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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO QUÍMICO
TEMA:
“Diseño y construcción de un destilador solar con sistema de lente Fresnel
destinado a la desalinización de agua de mar”
AUTOR:
BENAVIDES ORTIZ CARLOS ARMANDO
TUTOR:
ING. TONY COLOMA COLOMA, MSc.
GUAYAQUIL, ABRIL DEL 2020
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ANEXO XI.- FICHA DE REGISTRO DE TRABAJO DE TITULACIÓN
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TRABAJO DE TITULACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO: Diseño y construcción de un destilador solar con sistema de lente
Fresnel destinado a la desalinización de agua de mar.
AUTOR(ES) (apellidos/nombres): Benavides Ortiz Carlos Armando
REVISOR(ES)/TUTOR(ES)
(apellidos/nombres): Bonilla Abarca Luis Alberto
Coloma Coloma Tony Wellinton
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil
UNIDAD/FACULTAD: Universidad de Guayaquil
Facultad de Ingeniería Química
MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:
GRADO OBTENIDO: Ingeniero Químico
FECHA DE PUBLICACIÓN: 22/junio/2020 No. DE PÁGINAS: 65
ÁREAS TEMÁTICAS: Procesos Tecnológicos. Destilación y Condensación, Lentes,
Separación Química.
PALABRAS CLAVES/
KEYWORDS: Energía Renovable, Radiación solar, Colectores, Lente de Fresnel,
Desalinización.
Renewable Energy, Solar Radiation, Collectors, Fresnel Lens,
Desalination.
RESUMEN/ABSTRACT (150-250 palabras):
El presente trabajo de investigación tiene por objeto construir un destilador solar a base de lente Fresnel, para ello se
hizo primero la selección de los debidos materiales comenzando por la selección del lente de medidas 1100mm x
1100mm con un espesor de 4.5mm y una longitud focal de 1280mm que emite una potencia promedio de 550 watts
en base al calentamiento de un litro de agua el cual se determinó luego de realizar varias pruebas. Para el evaporador,
que tiene una forma cilíndrica se eligió acero inoxidable de medidas 160mm de base y de altura 100mm sobre el cual
va colocado una tapa de vidrio ajustada mediante dos anillos de silicón que se ajustan al borde del evaporador y un
anillo de acero inoxidable para dar hermeticidad a la tapa de vidrio del sistema. Para el resto del diseño, en la estructura
de soporte del equipo, se utilizó tubería cuadrada galvanizada de 1 pulgada y 2mm de espesor. Finalmente, el
condensador consta de un valde de plástico que contiene un serpentín de acero inoxidable. El lente va situado en la
parte de arriba de la estructura por encima del evaporador, las pruebas se realizaron en las horas que son consideradas
como las que pueden presentar mayor índice de radiación esto es de 10:00 a 15:00, se logró obtener una cantidad de
destilado de 815ml en un tiempo de una hora considerado a partir desde el momento en que empieza la ebullición del
agua de mar alimentada en el evaporador.
ADJUNTO PDF: SI
CONTACTO CON AUTOR/ES: Teléfono:
0988526012
E-mail: [email protected]
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÓN: Nombre: Universidad de Guayaquil
Teléfono: (04) 228-4505
Página web: http://www.ug.edu.ec/
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Agradecimiento
A dios, a mis padres Doria Virginia Ortiz Ojeda y Carlos Sigifredo Benavides Guillén,
quienes se sacrificaron por mí toda su vida y siempre estuvieron ahí para mí, a mi
hermana Doria Janeth Benavides Ortiz por estar conmigo en todo momento.
Al Ing. José Valdez Díaz, quien me acompañó en mi carrera universitaria desde el
pre, ya que sin él no estuviera hoy en día aquí, al Ing. Raúl Serrano por ser un
excelente maestro, de igual forma, mi gratitud al Ing. Mario Aguilera.
A mi amiga Geraldine Murillo Marín por estar conmigo siempre y por prestarme su
apoyo.
Y por último agradecer a mi tutor el Ing. Tony Coloma, por haberme guiado como
profesor y durante mi proyecto de tesis.
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Dedicatoria
Dedico este triunfo a toda mi familia Ortiz, a mis tías, tíos, primos, parte importante en
este logro, a mi sobrino Eduardo Javier Suárez Benavides a quien quiero mucho.
Con mucho respeto y consideración dedico esta tesis en memoria del Ing. Roberto
Rivadeneira, gracias por sus buenas enseñanzas como docente.
Finalmente dedico con todo el cariño del mundo este triunfo en la memoria de un gran
amigo, Jorge Ramón Saltos, quien lastimosamente fue alcanzado por el destino y tuvo
que abandonarnos de forma temprana en los inicios de nuestra carrera, va por ti
Jorgito.
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RESUMEN
El presente trabajo de investigación tiene por objeto construir un destilador solar a
base de lente Fresnel, para ello se hizo primero la selección de los debidos materiales
comenzando por la selección del lente de medidas 1100mm x 1100mm con un
espesor de 4.5mm y una longitud focal de 1280mm que emite una potencia promedio
de 550 watts en base al calentamiento de un litro de agua el cual se determinó luego
de realizar varias pruebas. Para el evaporador, que tiene una forma cilíndrica se eligió
acero inoxidable de medidas 160mm de base y de altura 100mm sobre el cual va
colocado una tapa de vidrio ajustada mediante dos anillos de silicón que se ajustan al
borde del evaporador y un anillo de acero inoxidable para dar hermeticidad a la tapa
de vidrio del sistema. Para el resto del diseño, en la estructura de soporte del equipo,
se utilizó tubería cuadrada galvanizada de 1 pulgada y 2mm de espesor. Finalmente,
el condensador consta de un valde de plástico que contiene un serpentín de acero
inoxidable. El lente va situado en la parte de arriba de la estructura por encima del
evaporador, las pruebas se realizaron en las horas que son consideradas como las
que pueden presentar mayor índice de radiación esto es de 10:00 a 15:00, se logró
obtener una cantidad de destilado de 815ml en un tiempo de una hora considerado a
partir desde el momento en que empieza la ebullición del agua de mar alimentada en
el evaporador.
Palabras clave: Energía Renovable, Radiación solar, Colectores, Lente de Fresnel,
Desalinización.
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ABSTRACT
The purpose of this research work is to build a solar distiller based on a Fresnel lens,
for this purpose, the selection of the appropriate materials was made, starting with the
selection of the 1100mm x 1100mm lens with a thickness of 4.5mm and a focal length
of 1280mm that emits an average power of 550 watts based on the heating of a liter
of water which was determined after performing several tests. For the evaporator,
which has a cylindrical shape, stainless steel with a base size 160mm and a height of
100mm was chosen on which a glass cover fitted by two silicone rings that fit the
evaporator edge and a stainless steel ring are placed give a tight seal to the glass
cover of the system. For the rest of the design, in the support structure of the
equipment, galvanized square pipe of 1 inch and 2mm thickness was used. Finally,
the condenser consists of a plastic pad that contains a coil stainless steel. The lens is
located at the top of the structure above the evaporator, the tests were carried out at
the hours that are considered to be the ones that may have the highest radiation rate,
from 10:00 a.m. to 3:00 p.m., it was possible to obtain an amount of distillate of 815ml
in a time of one hour considered from the moment the boiling of seawater fed into the
evaporator begins.
Keywords: Renewable Energy, Solar Radiation, Collectors, Fresnel Lens,
Desalination.
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INTRODUCCION
El proyecto aquí estudiado se basa en el aprovechamiento del sol como energía
renovable debido a la falta de producción de sistemas de bajo costo de generación
eléctrica y el agotamiento de los combustibles fósiles que además de caros se van
extinguiendo poco a poco conforme pasan los años. Desde la antigüedad ya se
utilizaba la energía solar para secar alimentos y ropa, en la actualidad principalmente
en los últimos 15 años el sol como fuente de calor y energía ha tomado mucha
importancia y en Ecuador especialmente desde el cambio que se produjo en la matriz
productiva como incentivo para mejorar en todos los aspectos que contribuyan a un
ahorro económico y primordialmente a mantener el medio ambiente en forma
saludable generando un desarrollo generable y sostenible. El uso de la energía solar
puede darse de forma directa pero también están ligados hoy en día a colectores los
cuales existen de distinto tipo y cuyas características son las de aumentar la
concentración de la energía aumentando su potencia y rendimiento. Estos se emplean
para diferentes tipos de procesos como por ejemplo los de generador de energía
eléctrica por medio de celdas fotovoltaicas y como captador solar térmico para
capturar la radiación. El capítulo uno abarca el planteamiento del problema, la
situación actual del país, así como el objetivo principal y objetivos específicos de la
investigación, la justificación de estudio para realizarlo, el lugar donde se realiza el
estudio y las variables que intervienen. El capítulo dos aclara las bases teóricas,
presenta información relevante y concisa en el que se fundamenta la investigación,
así como la aportación de conceptos básicos y el marco legal del estudio. El capítulo
tres presenta los métodos empleados, materiales utilizados, diseño, acople de los
materiales y cálculos realizados. Finalizamos con el capítulo cuatro en el cual se
indican a partir de tablas las discusiones y resultados obtenidos, se emiten las
conclusiones y recomendaciones de todo el trabajo de investigación.
