trabajo final de fisicoquimica

INGENIERIA INDUSTRIAL

FISICOQUIMICA

TEMA:

HORNO PURIFICADOR DE AGUA

PROFESOR:

JAIME OSWALDO MUÑOZ PORTUGAL

Astorga Sosa, Verónica IND 4-2

De La Gala Zúñiga, Marisela IND 4-3

Monzón Zúñiga, Liz IND 4-3

Vargas Paredes, Yeltsin IND 4-3

Portugal Passiuri, Laura IND 4-3

Semestre IV

2015

“Las alumnas declaran haber realizado el presente trabajo de acuerdo a las normas de la Universidad Católica San Pablo”

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FISICOQUIMICA Universidad Católica San Pablo

INDICE

1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................3

2. RESUMEN:.....................................................................................................................................3

3. OBJETIVOS:...................................................................................................................................4

3.1 OBJETIVOS GENERALES:.........................................................................................................4

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:......................................................................................................4

4. MARCO TEORICO.........................................................................................................................4

4.1 METODOLOGÍA.....................................................................................................................4

4.2 PARTES DEL MODELO:.....................................................................................................6

5. PROCEDIMIENTO.........................................................................................................................7

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN:...................................................................................................15

7. APRECIACION CRITICA............................................................................................................15

8. CONCLUSIONES..........................................................................................................................16

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................................18

10. ANEXOS....................................................................................................................................19

11. RESULTADOS...........................................................................................................................19

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO PURIFICADOR DE AGUA


1. INTRODUCCIÓN

En los últimos años la radiación solar ha ido aumentando en la ciudad de Arequipa, es por

ello que debemos considerar lo importante que es el tema energético.

En este trabajo se pretende explorar y proponer un proyecto que resultara factible, no solo

con su uso, sino también el aprovechamiento de la energía solar con el fin de evitar la

contaminación ambiental con la simple exposición de agua al sol para su purificación. El

modelo estará diseñado como “UN HORNO SOLAR” el cual aprovechando los rayos UV y

el calor emitido del sol llegara a cumplir su misión de “purificar el agua”, esta agua

purificada estará entre un rango de volumen de 0.7 – 1.0 Litros el cual será utilizado para

uso familiar y diario; se presentará también una serie de pasos en la construcción de este

modelo y las recomendaciones y advertencias sobre el uso adecuado del horno solar.

De esta manera práctica el horno solar brindará a numerosos hogares, la satisfacción del

costo-beneficio, a fin de poder obtener agua de forma fácil, práctica y apta para su

consumo; sobre todo para el mejoramiento de este proyecto a fin de poder alcanzar más

volumen de agua purificada, lo cual es necesario en esta época.

2. RESUMEN:

Se desarrolla un trabajo de investigación con el fin de purificar el agua, para el cual

realizamos el diseño de un horno solar el cual tendrá la capacidad para evaporar 1 Lt de agua

por cada 2Lt de agua a tratar, el principio de fabricación y funcionamiento es básico, utilizando

los cambios de fase del agua a partir de un incremente de temperatura propiciada por los rayos

solares y rayos ultravioletas que son abundante en la ciudad de Arequipa, con el objetivo de

eliminar las posibles bacterias que se encuentren en el agua, de esta forma proporcionar a los

usuarios una forma fácil y practica de poder consumir agua de forma confiable y sin costos

elevados, mejorando la calidad de vida de quienes es complicado obtener agua para su

consumo.

3. OBJETIVOS:

3.1 OBJETIVOS GENERALES:


Llevar a cabo una investigación para el major aprovechamiento de energía

solar.

Comprobar que la radiación UV purifica el agua eliminando

microorganismos.

Aprovechar los intervalos de tiempo en los que se registran los más altos

indices de radiación en la ciudad de Arequipa.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Con este Proyecto se busca ayudar a poblaciones de bajos recursos, a tener

un mejor y saludable almacenamiento de agua para el desarrollo de sus

actividades.

