las tres lentes, que con anterioridad fueron colocadas al sol radiante del medio día.

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Los resultados obtenidos son los siguientes: con 20 lt de agua de la llave mas 1 kg de sal contenidos en el evaporador, se observó después de 34 minutos, comenzar a evaporar el agua, y no fue hasta pasados 9 minutos mas tarde comenzó a salir del destilador liquido condensado. Con un vaso de precipitado se obtivierón 745 ml/hrs de destilado. Por lo que se infiere, el prototipo es funcional, el sistema de calentamiento solar también. Se prosiguió a probar el líquido obtenido y este sin sabor alguno a sal. Por  consiguiente, el agua obtenida del prototipo de destilación solar, Parcialmente limpia, ya que no se realizaron pruebas bacteriológicas de laboratorio, porque en en esta fase de investigación sólo se ha pretendido probar la funcionalidad del sistema de destilación como el sistema de calentamiento solar. En conclusión, el prototipo de destilación solar con lentes Fresnel, es funcional tanto en su sistema de destilación como en su sistema de calentamiento solar. De este, se obtuvo agua parcialmente limpia: parcialmente limpia se refiere a que en esta etapa de investigación la finalidad es probar sólo su funcionalidad para obtener del agua cruda agua mas limpia. Por los resultados obtenidos, ha llevado a pensar en las mejorar del prototipo.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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Conclusiones Resumiendo, el desarrollo de prototipo de destilador, que utiliza energía solar  en lugar de energía no renovable a través de un sistema de calentamiento solar  de lentes Fresnel (captador solar de alta temperatura) para obtener agua más limpia a partir de agua cruda, es funcional en relación a los los siguientes resultados: 

Refiriéndose al diseño del destilador, se encontró que es totalmente funcional para destilar agua.



Refiriéndose al sistema de calentamiento solar de alta temperatura, es funcional.



El diseño del destilador solar construido fue capaz de evaporar agua de una mezcla de agua- sal, generando 745 ml/hr de agua destilada.



El agua destilada se captó sin sabor alguno a sal, por lo que se infiere cierta calidad de pureza.



Cierta cálida de pureza, hace referencia a que en esta etapa de desarrollo del destilador solar, el interés se reduce, sólo en conseguir la funcionalidad del destilador como la del sistema de calentamiento.



El desarrollo del destilador solar permite el uso de energía solar en lugar  de energía no renovable.



El desarrollo del destilador solar permite obtener del agua cruda, agua más limpia.



El destilador en base a energía solar, es susceptible de mejorar su diseño. Anexo 1,2,3



SISTEMA DE DESTILACIÓN SOLAR FRESNEL; nombre de patente con el que se encuentra registrado Anexo núm.4



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Recomendaciones Del presente estudio, se ha concluido que el prototipo de destilación solar con lentes frenel, es funcional, tanto en su sistema de destilación como en su sistema de calentamient solar. Sin embargo, por los resultado y etapa de la investigación, es que han surgido nuevas inquietudes y con ello las siguientes recomendaciones: 

Para mejorar el diseño del prototipo de destilación, es importante realizar la destilación en diferentes épocas del año y observar la influencia de las variables climatológicas, en el rendimiento del destilado.



Observar, la relación de temperatura durante un día soleado y volumen obtenido del destilado, es decir rendimiento vs energía solar térmica en un día.



Mejorar el diseño del condensador y con ello el rendimiento.



Comprobar por medio de pruebas bacteriológicas de laboratorio, la pureza del agua destilada.



Mejorar el diseño, del sistema de soporte para las lentes Fresnel, este en relación al peso y facilidad de orientación del foco de las lentes sobre la lámina del evaporador.



Determinar y recomendar en que situaciones y lugares resultaría beneficiosa su aplicación.

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 ANEXOS

Anexo 1 Evaporador 

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Anexo 2 Serpentín colocado en el interior del condensador 

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Anexo 3 Vista de cuerpo entero del destilador 

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