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Contenido
1 CAPÍTULO 1 ................................................................................................................... 17
1.1 Planteamiento Del Problema. .................................................................................... 17
1.1.1 Antecedentes del problema ................................................................................ 17
1.1.2 Situación actual .................................................................................................. 18
1.1.3 Formulación del problema ................................................................................. 19
1.1.4 Sistematización del problema ............................................................................ 19
1.2 Objetivos de la Investigación .................................................................................... 20
1.2.1 Objetivo General ................................................................................................ 20
1.2.2 Objetivos Específicos......................................................................................... 20
1.3 Justificación ............................................................................................................... 20
1.3.1 Justificación Teórica .......................................................................................... 20
1.3.2 Justificación Metodológica ................................................................................ 21
1.3.3 Justificación Práctica ......................................................................................... 21
1.4 Delimitación .............................................................................................................. 22
1.4.1 Delimitación temporal ....................................................................................... 22
1.4.2 Delimitación espacial ......................................................................................... 22
1.5 Hipótesis o premisas de la investigación................................................................... 23
1.6 Variables y su operacionalización ............................................................................. 23
1.6.1 Variable independiente ...................................................................................... 23
1.6.2 Variable dependiente ......................................................................................... 23
1.6.3 Operacionalización de las variables ................................................................... 24
2 CAPÍTULO 2 ................................................................................................................... 25
2.1 MARCO REFERENCIAL ........................................................................................ 25
2.1.1 Antecedentes de la investigación. ...................................................................... 25
2.2 MARCO TEÓRICO. ................................................................................................. 26
2.2.1 Energía ............................................................................................................... 26
2.2.2 Energías Renovables .......................................................................................... 26
2.3 Energía Solar ............................................................................................................. 26
2.3.1 Radiación solar................................................................................................... 27
2.3.2 Radiación solar global........................................................................................ 27
2.3.3 Radiación solar directa ....................................................................................... 27
2.3.4 Radiación solar difusa ........................................................................................ 27
2.4 Espectro de la radiación solar.................................................................................... 27
Luz Ultravioleta UV ......................................................................................................... 27
13
Luz visible: ....................................................................................................................... 28
Luz Infrarroja ................................................................................................................... 28
2.5 Insolación y su comportamiento en Ecuador ............................................................ 28
2.5.1 Insolación directa ............................................................................................... 29
2.5.2 Declinación solar ............................................................................................... 30
2.5.3 Potencia solar ..................................................................................................... 31
2.6 Energía de un Fotón .................................................................................................. 31
2.6.1 Factores que influyen en la radiación incidente ................................................. 32
2.6.2 Intensidad(física)................................................................................................ 32
2.7 Concentración solar ................................................................................................... 32
2.7.1 Área de apertura ................................................................................................. 32
2.7.2 Área de recepción .............................................................................................. 32
2.8 Desalinización ........................................................................................................... 33
2.8.1 Desalinización aplicando energía solar .............................................................. 33
2.8.2 Características del Agua de Mar ........................................................................ 34
2.8.3 Salinidad del agua de mar .................................................................................. 34
2.8.4 Caracterización del agua de mar de las playas de Chipipe ................................ 35
2.9 Agua dulce y agua potable ........................................................................................ 35
2.10 Colector solar ............................................................................................................ 36
2.10.1 Tipos de colectores de Fresnel ........................................................................... 36
2.10.2 Algunas tecnologías de concentración solar ...................................................... 37
2.11 Formas de Obtención de agua dulce ......................................................................... 39
2.12 Acero inoxidable ....................................................................................................... 40
2.13 MARCO CONCEPTUAL ......................................................................................... 40
2.14 MARCO CONTEXTUAL ........................................................................................ 42
2.15 MARCO LEGAL ...................................................................................................... 44
2.15.1 Artículos de la constitución de la República Ecuatoriana ................................. 44
2.15.2 Ley orgánica de recursos hídricos, usos y aprovechamiento del agua .............. 46
3 Capítulo 3 ......................................................................................................................... 47
3.1 Metodología de la investigación ............................................................................... 47
3.1.1 Metodología a emplearse. .................................................................................. 47
3.1.2 Muestra de agua empleada ................................................................................. 47
3.2 Materiales y equipos utilizados ................................................................................. 47
3.3 Especificaciones del lente Fresnel............................................................................. 49
3.4 Especificaciones de la estructura del equipo ............................................................. 50
3.4.1 Base giratoria o soporte ..................................................................................... 50
14
3.4.2 Acople móvil ...................................................................................................... 51
3.4.3 Especificaciones del evaporador ........................................................................ 51
3.4.4 Especificaciones del condensador...................................................................... 52
3.5 Diseño y Acople de los materiales ............................................................................ 52
3.6 Descripción del proceso y funcionamiento del equipo ............................................. 53
3.7 Cálculos realizados .................................................................................................... 54
3.7.1 Cálculo del área del evaporador ......................................................................... 54
3.7.2 Cálculo del área efectiva del lente Fresnel ........................................................ 55
3.7.3 Cálculo de la razón de concentración ................................................................ 55
3.7.4 Cálculo de la energía aportada por fotón ........................................................... 56
3.7.5 Cálculo de la potencia del lente Fresnel ............................................................ 56
3.7.6 Cálculo de la eficiencia del destilador ............................................................... 58
4 Capítulo 4 ......................................................................................................................... 59
4.1 Resultados y Discusión ............................................................................................. 59
4.2 Conclusiones ............................................................................................................. 63
4.3 Recomendaciones ...................................................................................................... 63
5 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 64
6 ANEXOS ......................................................................................................................... 67
15
Índice de Tablas
Tabla 1. Operacionalización de la variable dependiente ................................................ 24
Tabla 2.Operacionalización de la variable independiente .............................................. 24
Tabla 3. Insolación global promedio anual ecuatoriana por Provincia ......................... 29
Tabla 4.Clasificación de los concentradores según la relación de concentración ..... 33
Tabla 5.Características típicas del agua de mar ............................................................. 34
Tabla 6. Propiedades termodinámicas del agua de mar a una salinidad de 35.000
mg/L y a 20°C ........................................................................................................................ 35
Tabla 7. Parámetros Físicos Químicos del agua de las Playas de Chipipe mes de
febrero del 2017 .................................................................................................................... 35
Tabla 8.Clasificación del tipo de agua según los sólidos disueltos totales ................. 36
Tabla 9. Energía aportada por fotón .................................................................................. 59
Tabla 10. Temperatura alcanzada por un litro de agua de mar en el recipiente
evaporador en horas antes del medio día ......................................................................... 60
Tabla 11. temperatura alcanzada por un litro de agua de mar en el recipiente
evaporador sin aislamiento térmico.................................................................................... 60
Tabla 12. Calor suministrado al agua de mar .................................................................. 61
Tabla 13. Potencia e Intensidad del lente Fresnel .......................................................... 62
Tabla 14. Eficiencia del destilador ..................................................................................... 62
Índice de Figuras
Figura 1.Delimitación de la zona de estudio .................................................................... 22
Figura 2.Insolación directa en el mes de Enero .............................................................. 29
Figura 3.Insolación directa en el mes de Febrero ........................................................... 30
Figura 4. Altura y Azimut ..................................................................................................... 31
Figura 5. Comportamiento de los rayos de luz al atravesar una lente plano convexa (
izquierda) y una lente de fresnel ( derecha) ..................................................................... 37
Figura 6. Diseño un colector parabólico. .......................................................................... 37
Figura 7.Sistema de seguimiento de colector lineal. ...................................................... 38
Figura 8.Planta solar mediante receptor central ............................................................. 38
Figura 9. Sistema distal en operación en la plataforma solar de Almería, España. .. 39
Figura 10.Formas de obtención de agua dulce ............................................................... 39
Figura 11.Especificaciones lente Fresnel ......................................................................... 49
Figura 12. Base giratoria o soporte ................................................................................... 50
Figura 13.Acople móvil ........................................................................................................ 51
Figura 14. Evaporador ......................................................................................................... 52
Figura 15.Condensador ....................................................................................................... 52
Figura 16. Gráfico de dispersión de ebullición a partir de las 10:00 horas ................. 60
Figura 17.Gráfico de dispersión de ebullición a partir de las 13:00 horas .................. 61
16
Simbología
e : Energía
E : Eficiencia
h : Constante de Planck
λ : Longitud de onda
v : Frecuencia
I : Intensidad
P : Potencia
A : Área
N : Razón o relación de concentración
Aa : Área de apertura del colector solar
Ar : Área del receptor (evaporador)
m² : Metros cuadrados
m³ : Metros cúbicos
w : Vatio
kw : Kilovatio
Tw : Teravatio
wh : Vatio hora
kw h : Kilovatio hora
hm³ : Hectómetro cúbico
hab : Habitante
SD : Sólidos disueltos
SDT : Sólidos disueltos Totales
cp : Calor específico
CSP : Concentrated Solar power
J : Joules
s : Segundos
ev : Electrovoltio
kg : Kilogramo
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1 CAPÍTULO 1
1.1 Planteamiento Del Problema.
1.1.1 Antecedentes del problema
En sectores rurales del Ecuador y algunas partes del mundo, varias personas carecen
de agua en sus hogares y experimentan una limitación en su calidad de vida. Ante la
escasez de este recurso se puede ejercitar sólo una higiene básica y la falta de agua
potable tiene un impacto negativo en la salud, que afectan a toda la población y medio
ambiente: humanos, plantas y animales. Además, el uso del tiempo para obtener el
agua y llevarla a los hogares limita la realización de otras actividades (PNUD, 2018).
La calidad del agua en los últimos años está siendo afectada por las diversas
actividades antropogénicas, provocando la afectación a las fuentes de agua
superficiales y subterráneas en la cual se ha producido el deterioro ambiental por la
falta de aplicabilidad de las normas ambientales ha provocado la progresiva
contaminación de los recursos hídricos. Además, el crecimiento demográfico,
industrial, usos de sustancias químicas no biodegradables, disposición final
inadecuada de residuos y desechos peligrosos, el alto consumo de los recursos
renovables y no renovables promueve el deterioro de la calidad del agua (SENAGUA,
2016, pág. 30).
Es indubitable la necesidad de aguas libres de contaminantes, sin embargo, el
tratamiento que éstas requieren para su purificación, conlleva a procesos costosos,
la mayoría de los cuales emplean energía de origen fósil, que en su combustión
emiten otros contaminantes sobrecargando así un nuevo impacto ambiental.
Entendido esto, es conveniente el empleo de equipos que no sólo no generen
contaminantes en la atmósfera, sino que también logren cumplir de manera eficiente
su finalidad en el tratamiento de aguas. La propuesta de este proyecto consiste en
construir un destilador que llevará a cabo su operación unitaria empleando energía
alternativa renovable, esto, mediante la inclusión de un sistema de lentes Fresnel que
ayudará al aprovechamiento de la energía solar, concentrando la luz solar en un área
muy pequeña para generar calor, y así llevar a cabo la destilación y desalinización del
18
agua como medio de purificación, reduciendo problemas de escasez de agua potable,
emisión de contaminantes al ambiente y costos de procesos.
1.1.2 Situación actual
El mayor potencial hídrico del país (88%) se ubica en la vertiente Amazónica, donde
en contraste vive solamente el 4% de la población nacional, la disponibilidad en el
Pacífico, siendo alta, no está tan alejada del valor crítico de 2.000 m³/hab./año, sin
embargo, a través de un análisis, comprobamos que existen cuencas con
disponibilidades inferiores al referido valor, estas son las de Carchi, Cojimíes, Jama,
Chone, Portoviejo, Jipijapa, Guayas, Zapotal, Taura, Balao y Arenillas – Zarumilla. Si
tomamos en cuenta la regulación artificial instalada, la situación mejora para las
cuencas de Chone, Portoviejo, Guayas, Zapotal y Arenillas – Zarumilla. La
disponibilidad de agua en Ecuador puede variar de 4’320.000 hm³ en la estación
lluviosa, hasta sólo 146.000 hm³ en la estación seca. La precipitación media anual
asciende a 2.274 mm, pero la distribución espacial y temporal es muy diversa.
Aunque en Ecuador hay una reducción progresiva de la disponibilidad de agua, hasta
ahora existe una importante riqueza hídrica. El promedio per cápita de agua en
Ecuador alcanzó los 34.161 m³/año para el año 2000 y 32.170 m³/año para el año
2005 con lo que superaría varias veces la media mundial, que para el año 1992 se
calculaba en 7.400 m³/ha/año, dato que se prevé reducir a 5.100 m³ para el año 2025.