4. MARCO TEORICO

4.1 METODOLOGÍA

Descripción del Modelo:

El modelo a trabajar, consta de un purificador de una sola vertiente que es el más sencillo

en cuanto a su estructura; tratándose de una caja cubierta por un cristal inclinado, que

interiormente se divide en dos compartimentos: Un recipiente de acero inoxidable con

capacidad de 9.5 Lt aproximadamente, revestido interiormente con un plástico de color

negro, el cual ayuda a elevar la temperatura del agua contenida llegando a la evaporación

del agua rápidamente; y el otro el receptáculo donde se recoge el agua purificada y que se

encuentra conteniendo todo el sistema; además de un soporte a cuatro patas de aluminio

para contener el receptáculo para el agua a tratar, y un envoltorio de jebe el cual asegura

herméticamente todo el sistema.

Mientras dure la radiación solar y exista agua que purificar el proceso se mantiene

(EcuRed).

GRÁFICA Nº 1: FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE PURIFICACIÓN DE UNA

SOLA VERTIENTE


Fuente: (EcuRed)

1) Ingreso de rayos UV hacia el Agua Salada o Sucia (No Potable).

2) Evaporación del agua, con la formación de cúmulos que discurren por la parte superior del

hexaedro irregular.

3) Caída del agua purificada, a través de las paredes del hexaedro irregular.

Datación de los índices de Radiación UV en la ciudad de Arequipa:

Entre las 08:45 y las 15:15 horas el nivel de riesgo registrado es moderado alcanzando

su máximo índice entre las 9:50 y 14:00 horas (SENAMHI, 2014).

AGUA PURIFICADA


GRÁFICA Nº 2: INDICES DE RADIACIÓN UV EN AREQUIPA

Fuente (SENAMHI, 2014)

Datación de temperaturas extremas:

GRÁFICA Nº 3: INDICES DE TEMPERATURAS EXTREMAS

4.2 PARTES DEL MODELO:

El modelo experimental, está compuesto por un hexaedro irregular de 50x70 de base, en la

parte superior cuenta con una elevación de 35 grados, midiendo la parte más alta 35 cm y la

más baja 20cm.

El material utilizado para la realización de este hexaedro irregular fue de vidrio, dentro del

hexaedro irregular se encuentra un recipiente de aluminio revestido de color negro, en

donde se contendrá el agua a tratar.

El horno solar consta de las siguientes partes:

Un hexaedro irregular de vidrio rectangular de 4 mm de espesor.

Deposito negro (contenedor de agua a tratar).

Tapa de vidrio de 1 mm de espesor con acople de jebe para cierre hermético.

Mesa de madera con ruedas, para soporte y transporte.

La estructura de soporte de madera fue construida con la finalidad que el calor obtenido no se

desperdicie, trabajando este como un medio de contener el calor.

Fuente (SENAMHI, 2014)

Estación y valores

considerados


4.3 Materiales:

TABLA Nº 1. MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN

MATERIAL Dimensión (m) / Capacidad (Lt)Hexaedro irregular

de vidrioBase de 0.50 x 0.70

y caras de 0.70*0.30; 0.70*0.20Recipiente de acero

inoxidable 0.453 x 0.30 x 0.07 / 9.5Plástico negro 0.70 x 0.50

Soporte de aluminio 0.40 x 0.30 x 0.10Tapa de vidrio 0.515 x 0.715

Jebe Ajustable y diseñado, según acopleMesa de madera 0.80 x 0.60

TABLA Nº 2. MATERIALES COMPLEMENTARIOS

MATERIAL CANTIDADTubo de Silicona

para vidrio1 tubo

Aplicador de Silicona 1 AplicadorCinta adhesiva 1 CintaDesarmador 1 Desarmador

Tornillos de ½ plg 8 tornillos

5. PROCEDIMIENTO

a. Pasos Previos:

a) Cálculos: Ángulo de inclinación:

35β

50

20

α

30

Tan(β)= 50/35 = 55º

Por tanto, por ángulos alternos:180º - (55º + 90º) = 35º

Entonces: α=35º

GRÁFICA Nº 4: CALCULO DE ÁNGULO DE INCLINACIÓN


El ángulo de 35 grados, se eligió en base a: “Angulo doble, es una configuración

bastante popular, y tiene su mayor representante en el denominado horno 30-60.