El país posee dos vertientes hidrográficas; la del Atlántico al oriente y la del Pacífico
al occidente del país. La cantidad de agua disponible en todos los sistemas
hidrográficos es de 432.000 hm³/año, de los cuales, 115.000 corresponden a la
vertiente del Pacífico y 317.000 a la Amazónica; pero la disponibilidad general para
el país es de sólo 34% o sea 147.000 hm³. Los sistemas hidrográficos que cursan
por la Amazonía y desembocan en el Atlántico, constituyen el 86% de los recursos
hídricos del país, mientras que aquellos que desembocan en el Pacífico constituyen
el 14%, sin embargo, la demanda para los distintos usos es inversamente
proporcional a esta disponibilidad, es decir, desde la vertiente del Pacífico, se atiende
la demanda para una población mucho mayor y para usos destinados al consumo
humano, riego, industria, minería, entre otros. Mientras que, desde la vertiente del
Atlántico, la demanda es mucho menor y está concentrada en actividades
19
hidrocarburíferas, mineras y recreativas. (Agencia de Regulación y control del Agua,
2017, pág. 18)
En la provincia de Santa Elena, en el cantón de Salinas (lugar donde se encuentra
ubicada las playas de Chipipe), la cual posee una población de alrededor de 308000
habitantes, tiene como peculiaridad una constante escasez de agua dulce, ya sea por
falta de una correcta implementación de tecnología que puede ir ligado al aspecto
socioeconómico por parte de su municipio y del estado, sumado a la falta de una
buena distribución de tuberías, además de que la distribución espacial de su recurso
hídrico es deficiente lo que dificulta la colocación de buenos puntos estratégicos para
su obtención.
El diseño del prototipo de destilador presentado en este proyecto podría ayudar a
solucionar cada una de estas problemáticas utilizando agua de mar la cual es
abundante no solo en este sector de salinas.
1.1.3 Formulación del problema
Debido a la localización del cantón Salinas correspondiente a una zona árida con
suelo de aspecto salitre por su ubicación junto a las playas, que también es un factor
influyente en los recursos subterráneos y superficiales hídricos de agua dulce pero
que cuenta con abundante agua de mar en sus playas, si se llegara a utilizar un lente
que permita concentrar la luz del sol para aprovechamiento de su energía de carácter
renovable y se lo adapta a un equipo de destilación para desalinizar agua de mar
estaríamos tomando fuentes de energías infinitas.
1.1.4 Sistematización del problema
¿Por qué utilizar un lente Fresnel y no un lente convencional?
¿De qué tamaño debe ser el lente Fresnel?
¿Cuál es la distancia óptima para mejorar la evaporación?
¿De qué material debe ser el recipiente evaporador?
¿De qué tamaño debe ser el recipiente evaporador?
¿Cómo se determinará la potencia del lente Fresnel?
20
1.2 Objetivos de la Investigación
1.2.1 Objetivo General
▪ Diseñar y construir un destilador solar con sistema de lente Fresnel
destinado a desalinizar agua de mar.
1.2.2 Objetivos Específicos
▪ Seleccionar materiales apropiados para la construcción del destilador solar
con lente Fresnel.
▪ Construir un prototipo de destilador solar con lente Fresnel mediante la
integración de los materiales seleccionados.
▪ Experimentar y cuantificar la eficiencia del destilador solar con lente Fresnel.
1.3 Justificación
1.3.1 Justificación Teórica
El lente de Fresnel es un concentrador de energía solar y puede ser capaz de generar
altas temperaturas aprovechando la energía del sol (luz solar), utilizándola en el
beneficio humano como recurso no contaminante y enfocándola en el diseño del
equipo que se propone, será capaz de tomar dicha fuente para alivianar la recarga y
costos de los gastos generados por otras fuentes de energía que consumen
derivados del petróleo y que son además de agotables, perjudiciales.
El primer paso para el aprovechamiento de la energía solar es su captación, aspecto
dentro del que se pueden distinguir dos tipos de sistemas:
Pasivos: no necesitan ningún dispositivo para captar la energía solar, el
aprovechamiento se logra aplicando distintos elementos arquitectónicos. Aquí, se
introduce el concepto de arquitectura bioclimática con el diseño de edificaciones para
aprovechar al máximo los recursos disponibles (sol, viento) reduciendo así, en lo
posible, el consumo energético y minimizando el impacto ambiental.
Activos: captan la radiación solar por medio de un elemento de determinadas
características, llamado "colector"; según sea éste se puede llevar a cabo una
conversión térmica aprovechando el calor contenido en la radiación solar (a baja,
media o alta temperatura), o bien una conversión eléctrica, aprovechando la energía
21
luminosa de la radiación solar para generar directamente energía eléctrica por medio
del llamado "efecto fotovoltaico".
Los lentes son instrumentos que sirven para concentrar la luz solar en un área muy
pequeña para generar calor, que a su vez puede tener aplicaciones como producción
eléctrica, generación de calor, etc. Dejan pasar la luz y durante esto la luz se refracta.
Los lentes sencillos o compuestos se caracterizan por dos factores: la distancia focal
de la lente y la relación entre la distancia focal y el diámetro del lente. La distancia
focal es la longitud entre el centro del lente y el objeto a enfocar. La relación entre la
distancia focal y el diámetro del mismo determina su capacidad para receptar la
luminosidad (energía solar), se representa con la letra f (Calvopiña Tapia, 2015).
Un colector de Fresnel es un concentrador lineal de altas temperaturas, la cual puede
aprovecharse fácilmente para evaporación y posterior destilación de agua.
La desalinización de agua salobre con la eliminación de las demás impurezas
requiere gran cantidad de energía y utilizar energías provenientes de combustibles
fósiles no es una solución que se tomará en cuenta ya que las emisiones de gases
de efecto invernadero sin lugar a duda aumentarían, provocando un cambio climático
más pronunciado. Una solución aceptable es utilizar algún tipo de energía limpia y
renovable (Felipe, 2010).
1.3.2 Justificación Metodológica
Para cumplir el objetivo del presente trabajo, se realizará una metodología
experimental. En cuanto para el diseño y construcción del equipo, se mantendrá
apoyo en el método investigativo; mediante la recolección de datos provenientes de
materiales relevantes y confiables con evidencia científica y bibliográfica.
Además, mantiene un enfoque cuantitativo y cualitativo ya que, al realizar la puesta
en marcha del destilador de fuente renovable, se evaluarán eficiencia y calidad del
producto obtenido mediante un método analítico.
1.3.3 Justificación Práctica
La construcción del equipo de destilador solar con sistema de lente Fresnel planteado
en este proyecto, servirá para mejorar la calidad del agua sin deteriorar el medio
22
ambiente en el proceso, además, se busca que sea viable económicamente para la
comunidad. El desarrollo del prototipo que se propone de destilador marcaría un gran
beneficio socio económico-ambiental ya que; se generarían menores costos en el
tratamiento de aguas, eliminaría el uso de energías eléctricas que provienen de la
quema de combustibles de orígenes fósiles, reduciendo así emisiones contaminantes
y crearía una conciencia ambiental entre los pobladores. Además, que incluiría en su
diseño durabilidad y fácil capacidad de uso. Asimismo, se esperaría fuera susceptible
de mejorar cada vez su diseño.
1.4 Delimitación
1.4.1 Delimitación temporal
El desarrollo del trabajo de titulación se llevó a cabo en dos partes: la primera parte
experimental que duró alrededor de 90 días y la segunda parte, investigativa con una
cantidad de 60 días.
1.4.2 Delimitación espacial
La muestra de aguas se tomó de las playas de Chipipe ubicada en la región costa
en la provincia de Santa Elena, cantón Salinas latitud-2.2167, longitud-80.9500666.
Figura 1.Delimitación de la zona de estudio
Obtenido: Google Maps
23
1.5 Hipótesis o premisas de la investigación
¿Podrá el diseño del Destilador Solar con sistema lente Fresnel que se propone en
el presente proyecto, alcanzar la temperatura óptima para lograr destilar y desalinizar
agua de mar?
1.6 Variables y su operacionalización
1.6.1 Variable independiente
▪ Diseño y construcción del destilador solar
Sub variables:
▪ Colector solar de Fresnel
▪ Intensidad de luz solar
1.6.2 Variable dependiente
▪ Cantidad de agua evaporada.
Sub variables:
▪ Temperatura del agua
▪ Ángulo de refracción
▪ Incidencia de la luz solar
▪ Distancia focal.
24
1.6.3 Operacionalización de las variables
Tabla 1. Operacionalización de la variable dependiente
Variable
Dependiente
Definición
conceptual
Sub
Variables
Indicadores Unidades de
medida
Diseño y
construcción
del destilador
solar
Equipo que
utilizará la
energía del sol
para destilar
agua de mar
aprovechando
su energía
renovable como
fuente de calor.
Colector solar
de Fresnel
Potencia w(watts)
Intensidad de
luz solar
Intensidad w/ m²( watts/metro
cuadrado)
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
Tabla 2.Operacionalización de la variable independiente
Variable
Independiente
Definición
conceptual
Sub
Variables
Indicadores Unidades de
medida
Cantidad de
agua evaporada
Volumen,
cantidad dada en
mililitros de
destilado
obtenido por
agua alimentada
en el evaporador.
Temperatura
del agua
Temperatura °C (Grados
centígrados)
Angulo de
refracción
Angulo °(Grados)
Incidencia de
la Luz solar
Angulo °(Grados)
Distancia Focal Longitud m (metros)
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
25
2 CAPÍTULO 2
2.1 MARCO REFERENCIAL
2.1.1 Antecedentes de la investigación.
En 1872 en Las Salinas de Antofagasta, Chile se elaboró la primera planta de
destilación solar, Charles Wilson ingeniero sueco se encargó de diseñarla. Con un
área de producción de 4000 metros cuadrados la planta de destilación solar obtenía
poco más de 20 mil litros de agua desalinizada diarios en el verano. Es decir que la
población obtenía por cada metro cuadrado de agua salobre 5 litros de agua potable
(Alexander, 2015).
La lente de Fresnel inventada por Augustin Jean Fresnel es una lente óptica delgada
y plana que consiste en una serie de pequeñas ranuras concéntricas estrechas en la
superficie de una lámina de plástico de peso ligero con el fin de reducir el espesor,
peso y costo. Cada ranura está en un ángulo ligeramente diferente a la siguiente, y
con la misma distancia focal con el fin de enfocar la luz hacia un punto focal central.
Cada ranura puede ser considerada como una pequeña lente individual a doblar las
ondas de luz de Fresnel paralelo y enfocar la luz (Serrano, 2015).
La Energía solar, fuente de energía renovable que llega a través del sol a la Tierra en
forma de radiación electromagnética como luz, calor o mayormente rayos
ultravioletas. Podemos transformar la radiación solar en distintos tipos de energías ya
sea en energía eléctrica o energía térmica.
El Ecuador posee una ubicación geográfica estratégica con respecto a la energía
proporcionada por el sol. En el Ecuador el ángulo de incidencia del sol es
perpendicular a la superficie en el periodo total al año lo cual, no ocurre lo mismo en
otros lugares, en donde el ángulo de incidencia del sol depende de las 4 temporadas
naturales en el año.
Esta característica con respecto a su posición se convierte en una ventaja que nos
proporciona que la energía solar sea constante y de mayor intensidad, la cual sólo se
puede ver afectada por las condiciones climatológicas locales (Valeria, 2017)
26
2.2 MARCO TEÓRICO.
2.2.1 Energía
Propiedad que posee o presenta todo cuerpo, sistema o material en virtud de la cual
este puede transformarse, modificando su situación o estado el cual puede ser pasivo
o activo, en movimiento o reposo, así como de actuar sobre otros originando también
en ellos procesos de transformación.
La energía puede ponerse de manifiesto en diferentes formas a través de los distintos
tipos de energía cinética, potencial, eléctrica, química, calorífica, luminosa etc.
Pudiéndose convertir de unas en otras.
La energía se conserva, aunque en el efecto práctico dado el proceso de degradación
es como si hubiese perdido parte de esa energía. (Rodríguez Marín , 2011)
2.2.2 Energías Renovables
Se llama energía renovable a todas aquellas energías que pueden obtenerse por
medio de recursos naturales tales como la luz solar, las olas, lluvias, mareas y energía
geotérmica. Cuando se repite o se tiene una disponibilidad constante y activa de un
recurso energético natural se lo puede llamar recurso de energía renovable.
El sol es la principal fuente de energía renovable, una energía derivada de la energía
solar es la eólica; actualmente se consideran las principalmente usadas y con mayor
éxito. Debido al agotamiento de los combustibles fósiles, el cuidado del medio
ambiente y las condiciones económicas; recurrir a fuentes de energía renovable ha
sido necesario en gran manera de modo que países en todo el mundo dependen cada
vez más de estos tipos de energía. En este contexto es necesario recordar la
importancia del desarrollo sostenible (Murty, 2017).
2.3 Energía Solar
La energía Solar posee varias características, la principal es la de ser una fuente de
energía inagotable que al no generar gases de efecto invernadero se considera una
energía limpia y con un impacto ambiental prácticamente nulo, llega a nosotros sin
costo alguno. Sin embargo, para utilizarla necesitamos desarrollar tecnologías
científicas, superar dificultades ya sean técnicas, institucionales o de aspecto
económico (Contreras Vidal, 2017).
27
2.3.1 Radiación solar
Al llegar la energía solar a la tierra pasará por fenómenos de diferentes tipos como la
absorción, la reflexión y la transmisión; la energía resultante se llama radiación solar.
Podemos concluir que debido a que la energía solar pasa por diferentes fenómenos
sólo podemos aprovechar un porcentaje de ésta, y el valor que podemos obtener de
ella está sujeto a dos factores; el ángulo de inclinación que tiene el sol con respecto
al planeta tierra y las condiciones climatológicas que posee el lugar. Radiación directa,
radiación difusa y radiación reflejada o de albedo son las tres maneras que tiene la
energía solar de presentarse luego de atravesar la atmósfera (Luna Peñafiel & Ruiz
Antamba, 2017).
2.3.2 Radiación solar global
Es el porcentaje total de toda la radiación que incide sobre la superficie de nuestro
planeta Tierra, por tanto, es la suma de la radiación difusa y la radiación directa y
también la reflejada. (Contreras Vidal, 2017)
2.3.3 Radiación solar directa
Es la fracción de radiación solar cuando el cielo está despejado es decir llega de
manera directa desde el sol con una trayectoria definida y limpia. Depende de factores
como latitud, día del año y hora del día es decir es la radiación que incide directamente
del sol. (Contreras Vidal, 2017)
2.3.4 Radiación solar difusa
Es de valor numérico menor que la radiación directa al ser dispersada o disminuida
por los agentes atmosféricos como nubes, es decir su trayectoria no está definida o
no incide de manera directa, producto de la absorción, dispersión, y reflexión
ocasionada por los gases, polvo, etc. que se encuentran presentes en la atmosfera.
(Contreras Vidal, 2017)
2.4 Espectro de la radiación solar
Luz Ultravioleta UV: Es la longitud de onda que tiene mayor cantidad de energía que
la luz infrarroja y la luz visible. Se divide en tres :
UV tipo A conocida también como luz negra es la menos peligrosa debido a que
contiene poca cantidad de energía se encuentra entre 0.315um a 0.40um en el
espectro.
UV tipo B su energía es la más peligrosa ya que puede dañar los tejidos provocando
cáncer de piel. Aunque cierta parte es bloqueada debido a la atmosfera parte del
espectro se encuentra entre 0.28um a 0.315um.
28
UV tipo C no llega a la superficie de la tierra ya que sus fotones colapsan con átomos
de oxígeno intercambiando energía que contribuyen a formar la capa de ozono se
encuentra entre 0.10um a 0.28um. (Pereira Ayabaca & Tenemea Lima, 2018)
Luz visible: Corresponde a la radiación que es de fácil percepción por las personas,
su longitud de onda tiene la característica del lumen, el cual es el equivalente de la
potencia el vatio. Su longitud de onda va desde 400nm a 700nm. (Pereira Ayabaca &
Tenemea Lima, 2018)
Luz Infrarroja: Sus fotones tienen menor cantidad de energía, se presenta en forma
de calor sensible dentro de cualquier banda, su luz no permite refractar o enfocar con
lentes, debido a que posee mayor refracción. (Pereira Ayabaca & Tenemea Lima,
2018)
2.5 Insolación y su comportamiento en Ecuador
La insolación es determinada mediante la suma de las irradiancias en el tiempo siendo
una acumulación de energía que recibe un metro cuadrado durante el período de
tiempo, y es expresada en kilovatio – hora por metro cuadrado distribuido en el
período de un día kw.h / m². Dia se utiliza generalmente para clasificar el potencial de
la energía de un panel solar multiplicando la potencia que se espera del panel por la
cantidad de energía diaria. Este comportamiento en la República del Ecuador tiene
un rango desde 700w.h/ m².día hasta 6500w.h/ m². día (Luna Peñafiel & Ruiz
Antamba, 2017)
29
Tabla 3. Insolación global promedio anual ecuatoriana por Provincia
Fuente: (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
2.5.1 Insolación directa
En los siguientes mapas se muestra la insolación directa en Ecuador
Fuente: (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
Figura 2.Insolación directa en el mes de Enero
30
En el mes de enero, se presentó un valor máximo de insolación de 4342wh/ m².dia,
el valor mínimo 423wh/ m².dia, su valor promedio 2264,9wh/ m².dia y la desviación
estándar de 860,5454wh/ m².dia
Fuente: (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
En el mes de febrero, se presentó un valor máximo de insolación de 4722wh/ m².dia,
el valor mínimo 544wh/ m².dia, su valor promedio 1828wh/ m².dia y la desviación
estándar de 547,2988wh/ m².dia
Para ambos meses, tanto enero y febrero, se visualiza en el mapa que para la
provincia de Santa Elena cuenta con una insolación cuyo valor mínimo es de 1800wh/
m².dia y su valor máximo de 2100wh/ m².dia con promedio
2.5.2 Declinación solar
Es indispensable conocer la irradiación solar en el plano y la trayectoria del sol en las
distintas temporadas del año, la cual, viene determinada por el azimut y la altura del
sol. El azimut es el ángulo que forma un cuerpo con el norte respecto a la proyección
horizontal del cuerpo. La orientación es definida mediante el azimut solar y el azimut
del panel el cual para nuestro caso será el de la lente Fresnel. Donde el primero es el
ángulo formado por la posición aparente del sol y la horizontal del lugar de aplicación,
y el segundo es el ángulo o la inclinación del módulo. La posición del sol con respecto
a un punto fijo es diferente a lo largo del día (debido al movimiento rotacional de la
tierra) y en un día al otro en la misma hora (debido al movimiento traslacional de la
Figura 3.Insolación directa en el mes de Febrero
31
tierra). El 21 o 22 de marzo fecha del equinoccio de otoño, el sol sale por el Este y se
pone por el Oeste con un ángulo de declinación de 0 grados. Después de unos días,
estos puntos se desplazan hacia el Norte hasta el 21 o 22 de junio (Solsticio de
Invierno) con un ángulo positivo de declinación de 23.45 grados, en donde, el sol
alcanza su máxima altura. A partir del 22 de junio el sol se va alejando del Norte y
acercándose hacia el Este y Oeste hasta el equinoccio de primavera (22 o 23 de
septiembre) donde nuevamente su ángulo es de 0 grados. Luego se va acercando
hacia el punto sur, hasta el 22 de diciembre solsticio de verano, donde el sol sale al
sur desde el este siendo su ángulo de declinación negativo de 23.45 grados.
(Cárdenas Calle, 2019)
Fuente: (Izquierdo Torres & Pacheco Portilla, 2017)
2.5.3 Potencia solar
La potencia solar es la electricidad producida por la luz solar. En un cielo sin nubes,
el poder de la luz solar al mediodía es de aproximadamente 1kW / m² . Se estima que
86,000 Tw de potencia llegan a la Tierra desde el sol. Hay dos procesos principales
a través de los cuales se produce energía solar en la actualidad y son: Tecnología de
energía solar concentrada (CSP) y método solar fotovoltaico. Ambos están en uso
(Murty, 2017).
2.6 Energía de un Fotón
Un fotón no posee masa, en la refracción tiene el comportamiento de una onda que
se da a través de un lente. Se lo conoce como portador de la radiación
electromagnética. Presenta el comportamiento de una partícula al entrar en contacto
con la materia, transfiriéndole su energía(calor), la fórmula para calcular su energía
está dada por:
Figura 4. Altura y Azimut
32
e= ℎ𝑐
λ =hv
Donde, c es la velocidad de la luz, h es la constante de Planck cuyo valor es
6,63𝑥10ˉ34𝐽. 𝑠, λ es la longitud de onda, v la frecuencia.
2.6.1 Factores que influyen en la radiación incidente
Podemos decir que hay dos factores influyentes que determinan la incidencia de rayos
solares, el primero que disminuye su intensidad es el ángulo de incidencia sobre la
superficie y el segundo se debe a la inclinación del sol con respecto a la tierra
aumentando el espesor del filtro atmosférico haciendo que pierda su intensidad. La
radiación atraviesa entonces la masa de aire antes de impactar la superficie terrestre
disminuyendo el valor de la constante solar promedio a 960 w / m² valor q se redondea
a 1kw / m² (Izquierdo Torres & Pacheco Portilla, 2017)
2.6.2 Intensidad(física)
Corresponde a la potencia aplicada por unidad de área su fórmula es:
I =P
A
Donde P es la potencia en watts, y A es el área en metro cuadrado.
2.7 Concentración solar
Consiste en captar los fotones llevándolos de un área mayor (como la del colector) a
un área menor (del receptor) (Revelo Benavides & Salazar Muñoz, 2019).