Son hornos con perfiles en forma triangular, donde dos de sus ángulos son

distintos entre sí, y el tercero suele ser un ángulo recto. Utilizan el ángulo menor

para los días de verano y cuando el Sol está más elevado, y el ángulo mayor para

captar mejor el Sol cerca del invierno con elevaciones menores. Tienen por tanto

dos posiciones de trabajo, dependiendo básicamente de la latitud a que nos

encontremos. (Cocina Solar, 2012)

Altura:

Inicialmente se consideró la altura de 30º para la realización de este modelo, pero

para que el agua evaporada discurra por la tapa de forma rápida, se tuvo que

aumentar unos 5º más, con el fin de evitar que los cúmulos de agua se queden

suspendidos en la tapa, y generando un mayor ángulo de caída.

Capacidad Calorífica:

Se considera importante el cálculo de la capacidad calorífica, pues para el

funcionamiento óptimo del sistema, se data que debe existir una diferencia de

temperaturas entre el material y el entorno que lo rodea, en este caso tomando

como ejemplo la ciudad de Arequipa y los índices de temperatura máxima y

mínima a la cual se somete diariamente como lo indica la Gráfica Nº3.

Cálculo Capacidad Calorífica del Sistema

Q = M x Ce x ΔT

Volumen Inferior = 50 x 70 x 20 = 70000 … (a)

Volumen Superior = 10 x 50

2x 70 = 17500 … (b)

VOL TOTAL= 70000 + 17500 = 87500 cm3

https://cocinasolar.wordpress.com/construye-una/horno-solar-de-caja/


Cálculo Capacidad Calorífica del Líquido contenido

Q = M x Ce

Q =2000 g x 1 cal/g.K

Q= 2000 J/K

Conductividad:

Teniendo en cuenta, que el recipiente de

acero inoxidable (AISI 304) tiene una

conductividad térmica de 16,3 (W/m.K) a

una temperatura ambiente de 23ºC, se optó

por la utilización de un plástico negro para

lograr la mayor captación de radiación solar

como se indica en la Gráfica Nº3, a fin de

aumentar la concentración de calor y la

temperatura del agua a tratar, para su

posterior evaporación.

GRÁFICA Nº 5: REFLEXIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR

SEGÚN PATRÓN DE COLOR

Masa = 2.49 (g/cm3) x 87500 cm3

= 217875 g

Q = M x Ce x ΔT

Q = 217875 g x 0.20 cal /g.K x (22.6 ºC – 20ºC)

Q = 113295J/K

Fuente (El color y el calor)


b. Construcción:

Ahora se presenta detalladamente la construcción del Horno Purificador de Agua el cual

consideramos es óptimo en su rendimiento si consideramos su costo y al mismo tiempo

fácil de construir, siendo muy importante aclarar que se puede variar el diseño, en sus

materiales y tamaño, lo cual puede aumentar o disminuir su rendimiento, y hasta podría no

funcionar el purificador.

El conocimiento de los cálculos y datos básicos de la región en donde se va a construir,

explicado anteriormente es fundamental para hacer modificaciones en el presente diseño.

A) Paso 1:

Armado del hexaedro irregular para purificación el agua

Colocamos y ubicamos cada sección del purificador ubicándolo de la siguiente manera,

para luego unir las bases de cada una de las piezas hacia la base central.

Luego levantamos cada vidrio cuidadosamente, para sellar con silicona de vidrio las

bases de cada sección hacia la BASE CENTRAL, en el sentido que indican las flechas.

Por último fijarse, que las esquinas de todo el receptáculo queden bien unidas tanto al

filo como en cada una de las esquinas para evitar en las pruebas cualquier tipo de fuga

de vapor de agua; para esto colocamos en los exteriores pedazos de cinta, para asegurar

BASE CENTRALLateral A Lateral A

Lateral B

Lateral B

GRÁFICA Nº 6: PIEZAS PARA UNION CONSTRUCCIÓN

DEL HEXAEDRO IRREGULAR PRINCIPAL

GRÁFICA Nº 7: HEXAEDRO IRREGULAR PRINCIPAL

ARMADO


de manera uniforme la unión de cada sección; tomar en cuenta que debemos dejar secar

1 día completo, para un mejor ajuste.