2.7.1 Área de apertura
Corresponde al área efectiva del colector mediante la cual se capta la radiación del
sol.
2.7.2 Área de recepción
Esta dada por el área del colector
Relación de concentración
La relación de concentración es una forma de encasillar al colector para saber si es
de baja , media o alta concentración.
𝑁 =𝐴𝑎𝐴𝑟
Donde N es la razón de concentración, Aa es el área de apertura en (m²) y Ar es el
área de recepción en (m²)
33
Tabla 4.Clasificación de los concentradores según la relación de concentración
Según la razón de concentración:
Baja C (2, 10)
Media C (10, 100)
Alta C (>100) Fuente: (Jaramillo Mora, 2014)
2.8 Desalinización
La desalinización conocida también como desalación es un proceso mediante el cual
se elimina la sal del agua de mar o salobre, obteniendo agua dulce. Las plantas
industriales desalinizadoras están destinadas a retirar la sal y recuperar el agua
dulce. Para desalinizar podemos tomar tanto agua de mar como agua salobre para
utilizar como agua de alimentación. Las aguas salobres pueden ser superficiales,
subterráneas e incluso pueden ser agua residual depurada. Esta agua puede ser
previamente filtrada o sometida directamente a evaporación, obteniendo agua lista
para el consumo (o puede necesitar de un tratamiento posterior) y un producto de
rechazo que es la salmuera. La salmuera es agua que tiene un alto contenido de sal
que puede ser regresada de nuevo al mar para no afectar el ecosistema teniendo en
cuenta a la hora de realizar el vertido de la misma utilizar un método adecuado y
cuidadoso (Borja Montaño, 2011).
2.8.1 Desalinización aplicando energía solar
La integración de una fuente de energía renovable como la proporcionada por el sol
con sistema de potabilización, promete ser una solución viable a la escasez de agua
potable y al cambio climático. Pero sólo el 1% del total del agua potabilizada se
produce con energías renovables en todo el mundo.
Las energías renovables y las energías convencionales pueden ser combinadas. De
las aplicaciones con energía solar, la más utilizada es la fotovoltaica para generación
o cogeneración de energía y aprovechamiento de calor. La experiencia en combinar
energía solar térmica con tecnologías de ósmosis inversa es muy limitada
En la actualidad la tecnología para desalinizar agua de mar, se da mediante los
procesos de Flashing en Múltiple Etapa, Destilación en Múltiple Efecto y el proceso
de membrana de Ósmosis Inversa, los cuales han logrado alcanzar aplicaciones
comerciales a gran escala. En años recientes, se ha tenido un gran interés en los
procesos híbridos, que consisten en combinaciones de algún proceso de destilación
con la Ósmosis Inversa. (Claudio Gomez, 2018)
34
2.8.2 Características del Agua de Mar
El agua de mar tiene como componente mayoritario la sal, por ello al hablar de las
características del agua de mar nos enfocaremos en su alto contenido de sal; sin des
mencionar la presencia de muchos otros componentes presentes en menor
concentración. De acuerdo al origen procedente del agua y sus características físico
químicas van a variar las concentraciones de los diferentes componentes presentes.
La temperatura y los sólidos en suspensión son características físicas que podemos
destacar. En el agua del mar están presentes sólidos en suspensión o sólidos
disueltos, podemos determinarlos por métodos gravimétricos. Durante la
determinación de los sólidos no se diferencian los de origen orgánico de los
inorgánicos. El contenido de sólidos se encuentra asociado al tipo de captación del
agua del mar (Pérez Gómez, 2017)
Tabla 5.Características típicas del agua de mar
Parámetro Intervalos de Referencia
Temperatura, ºC 15 –35 Ph 7,9 -8,1
Sales disueltas, mg/L 30.000 -45.000
Conductividad (a 20ºC) 44.000 -58.000 Bicarbonatos, mg/L 120 –170
Sulfatos, mg/L 2.425 -3.000 Cloruros, mg/L 17.500 -21.000
Bromuros, mg/L 59 –120
Nitratos, mg/L 0,001 -4,0 Fluoruros, mg/L 1
Boro, mg/L 4,0 -6,0
Amonio, mg/L 0,005 -0,05 Sodio, mg/L 9.600 -11.700
Potasio, mg/L 350 –500
Calcio, mg/L 375 –525 Magnesio, mg/L 1.025 -1.400
Estroncio, mg/L 12,0 -14,0
Sílice (SiO2), mg/L 0,01 -7,4 Carbono orgánico total, mg/L 1,2 -3,0
Nitrógeno orgánico, mg/L 0,005 -0,03 Fuente : (Pérez Gómez, 2017)
2.8.3 Salinidad del agua de mar
La salinidad de referencia del agua de mar por lo general es de 35.000mg/L a esta
concentración se pueden conocer propiedades como son el calor específico o su
presión osmótica.
35
Tabla 6. Propiedades termodinámicas del agua de mar a una salinidad de 35.000 mg/L y a 20°C
Fuente: (Fajardo Cadena, 2018)
2.8.4 Caracterización del agua de mar de las playas de Chipipe
Tabla 7. Parámetros Físicos Químicos del agua de las Playas de Chipipe mes de febrero del 2017
Fuente: (Villacres Flores & Villamar Moreno, 2017)
2.9 Agua dulce y agua potable
Es necesario aclarar las diferencias entre agua dulce y agua potable. Las normativas
que dictan los estándares de un agua dulce o no, cambian según sea el país; sin
embargo, según acuerdo de la OMS (Organización Mundial de la Salud) establece
que si los SDT son menores a 500ppm una solución puede ser considerada como
PROPIEDAD VALOR
Densidad (kg/m3) 1.024
Viscosidad (kg/m.s) 1,074*10-3
Calor específico (kJ/kg.°C) 3,998
Presión osmótica (bar) 27
Elevación del punto de ebullición, a 20°C (°C) 0,32
Elevación del punto de ebullición, a 100°C (°C) 0,51
36
agua dulce. Químicamente el agua potable tiene el mismo concepto, físicamente hay
que agregarle ciertas características tales como que sea incolora, inodora, insípida y
que se encuentre libre de bacterias que sean contaminantes. El agua potable no
puede bajo ninguna circunstancia generar un riesgo considerable para la salud de los
consumidores cuando se lo ha consumido durante toda la vida, según la Organización
Mundial de la Salud OMS55; teniendo en cuenta la vulnerabilidad del ser humano en
las diferentes ciclos en su vida. El agua potable debe estar calificada para higiene
personal como para uso doméstico. La explotación de agua dulce a nivel mundial es
de 3.928km³/año de acuerdo con la FAO (Organización de las Naciones Unidas para
la alimentación y la agricultura). Con un 44%, es decir 1.716 km³/año, la agricultura
es la actividad con mayor consumo de agua (Fajardo Cadena, 2018).
Tabla 8.Clasificación del tipo de agua según los sólidos disueltos totales
Agua pura SD < 500 mg/L
Agua de río o baja concentración 500 mg/L < SD < 3000 mg/L
Agua salobre 3000 mg/L < SD < 20.000 mg/L
Agua marina 20.000 mg/L < SD < 50.000 mg/L
Salmuera SD > 50.000 mg/L Fuente: (Pérez Gómez, 2017)
2.10 Colector solar
Los colectores solares son dispositivos utilizados para colectar, absorber y transferir
energía solar a un fluido, que puede ser agua o aire. La energía solar, puede ser
utilizada para calentar agua, para sistemas de calefacción o para climatización de
piscinas (Torres Muro, 2017) en definitiva es un captador solar diseñado para recoger
(colectar) la energía recibida del sol y elevar la temperatura (el nivel térmico) de un
fluido para luego poder ser aprovechado.
2.10.1 Tipos de colectores de Fresnel
Presentan dos variaciones:
FLC colector de lente Fresnel. Permite la refracción de los rayos solares a través
de una serie de ranuras o anillos concéntricos, fabricados en materiales plásticos,
diseñados para concentrar los rayos solares en un punto de recepción.
CLF colector solar lineal de Fresnel. Mediante reflectores de espejos planos
ligeramente curvados concentran la radiación haciendo incidir los rayos en un punto
fijo en donde generalmente va colocado un tubo inmóvil y que puede convertir
directamente en vapor el agua calentada (Revelo Benavides & Salazar Muñoz, 2019).
37
Fuente: (Jaramillo Mora, 2014)
2.10.2 Algunas tecnologías de concentración solar
Planta solar térmica mediante Canal Parabólico. (PTC)
Captura la energía del sol en especial el espectro infrarrojo, mediante el uso de un
fluido que transmiten calor, empleando el principio de la parábola reflejando todo rayo
que incide hacia el foco de la misma, se aplica a la radiación solar directa y consiste
en rotar constantemente los colectores para maximizar la absorción de rayos solares
en el área de colector (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018).
Figura 6. Diseño un colector parabólico.
Fuente: (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
Planta solar térmica mediante Colectores Lineales de Fresnel. (LFR)
Estos tipos de colectores utilizan un método de captación lineal y pueden rotar dando
seguimiento al sol, su manera de operar es similar al parabólico, concentrando la
radiación en un punto, pero siendo de menor costo, ya que usa espejos planos y
convencionales para su construcción (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018).
Figura 5. Comportamiento de los rayos de luz al atravesar una lente plano convexa ( izquierda) y una lente de fresnel ( derecha)
38
Figura 7.Sistema de seguimiento de colector lineal.
Fuente: (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
Planta solar térmica mediante Receptor Central. (HFC)
Presenta de igual manera que los anteriormente mencionados, un receptor central,
además de contar con helióstatos que son un conjunto de espejos planos los cuales
se orientan según la posición del sol para capturar en todo momento la radiación y
luego enviarla al receptor, concentrándola unas 600 o 1000 veces sobre un receptor
que se sitúa en lo alto de una torre, calentando un fluido y mediante el vapor generado
producir energía eléctrica (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
.
.
Fuente: (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
Planta solar térmica mediante Disco parabólico. (PDC)
Esta planta diseñada con motores Stirling están conformada por un disco parabólico
y un generador de energía. Concentra la radiación en un receptor ubicado en el foco
acoplado al motor mencionado, Este funciona con un gas que puede ser helio o
hidrógeno y mediante la radiación recibida se calienta haciendo mover los pistones
del motor generando corriente eléctrica (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018).
Figura 8.Planta solar mediante receptor central
39
Figura 9. Sistema distal en operación en la plataforma solar de Almería, España.
Fuente: (Guerrero Dumas & León Bravo , 2018)
2.11 Formas de Obtención de agua dulce
El agua dulce corresponde de manera general a un proceso de destilación, se la
puede obtener indistintamente, por ejemplo; de forma natural, mediante el ciclo del
agua, cuando ésta es condensada en la atmósfera (nubes) por medio de la superficie,
es por eso que el agua lluvia es mucho más blanda que otras en su estado natural.
Mediante obtención en el laboratorio a partir del alambique de destilación o
destiladores mucho más avanzados tecnológicamente.
Otro método de obtención es el de la aplicación de energías renovables con el
desarrollo de técnicas que usan la energía solar para la destilación del agua, estos
equipos se conocen como destiladores solares y utilizan el sol como energía para la
evaporación del agua, los cuales pueden ser a su vez sin concentración utilizando de
manera natural la luz solar los cuales alcanzan baja energía y por concentración
utilizando la ayuda de colectores alcanzando mayores temperaturas. La eficacia en
el diseño del destilador hace que sea más o menos eficiente (Paz, 2012)
Fuente: (Paz, 2012)
Figura 10.Formas de obtención de agua dulce
40
2.12 Acero inoxidable
La versatilidad del acero inoxidable lo convierte en un excelente material en la
fabricación de recipientes que se encontraran en contacto directo con alimentos y
bebidas.
Su superficie es totalmente compacta, carece de poros, impide que los gérmenes
proliferen y que puedan alterar el producto. Tiene gran resistencia a choques y
tensiones mecánicas, junto con sus excelentes propiedades para moldeo, en
condiciones en las que otros equipos fallarían, este en cambio nos puede facilitar la
construcción de equipos de gran tamaño.
Presenta una gran resistencia a variaciones térmicas, cualidad que nos permite
trabajar en un amplio rango de temperaturas, que pueden ir desde el congelado hasta
la cocción. (Cedinox, 2019).
2.13 MARCO CONCEPTUAL
Agua destilada: El agua destilada, es aquella que como todo tipo de agua su
composición se basa en la unidad de moléculas H2O, pero con la diferencia de que
ha sido sometida a un proceso de purificación como la destilación, donde se ha
eliminado sales minerales, impurezas, microorganismos, iones y otros agentes
extraños a la composición del agua (INIMET, 2010).
Cloruro de sodio: Es un mineral de aspecto cristalino y color blanco, se encuentra
presente de forma abundante en la naturaleza. Puede encontrarse en grandes masas
sólidas o disuelto en el agua marina. Es también conocido como sal común o sal de
mesa y su composición química es NaCl (Haskins, 2016).
Calor sensible: Es la energía calorífica que, suministrada a un cuerpo o un objeto,
hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto
su Fase (Frank & David, 2006).
Calor latente: Es la cantidad de energía requerida por una sustancia para cambiar
de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de
vaporización). Se debe tener en cuenta que esta energía en forma de calor se invierte
41
para el cambio de fase y no para un aumento de la temperatura (Frank & David,
2006).
Calor específico: Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor
que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema
termodinámico para elevar su temperatura en una unidad; esta se mide en varias
escalas. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura
inicial (Raymond & Jewet, 2003).
Destilación: Proceso por el que la sustancia volátil de una mezcla se separa de otra
que no lo es mediante evaporación y posterior condensación de la misma.
Es una técnica utilizada en la purificación de líquidos cuyo punto de ebullición es
menor que 150°C a presión atmosférica y sirve para eliminar de los líquidos
impurezas no volátiles o para separar los componentes de mezclas homogéneas.
Esta técnica también es empleada para separar dos líquidos cuyos puntos de
ebullición difieren al menos en 24°C (Montero Paccha, 2016).
Energías Renovables: Son fuentes de energía limpias, inagotables y
crecientemente competitivas. Se diferencian de los combustibles fósiles
principalmente en su diversidad, abundancia y potencial de aprovechamiento en
cualquier parte del planeta, pero sobre todo en que no producen gases de efecto
invernadero (Energías Renovables, 2014).
Evaporación: Proceso físico que consiste en el cambio lento de un estado líquido
hacia un estado gaseoso, al alcanzar suficiente energía para vencer la tensión
superficial. Puede producirse a cualquier temperatura, a diferencia de la ebullición.
Condensación: corresponde al cambio de estado de la materia que se encuentra en
forma gaseosa y pasa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización.
Irradiancia: es la que mide la energía de radiación que incide en la superficie por
unidad de área, sus unidades son (w / m²)
Irradiación: mide la irradiancia, pero en un tiempo determinado ya sea mes, día u
hora, sus unidades son (kw h/ m² o wh/ m²) (Mata Mata, 2015).
42
Índice de refracción: Cuando la luz pasa a través de un medio a otro, se produce
un cambio en el ángulo de luz saliente; esto se debe a que la luz viaja con una
velocidad en el vacío y cambia de dirección repentinamente al atravesar por un medio
con otro índice de refracción. El medio o material tiene un potencial refractivo llamado
índice de refracción, que es la propiedad refractiva del material que indica la cantidad
de dispersión en función a la luz que no es absorbida (Teran Jaramillo, 2016).
2.14 MARCO CONTEXTUAL
Calentador Solar con lente Fresnel
El mundo se encuentra con una situación difícil para el ahorro de energía, debido a
los altos consumos de combustibles fósiles y el gran crecimiento en la población que
demanda cada vez más dichos combustibles. Un diseño de calentador solar tiene el
propósito de tomar energías de otras fuentes realizando un calentamiento, el cual
puede ir seguido de un serpentín donde se eleva la temperatura utilizando un lente
Fresnel para terminar en un depósito donde es almacenado y monitoreada su
temperatura con termómetros analógicos que son leídos por una tarjeta adquisitora y
muestran al final del proceso una alarma visual de bajo consumo de energía..
(Miranda Herrera, Morales Ibarra, Duque Herrera, & Gonzáles Sotelo, 2016)
Situación del sector Energético en el Ecuador
Según un Balance Energético Nacional del 2015 (BEN) (año base 2014), los
principales sectores de consumo identificados fueron: sector Transporte,
correspondiente a 42% del total del consumo energético nacional; sector Industrial
(18%) y sector Residencial (12%), sector Comercial (5,68%), Agro pesca y Minería
(0,94%), Construcción y otros (16,47%). Finalmente, el autoconsumo (consumo
propio) del sector energético representó 5%.
Por otro lado, los principales energéticos consumidos en los diferentes sectores
identificados fueron: diésel (31%), gasolinas y naftas (28%), electricidad (13,5%), gas
licuado de petróleo (GLP) (8,5%) y fuel oil (8,1%) (PLANEE, 2016). Señala que En
2015 se produjeron en Ecuador aproximadamente 13.640 GWh provenientes de
fuentes renovables. La participación de las diferentes tecnologías en este total fue de
43
96% para la energía hidroeléctrica, 3% de la energía proveniente de biomasa, 0,72%
de la energía eólica y 0,26% de la energía solar. (INER, 2016)
El agua en el mundo: un recurso cada vez más escaso.
El uso del agua ha venido aumentando un 1% anual en todo el mundo desde los años
80 del siglo pasado, impulsado por una combinación de aumento de la población,
desarrollo socioeconómico y cambio en los modelos de consumo. La demanda
mundial de agua se espera que siga aumentando a un ritmo parecido hasta 2050, lo
que representa un incremento del 20 al 30% por encima del nivel actual de uso del
agua, debido principalmente al aumento de la demanda en los sectores industrial y
doméstico. Más de 2.000 millones de personas viven en países que sufren una fuerte
escasez de agua, y aproximadamente 4.000 millones de personas padecen una grave
escasez de agua durante al menos un mes al año. Los niveles de escasez seguirán
aumentando a medida que crezca la demanda de agua y se intensifiquen los efectos
del cambio climático (UNESCO, 2019).
La destilación del agua
El proceso de agua hirviendo en un compartimiento que resulta en la creación de
vapor. A medida que se levanta el vapor, este pasa a través de serpentinas
refrescante y se acumula como agua pura. Todos los contaminantes son
abandonados detrás en el tanque de hervir y los gases se vaporizan en las
temperaturas más bajas. Al punto que hierve el agua son liberados a través de
orificios para el volátil gas. Esencialmente, la destilación duplica el ciclo de la madre
naturaleza de evaporación y precipitación. Es altamente eficaz en remover todos los
Inorgánicos, Orgánicos (Chavez Suarez, Acosta Culqui, & Panduro Vela, 2016).
44
2.15 MARCO LEGAL
2.15.1 Artículos de la constitución de la República Ecuatoriana
Señalan que los artículos 12, 313 y 318 de la Constitución de la República consagran
el principio de que el agua es patrimonio nacional estratégico, de uso público, dominio
inalienable, imprescriptible e inembargable del Estado y constituye un elemento vital
para la naturaleza y para la existencia de los seres humanos, reservando para el
Estado el derecho de administrar, regular, controlar y gestionar los sectores
estratégicos, de conformidad con los principios de sostenibilidad ambiental,
precaución, prevención y eficiencia;
Que, el artículo 318 de la Constitución prohíbe toda forma de privatización del agua y
determina que la gestión del agua será exclusivamente pública o comunitaria y que el
servicio de saneamiento, el abastecimiento de agua potable y el riego serán prestados
únicamente por personas jurídicas estatales o comunitarias; prescribe además, que
el Estado a través de la Autoridad Única del Agua, será responsable directa de la
planificación y gestión de los recursos hídricos que se destinarán a consumo humano
y riego que garantice la soberanía alimentaria, caudal ecológico y actividades
productivas, en este orden de prelación y que se requerirá autorización estatal para
el aprovechamiento del agua con fines productivos por parte de los sectores público,
privado y de la economía popular y solidaria, de acuerdo con la Ley;
Que, el artículo 314 de la Constitución de la República asigna al Estado la
responsabilidad de la provisión de los servicios públicos de agua potable y de riego
para lo cual dispondrá que sus tarifas sean equitativas y establecerá su control y
regulación. La misma norma determina que el Estado fortalecerá la gestión y
funcionamiento de las iniciativas comunitarias en torno a la gestión del agua y la
prestación de los servicios públicos mediante el incentivo de alianzas entre lo público
y comunitario para la prestación de servicios;
Que, el artículo 411 dispone que el Estado garantizará la conservación, recuperación
y manejo integral de los recursos hídricos, cuencas hidrográficas y caudales
ecológicos asociados al ciclo hidrológico y que regulará toda actividad que pueda
45
afectar la calidad y cantidad de agua, y el equilibrio de los ecosistemas, especialmente
en las fuentes y zonas de recarga.
La sustentabilidad de los ecosistemas y el consumo humano serán prioritarios en el
uso y aprovechamiento del agua;
Que, la Primera Disposición Transitoria de la Constitución de la República dispone
que la Ley que regule los recursos hídricos, usos y aprovechamiento del agua, incluirá
los permisos de uso y aprovechamiento, actuales y futuros, sus plazos, condiciones,
mecanismos de revisión y auditoría
para asegurar la formalización y la distribución equitativa de este patrimonio;
Que, los artículos 66 y 276 reconocen y garantizan a las personas y colectividades el
derecho al acceso equitativo, permanente y de calidad al agua, aire y suelo y a una
vida digna que asegure la salud, alimentación y nutrición, agua potable, vivienda,
saneamiento ambiental, educación, trabajo, empleo, descanso y ocio, cultura física,
vestido, seguridad social y otros servicios sociales necesarios;
Que, el artículo 281 establece que la soberanía alimentaria constituye un objetivo
estratégico y una obligación del Estado para garantizar que las personas,
comunidades, pueblos y nacionalidades alcancen la autosuficiencia de alimentos
sanos y culturalmente apropiados de forma permanente.