B) Paso 2:

Tapa hermética

Una vez secado, revisamos que haya unido bien cada sección, de ser así procedemos a

retirar las cintas. Enseguida con la ayuda de una cinta métrica, tomamos las medidas de

todo el contorno superior del receptáculo, para proceder al armado de la tapa hermética.

Una vez tomada la medida, procedemos a la búsqueda de un jebe liso, que se acople a

nuestra estructura a fin de asegurar la hermeticidad del sistema. Colocamos el jebe en la

parte superior del receptáculo, dándole la forma requerida. Luego colocamos silicona en

todo el contorno del jebe liso y posteriormente procedemos a la colocación de la tapa de

vidrio para, haciendo una ligera presión entre el jebe y el vidrio, asegurando su ajuste.

C) Paso 3:

Revestimiento del recipiente de acero inoxidable

En este paso, colocamos en el interior del recipiente la bolsa de plástico, la cual debe

cubrir cada parte enfocándonos en que no quede corta la bolsa, a fin de no perder agua

al realizar las pruebas. Asegurar con silicona en la base antes de colocar la bolsa para

asegurar un mejor agarre. Por último los excesos de plástico asegurarlos hacia la parte

no cubierta del recipiente con cinta o silicona de preferencia.

TAPA

GRÁFICA Nº 8: COLOCACIÓN DE JEBE LISO

TAPA


D) Paso 4:

Retiro de la tapa de vidrio y colocación del recipiente de acero

Procedemos a retirar la tapa de vidrio con cuidado a fin de no dañar el jebe colocado.

Con cuidado, procedemos limpiar el receptáculo por dentro antes de colocar el

recipiente de acero; luego colocamos el soporte de aluminio dentro del receptáculo,

centrándolo para posteriormente colocar el recipiente de acero encima.

Tal como se ve a continuación:

E) Paso 6:

Armado de la mesa con ruedas

Para el armado de la mesa con ruedas, procedemos a la utilización de un desarmador y

a la colocación de la mesa patas arriba. Luego procedemos a colocar las llantas

encima, fijando dos tornillos por cada rueda; atornillamos y colocamos cada rueda

cuidadosamente.

GRÁFICA Nº 9: COLOCACIÓN DEL RECIPIENTE DE ACERO


Asegurar, que cada rueda este fija con cada pata, a su vez verificar si las ruedas

ruedan sin problema; posteriormente colocamos el hexaedro irregular encima de la

mesa, para continuar con el último paso.

F) Paso 5:

Colocación de tapa de tapa hermética

Como último paso, procedemos a colocar la tapa para terminar con la construcción del

Horno Purificador de Agua.

c. Inicio de Prueba Experimental:

Como inicio de pruebas experimentales se tomaron en cuenta las siguientes

consideraciones:

Utilización de 2Lt de agua para inicio de pruebas.

Entre las 08:45 y las 15:15 horas el nivel de riesgo registrado es moderado

alcanzando su máximo índice entre las 9:50 y 14:00 horas (SENAMHI, 2014)

Toma de tiempos de inicio de prueba y de temperaturas antes y después de cada

experiencia.

Considerar los datos meteorológicos, que son fundamentales y que hacen posible

que la prueba se realice con éxito.

Para la realización de la prueba experimental se siguen los siguientes pasos:

GRÁFICA Nº 9: FIJACIÓN DE LAS RUEDAS

EN CADA PATA

GRÁFICA Nº 10: ATORNILLADO DE

UNA RUEDA A PATA DE MESA


1) Colocar el purificador encima de la mesa, y llenar el recipiente de acero que se

encuentra en el hexaedro irregular con aproximadamente 2 Lt de agua.

2) Cerrar el hexaedro irregular con su respectiva tapa hermética.

3) Tomar el tiempo de radiación solar que se tiene de acuerdo al clima de la temporada.