Para ello, dispone que será responsabilidad estatal promover políticas redistributivas
que permitan el acceso del campesinado a la tierra, al agua y a otros recursos
productivos;
Que, el artículo 282 de la Constitución prohíbe el acaparamiento o privatización del
agua y sus fuentes;
Que, mediante Decreto Supremo 369 publicado en el Registro Oficial No. 69 de 30 de
mayo de 1972 , se expidió la Ley de Aguas vigente, a la cual se agregaron hasta la
fecha, ocho reformas de menor trascendencia, introducidas a través de distintos
cuerpos legales; y, Que, el país desde entonces ha incrementado sustancialmente su
población y sus crecientes necesidades hacen indispensable la expedición de un
nuevo cuerpo legal, orgánico, justo y actualizado, que haga posible la práctica del
46
derecho humano al agua que dé respuesta a fundamentales exigencias sociales a
través de la materialización de los postulados normativos de la Constitución.
2.15.2 Ley orgánica de recursos hídricos, usos y aprovechamiento del agua
Registro Oficial Suplemento 305 de 06-ago.2014 Estado: Vigente
Art. 4.- Principios de la Ley. Esta Ley se fundamenta en los siguientes principios:
a) La integración de todas las aguas, sean estas, superficiales, subterráneas o
atmosféricas, en el ciclo hidrológico con los ecosistemas;
b) El agua, como recurso natural debe ser conservada y protegida mediante una
gestión sostenible y sustentable, que garantice su permanencia y calidad;
c) El agua, como bien de dominio público, es inalienable, imprescriptible e
inembargable;
d) El agua es patrimonio nacional y estratégico al servicio de las necesidades de las
y los ciudadanos y elemento esencial para la soberanía alimentaria; en consecuencia,
está prohibido cualquier tipo de propiedad privada sobre el agua;
e) El acceso al agua es un derecho humano;
f) El Estado garantiza el acceso equitativo al agua;
g) El Estado garantiza la gestión integral, integrada y participativa del agua; y,
h) La gestión del agua es pública o comunitaria
Art. 5.- Sector estratégico. El agua constituye patrimonio nacional, sector estratégico
de decisión y de control exclusivo del Estado a través de la Autoridad Única del Agua.
Su gestión se orientará al pleno ejercicio de los derechos y al interés público, en
atención a su decisiva influencia social, comunitaria, cultural, política, ambiental y
económica.
47
3 Capítulo 3
3.1 Metodología de la investigación
3.1.1 Metodología a emplearse.
Aplicación de metodología experimental:
Método analítico:
▪ Diseño de prototipo de destilador.
▪ Recolección de muestra de agua de mar.
Enfoque cuantitativo y cualitativo:
▪ Toma de datos experimentales.
3.1.2 Muestra de agua empleada
Las muestras de agua utilizadas para ser destilada se tomaron de las playas de
Chipipe ubicada en la región costa en el cantón Salinas, provincia de Santa Elena.
3.2 Materiales y equipos utilizados
1 Lente Fresnel de 1.1 x 1.1 metros
Marco de aluminio
4 Prensas de hierro fundido
Tubería galvanizada cuadrada de 1 pulg y 2 mm de espesor
Pernos de 3/8
Soldadura con electrodo de 1/8 E6011celulósico.
Ángulos de 1.5 pulg y 4mm de espesor
22 Rodamientos N6003-2RS
Acero inoxidable 304 también conocido como 18/10 de 1,5mm de espesor
4 Rodillos de tope de ¼ de diámetro
3 Baldes de plástico de 16 litros
Serpentín de ¼ de tubería de acero inoxidable
Soldadura Tig Tungsteno con electródo de Tungsteno no consumible, gas argón.
48
Acople de rosca de ¼ a cañería de 1/8
2 Uniones para tanque de ¼
1 Válvula de salida de agua de acometida a válvula dosificadora
1 filtro de agua
3 Silicón Red RTV Gasker maker
Balanza Camry modelo EI-02HS
Vaso de precipitación de 1L
Probeta de 100ml
Recipiente cilíndrico evaporador de 16cm de diámetro,10cm de alto y 1.5mm de
espesor.
Lana de vidrio de 6mm de espesor en la cubierta de las paredes y en la base 2cm
Aluminio de 0.7mm para recubrir el evaporador
2 orejas de acero inoxidable con soporte para girar en un solo sentido
Ciclor de salida de vapor
Acople para cañería de vapor de 1/8 de diámetro
Cañería de teflón forrada con malla de acero inoxidable
Salida con extensión para vaso comunicante de 1/8 de diámetro
Vaso comunicante de acero inoxidable de 5cm de diámetro y 12.7 cm de longitud.
Válvula dosificadora
Válvula de aguja
Válvula cónica de teflón con boya de teflón resiste hasta 230 grados centígrados
Neplo de ¼ de diámetro y válvula de bola de ¼ de diámetro.
49
3.3 Especificaciones del lente Fresnel
Tamaño: 1100 x 1100mm
Grosor: 5mm+-0,5
Material: PMMA
Paso de ranura:0,5mm
Foco, aumento:1,3m
Peso: 7kg
Transmisión:92%(desde400-1100)
Índice de refracción nd: 1,491
Temperatura máxima de funcionamiento:80℃
Durabilidad: En 10 años no se ve cambio alguno en el envejecimiento, pero se
degrada estando a la intemperie
Limpieza: utilizar agua y si prefiere también jabón, no utilizar alcohol para limpiar por
ningún motivo.
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
Figura 11.Especificaciones lente Fresnel
50
El lente va colocado en un marco de aluminio de medidas 116cm de largo y de ancho
de 3cm por 118cm y ancho de 4cm, de espesor de 2,5cm.
3.4 Especificaciones de la estructura del equipo
3.4.1 Base giratoria o soporte
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
La base giratoria consta de dos anillos inversos de la misma medida:
Ángulo de hierro fundido: 1,5 pulg
Diámetro: 102cm
Espesor: 4mm
Tiene cuatro tubos cuadrados en material galvanizado soldado a ella
Tubería galvanizada: 1 pulg
Altura: 105cm
Espesor: 2mm
La distancia entre el par de tubos de un extremo y el par del otro extremo es de
71cm y la separación entre ellos es de 20,5cm. Terminan en su parte alta en dos
pivotes donde va a ir ensamblado el acople móvil.
Figura 12. Base giratoria o soporte
51
3.4.2 Acople móvil
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
Tiene un cuadrado en la parte central de medida 70,5cm así mismo diseñado en
tubería galvanizada de 1pulg y 2mm de espesor que se va a ensamblar a los pivotes
de la base giratoria, desde este cuadrado mayor hacia el extremo o parte inferior se
encuentra otro cuadrado menor de medida 21,5cm sujetado por dos tubos
galvanizados de longitud de 80cm.Hacia el extremo superior tenemos también dos
tubos de longitud 82cm que terminan con dos ángulos de hierro fundido de 1 pulg y
60 cm de largo donde va a ir asentado el lente Fresnel enmarcado y sujetado por 4
prensas de 1 pulg.
3.4.3 Especificaciones del evaporador
Recipiente cilíndrico de acero inoxidable 304 de 1,5mm de espesor de base 16cm de
diámetro y 10cm de alto, la parte de arriba va cerrada con una tapa de vidrio templado
ajustada al recipiente de acero mediante un caucho de silicón, el diámetro de la tapa
es de 19cm, el alto es de 3,5cm y el espesor es de 3mm. El anillo de acero inoxidable
para ajustar la tapa de vidrio al recipiente de acero es de 22cm de diámetro externo
y 19cm de diámetro interno y el espesor de 3mm. El aislamiento de lana de vidrio en
las paredes es de 6mm de espesor, el recubrimiento de aluminio es de 0,7mm y en
Figura 13.Acople móvil
52
la base del recipiente tiene 2cm de espesor de lana de vidrio.2 orejas de acero
inoxidable soportan al evaporador para girar en un solo sentido
3.4.4 Especificaciones del condensador
El serpentín posee 7 espirales de 23cm de diámetro de 1
4 pulg en acero inoxidable,
un acople de 1
4 a cañería de
1
8 y dos uniones para tanque de
1
4 , el serpentín va
colocado dentro de un balde de plástico de capacidad de 16 litros.
3.5 Diseño y Acople de los materiales
El concentrador está formado por el lente Fresnel que va enmarcado en un cuadro de
aluminio el cual posee un perfil pavonado color café equivalente al recubrimiento de
una capa de pintura muy consistente. El marco con el lente se coloca entre dos
ángulos que forman parte de la estructura o sostén del equipo y va sujeto por 4
prensas de hierro fundido de 1 pulg.
Figura 14. Evaporador
Figura 15.Condensador
53
La estructura del equipo o esqueleto tiene una forma tipo piramidal que ayuda a
conservar sin interferencias la luz focal que va a incidir en el tanque evaporador,
posee un cuadro de tubería galvanizada cuadrada donde pivotea para regular la altura
del evaporador y a su vez hacer que los rayos solares siempre lleguen de manera
perpendicular al lente de Fresnel acompañado por una guía reguladora laborada en
canal para ajuste del ángulo de elevación. Tiene una base firme giratoria de dos
anillos inversos para que encajen los cuales van colocados entre 22 rodamientos que
trabajan en forma radial y 4 rodillos que sirven de tope y Guía para que el movimiento
sea horizontal controlado.
El evaporador está diseñado en acero inoxidable de 1.5mm de espesor de base
circular de 16cm de diámetro y 10cm de alto, la parte de arriba va cerrada con una
tapa de vidrio templado ajustada por un anillo diseñado en acero inoxidable al cual se
adhiere un caucho de silicón color rojo que permite resistir la temperatura de este
proceso. Posee una salida para los vapores, otra para la salida de lodos por medio
de una válvula de bola y otra para el ingreso del agua de mar por medio de un vaso
comunicante que sirve también de boya y que mantendrá el nivel del agua, al vaso se
ajusta una válvula dosificadora mediante un tornillo la misma que presenta una salida
o válvula de alivio y tiene un acople tipo mariposa para conectar una manguera al
balde de alimentación.
El balde de alimentación se conecta mediante una manguera a un filtro y este a su
vez a otro valde que contiene el agua de mar cruda sin filtración.
De la salida del evaporador a través de una maguera de teflón forrada con malla, se
conecta con un serpentín de acero inoxidable ubicado dentro de otro valde
conformando así el condensador, éste posee una salida final para el condensado que
puede ser recolectado en un vaso de precipitación o probeta para ir realizando la
medición del volumen.