En la temporada de primavera (octubre –noviembre) estará expuesta al sol por un

tiempo determinado de 8 horas desde las (9 am hasta las 4 pm) aprox.

4) Después de un tiempo determinado (véase en las pruebas) el agua empieza a evaporarse.

5) El agua evaporada llegan en forma de gotas hacia la superficie y empieza a caer por las paredes del recipiente, de tal manera que se va recolectando al agua en el fondo del hexaedro irregular.

GRÁFICA Nº 11: EVAPORACIÓN DE AGUA A TRATAR


6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN:

Consideramos dos etapas:

Para la etapa antes de colocar el recubrimiento negro, en las pruebas Nº 1 y 2 se obtuvo 500

ml y 570 ml de agua purificada a 20.6 ºC y 20.1ºC respectivamente; en el lapso de 10:54 –

14:30 y 9:30 – 14.30 respectivamente (VER ANEXO, TABLA Nº3)

Para la etapa después de colocar el recubrimiento negro, en las pruebas Nº 3 y 4 se obtuvo

690 ml y 700 ml de agua purificada a 20.4 ºC y 20.2ºC respectivamente; en el lapso de

9.54 – 14.00 y 10.00 – 14.00 respectivamente (VER ANEXO, TABLA Nº4)

Se llevaron a cabo pruebas de laboratorio, después de una prueba con un inóculo de

bacterias, los cuales contenían bacterias como la ECHERICHECOLI, comunes en aguas no

tratadas o purificadas, que conllevan a males como el Cólera e infecciones estomacales,

riesgosas para la salud; y para lo cual este proyecto trata de mitigar de alguna manera.

Se adjuntan los resultados de Laboratorio, para evaluación y datación de la efectividad del

sistema de purificación. (VER ANEXO, RESULTADOS-LAB13/12/14-PIC)

7. APRECIACION CRITICA

GRÁFICA Nº 12: CAIDA DE AGUA POR LAS PAREDES DEL

PURIFICADOR


Dentro del proyecto de investigación se requiere tener determinados aspectos:

Analizar minuciosamente el tiempo, en relación con la radiación solar para la

evaporación del agua. (Canarias I. T., 2008)

Utilizar un sistema de evaporización que sea óptimo para el recojo del agua purificada.

Utilizar un vidrio de mínimo grosor para que los rayos solares penetren con mayor

facilidad y la humedad del horno generado por los rayos solares, permanezcan en ella.

Utilizar una superficie de vidrio de color oscuro ubicada en la parte superior del

receptáculo para tener la posibilidad de interconectarse entre sí para ampliar la

instalación de manera modular.

Verificar si el contenido del líquido evaporizado obtenido va con los diagnósticos

propuestos.

Establecer con cuidado la ubicación del proyecto para obtener una mayor radiación y

así obtener un resultado óptimo. (Castells, 2011)

Utilizar vidrios polarizados o de color oscuro para que la radiación solar permanezca y

no se pierda el calor. (Canarias I. T., 2008)

Verificar el ángulo de caída de las gotas de evaporización para evitar la pérdida o

retroceso de evaporación.

Utilizar tres opciones de caída del agua purificada hacia el receptáculo de tal modo que

agilice la caída del agua para evitar la demora y la pérdida del líquido.

Establecer una cantidad adecuada de agua para obtener resultados satisfactorios de

acuerdo al tiempo y a la radiación solar. (Solutions, 2013)

Trabajar en una mejora del modelo si este lo requiera, para que nos dé resultados

Considerar para el cálculo del ángulo de radiación máxima, que una mejor opción es

considerar que la máxima captación de un colector plano se logra cuando el ángulo de

inclinación es aproximadamente igual a la latitud geográfica del lugar.

8. CONCLUSIONES

La asesoría en la ejecución de un paper, nos otorgó la idea general de cómo realizar una

investigación científica de principio a fin. Es una preparación previa a la realización de una

tesis, imprescindible en el progreso de nuestra vida profesional.


Sin embargo para los lugares donde no existen tuberías de agua u otras opciones, creemos

firmemente que el uso de la energía solar para la purificación del agua es el mejor camino tanto

para nosotros y la siguiente generación debido a que el uso de una fuente renovable de energía

y no petróleo o sus derivados, importados y no reemplazables etc., nos favorece. Además, por

razón de costos, el agua purificada por energía solar, se recomienda únicamente para beber y no

para ducharse o para cocinar.

También tener en cuenta lo siguiente:

La purificación por evaporación del agua contaminada es una operación muy utilizada a

nivel Industrial para la obtención de agua purificada. Factores como luz solar,

recirculación de agua y eliminación de bacterias por exposición de rayos UV ayuda a

una significativa eliminación de agentes contaminantes como bacterias y hongos. Se

propuso la creación de un horno solar con el fin de purificar agua llamándolo HORNO

PURIFICADOR DE AGUA hecho de una composición característica.

Concluimos que en definitiva, el ángulo utilizado no es el óptimo y que el sistema

puede mejorar a lo largo de un nuevo rediseño, pues existen varias plantas de

purificación a nivel mundial que utilizan este sistema.

El método que utilizamos fue que por simple exposición del agua contaminada con los

rayos UV se eliminaban bacterias y agreguémosle un grado de temperatura alto creado

por el horno se logró obtener vapor, haciendo de esta mezcla de operaciones altamente

efectivas.

Dando como conclusión que a más superficie de contacto entre el agua y la exposición

con el sol aumenta la velocidad de purificación y el aprovechamiento de más agua

purificada en cuanto a horas emitidas.


9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Canarias, I. T. (2008). Energías Renovables. En I. T. Canarias, Energías Renovables (pág. 19). Gran Canaria.

Canarias, I. T. (2008). Energías Renovables. En I. T. Canarias, Energías Renovables (pág. 79). Gran Canaria.

Castells, J. E. (2011). Energía, agua, medio ambiente, territorialidad y sostenibilidad. En J. E. Castells, Energía, agua, medio ambiente, territorialidad y sostenibilidad (pág. 601).

Cocina Solar. (6 de Marzo de 2012). Recuperado el 28 de Noviembre de 2014, de www.cocinasolar.wordpress.com: https://cocinasolar.wordpress.com/2012/03/06/como-elegir-la-inclinacion-de-tu-horno-solar/

Cuba Solar. (s.f.). Recuperado el 30 de Noviembre de 2014, de www.cubasolar.cu: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia17/HTML/articulo08.htm

EcuRed. (s.f.). Recuperado el 28 de Noviembre de 2014, de http://www.ecured.cu/: http://www.ecured.cu/index.php/Destilador_solar

SENAMHI. (Agosto de 2014). Servicio Nacional de Metereología e Hidrología - SENAMHI. Recuperado el 28 de Noviembre de 2014, de http://www.senamhi.gob.pe/load/file/04002SENA-31082014.pdf

Solutions, N. E. (2013). Solar PV Program Manual. En N. E. Solutions, Solar PV Program Manual (pág. 216). New York.


10. ANEXOS

TABLA Nº 3: RESULTADOS SIN RECUBRIMIENTO NEGRO

Pruebas HORA

INICIO

HORA DE

EVAPORACION

HORA

FINAL

TEMPERATURA

(°C)

VOLUMEN

EVAPORADO(ml)

Prueba 1 10:54

am

12:30 pm 2:30

pm

20.6 500

Prueba 2 9:30 am 10:33 am 2:30

pm

20.1 570

TABLA Nº 4: RESULTADOS CON RECUBRIMIENTO NEGRO

Pruebas HORA

INICIO

HORA DE

EVAPORACION

HORA

FINAL

TEMPERATURA

(°C)

VOLUMEN

EVAPORADO(ml)

Prueba 3 9:57 am 10:30 am 2:00

pm

20.4 690

Prueba 4 10:00

am

11:00 am 2:00

pm

20.2 700

11. RESULTADOS

Resultados de los tubos de ensayo:


Resultados del agua con Inoculo:

Resultados de Agua Purificada:

trabajo final de fisicoquimica

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