3.6 Descripción del proceso y funcionamiento del equipo
El agua de mar recolectada en un reciente pasa por un filtro reduciendo así en primera
instancia sus impurezas, es almacenada en otro valde con capacidad de 16 litros al
cual llamaremos tanque de alimentación de agua de mar filtrada, posteriormente se
54
abre una válvula que dará paso a la salida del agua de mar la misma que viaja por
una manguera que se conectará a través de un acople tipo mariposa, a la válvula
dosificadora instalada encima de un vaso comunicante.
La válvula dosificadora pose una válvula tipo cónica con boya de teflón, que permite
regular el nivel de agua abriendo y cerrando una válvula de aguja por acción flotante
de la boya sobre el agua de mar alimentada en el vaso comunicante manteniendo así
en todo momento el mismo nivel de agua en el evaporador, presenta además otra
válvula de alivio que permite la salida de vapor o de líquido en caso de aumento de
presión en el evaporador.
El agua de mar pasa del vaso comunicador al evaporador fabricado en acero
inoxidable el cual está cerrado herméticamente con una tapa de vidrio y caucho de
silicón rojo, la tapa es ajustada con un anillo de acero inoxidable para evitar la fuga
de vapor.
Se dirige el equipo buscando que los rayos de sol sean en todo momento
perpendiculares al lente Fresnel subiendo o bajando la estructura que soporta la lente
que tiene como ayuda una guía con un canalete y girándolo a su vez de izquierda a
derecha de manera horizontal en el sentido este oeste haciendo que el punto focal
siempre incida en la tapa de vidrio del evaporador, lo que nos permitirá el paso libre
de la radiación a través del cristal y el calentamiento del agua de mar hasta su
ebullición y evaporación.
Los vapores salen del recipiente evaporador a través de una manguera de teflón y
son condensados en un serpentín colocado dentro de un balde que contiene agua a
temperatura ambiente. El vapor es recolectado en una probeta para ir midiendo el
determinado volumen en un lapso de tiempo.
3.7 Cálculos realizados
3.7.1 Cálculo del área del evaporador
El área se determinó en base a un volumen alimentado en el evaporador de 1000ml
Radio del recipiente de acero inoxidable(base) = 8cm
Alto del recipiente = 10cm
Área del cilindro (paredes del recipente)
55
A=2πrh
A=2π*8*10
A=502,7 cm²
Área de la base del cilindro
𝐴 = 𝜋𝑟2
𝐴 = 𝜋(8)2
A=201,06 cm²
Radio de la tapa de vidrio templado= 9cm
Alto de la tapa de vidrio= 3,5cm
Área del cilindro de la tapa de vidrio (paredes de la tapa)
A=2πrh
A=2π*9*3,5
A=197,9 cm²
Área de la base de la tapa de vidrio
𝐴 = 𝜋𝑟2
𝐴 = 𝜋(9)2
A=254,5 cm²
Área total de evaporación= 502,7+201,06+197,9+254,5= 1156,2 cm² = 0,1156 m²
3.7.2 Cálculo del área efectiva del lente Fresnel
Radio del lente= 55cm
𝐴 = 𝜋𝑟2
𝐴 = 𝜋(55)2
A=9503,32cm²
3.7.3 Cálculo de la razón de concentración
𝑁 =𝐴𝑎𝐴𝑟
Donde Aa es el área del concentrador de Fresnel y Ar es el área de recepción (tapa de vidrio
templado del evaporador)
56
𝑁 =9503,32cm²
254,5cm²
N= 37,3
3.7.4 Cálculo de la energía aportada por fotón
Consideraremos la energía aportada en la luz visible para ondas de 400, 500, 600, 700nm
e= (6,63𝑥10ˉ34𝐽.𝑠)(3𝑥108𝑚
𝑠)
400x10ˉ⁹m
e=4,97x10ˉ¹⁹J =3,106ev
e= (6,63𝑥10ˉ34𝐽.𝑠)(3𝑥108𝑚
𝑠)
500x10ˉ⁹m
e=3,99x10ˉ¹⁹J =2,495ev
e= (6,63𝑥10ˉ34𝐽.𝑠)(3𝑥108𝑚
𝑠)
600x10ˉ⁹m
e=3,32x10ˉ¹⁹J =2,075ev
e= (6,63𝑥10ˉ34𝐽.𝑠)(3𝑥108𝑚
𝑠)
700x10ˉ⁹m
e=2,84x10ˉ¹⁹J =1,775ev
3.7.5 Cálculo de la potencia del lente Fresnel
Calor específico del agua= 4190𝐽
𝐾𝑔℃
Landa de vaporización del agua=2260000𝐽
𝐾𝑔
T agua= 30℃
T ebullición del agua de mar=101℃
Q1= m.cp. ∆𝑻
Q1= 1,025Kg*4190𝐽
𝐾𝑔℃(101-30) ℃
Q1=304927.3J
Para un tiempo t=20min=1200s
P= 304927.3J
1200s
57
P= 254,1w
Q2=m.λ
Q2= 0,835Kg*2260000𝐽
𝐾𝑔
Q2=1887100J
Donde m=0,835kg es la masa del volumen destilado en una hora correspondiente a 815ml
Para un tiempo t=1hora=3600s
P= 1887100J
3600s
P= 524,2w
Potencia total1= 254,1w+524,2w = 778,3w
Q1= m.cp. ∆𝑻
Q1= 1,025Kg*4190𝐽
𝐾𝑔℃(101-30) ℃
Q1=304927.3J
Para un tiempo t=25min=1500s
P= 304927.3J
1500s
P= 203,3w
Q2=m.λ
Q2= 0,625Kg*2260000𝐽
𝐾𝑔
Q2=1412500J
Donde m=0,625kg es la masa del volumen destilado en una hora correspondiente a 610ml
Para un tiempo t=1hora=3600s
P= 1412500J
3600s
P= 392,4w
Potencia total2= 203,3w + 392,4w = 595,7
Q1= m.cp. ∆𝑻
Q1= 1,025Kg*4190𝐽
𝐾𝑔℃(101-30) ℃
58
Q1=304927.3J
Para un tiempo t=30min=1800s
P= 304927.3J
1800s
P= 169,4w
Q2=m.λ
Q2= 0,450Kg*2260000𝐽
𝐾𝑔
Q2=1017000J
Donde m=0,450kg es la masa del volumen destilado en una hora correspondiente a 439ml
Para un tiempo t=1hora=3600s
P= 1017000J
3600s
P= 282,5w
Potencia total3= 169,4w + 282,5w = 451,9W
3.7.6 Cálculo de la eficiencia del destilador
E=𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜∗ 100
E=439
1000∗ 100
E= 43,9%
E=610
1000∗ 100
E= 61%
E=815
1000∗ 100
E= 81,5%
59
4 Capítulo 4
4.1 Resultados y Discusión
Pruebas experimentales
Luego de varias pruebas realizadas durante varios días inicialmente con un lente
Fresnel de 28cm x 20cm y varios recipientes candidatos a evaporadores de diferentes
medidas para saber si podíamos cumplir el objetivo de una manera satisfactoria se
observó que la máxima temperatura alcanzada fue de 70℃ en un tiempo de 6 horas
en un recipiente cilíndrico de acero inoxidable de 5cm de diámetro por 15cm de alto,
por lo que inmediatamente se puso en marcha la investigación para ver de qué medida
podría ser el lente que nos pueda servir para cumplir con el propósito llegando así a
la adquisición del lente Fresnel de medidas 1100mm x 1100mm y a la construcción
del evaporador descrito.
Comenzaremos diciendo que según el cálculo de relación de concentración realizado
el cual nos dió 37,3 (valor adimensional). En base a la tabla 4 de clasificación de los
concentradores según la relación de concentración nos da como resultado que el
destilador es de media concentración.
Tabla 9. Energía aportada por fotón
Radiación electromagnética
de la luz visible (nm)
Energía (Joules)(J) Energía(electrovoltios)(ev)
400 4,97x10ˉ¹⁹ 3,106
500 3,99x10ˉ¹⁹ 2,495
600 3,32x10ˉ¹⁹ 2,075
700 2,84x10ˉ¹⁹ 1,775
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
La tabla 9 nos demuestra la energía aportada por cada fotón y también nos deja saber
que a medida que aumenta la longitud de onda, disminuye la energía aportada por
fotón y en base a esto podemos decir que la energía promedio aportada es de 2,4 ev.
60
A continuación, realizamos las respectivas mediciones del tiempo promedio que se
demora en hervir un litro de agua de mar en nuestro destilador.
Tabla 10. Temperatura alcanzada por un litro de agua de mar en el recipiente evaporador en horas antes del medio día
Hora 10:00 10:02 10:05 10:09 10:11 10:15 10:17 10:22
T℃ 30 46 52 61 76 88 96 101
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
La tabla10 nos indica el comportamiento de la temperatura, en un tiempo de 22min
hasta alcanzar la ebullición en horas de la mañana.
Figura 16. Gráfico de dispersión de ebullición a partir de las 10:00 horas
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
De igual forma a continuación presentamos el tiempo que se puede demorar en ebullir
en el evaporador en horas de la tarde.
Tabla 11. temperatura alcanzada por un litro de agua de mar en el recipiente evaporador sin aislamiento térmico
Hora 13:11 13:13 13:14 13:15 13:19 13:21 13:25 13:32
T℃ 30 44 50 60 74 80 90 101
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25
Tem
per
atu
ra℃
tiempo (min)
Ebullición
61
Al igual que la tabla anterior esta tabla 11, nos enseña el tiempo que puede llegar a
demorar en ebullir el agua de mar en horas posteriores al medio día, el tiempo fue de
21 min.
Figura 17.Gráfico de dispersión de ebullición a partir de las 13:00 horas
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
Al realizar varios ensayos nos quedamos con los tiempos de 20, 25 y 30 minutos
como el mínimo intermedio y máximo tiempo de trabajo para llevar a cabo la ebullición
con nuestro evaporador aislado, que es el recipiente final y que se usó para todas las
demás pruebas.
Tabla 12. Calor suministrado al agua de mar
Calor 1(Joules) Tiempo1(min) Calor 2(Joules) Tiempo2(min)
304927,3 20 1887100 60
304927,3 25 1412500 60
304927,3 30 1017000 60
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
En la tabla 12 nos indica el calor específico (calor 1) y el calor latente (calor 2)
suministrado, con el tiempo respectivo que se llevó a cabo para hacer ebullir y
vaporizar el agua de mar.
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35
Tem
per
atu
ra℃
tiempo (min)
Ebullición
62
Tabla 13. Potencia e Intensidad del lente Fresnel
Tiempo de trabajo (min) Potencia (w) Intensidad(w/ m²)
80 778,3 6732,7
85 595,7 5153,1
90 451,9 3909,2
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
La potencia máxima del lente para un tiempo de trabajo de 80 min, considerado el
tiempo que demora en hacer ebullir el agua de mar y la cantidad de destilado que se
obtiene en base de una hora a partir de ahí, fue de 778,3watts, con una intensidad
del Fresnel de 6732,7w/ m² sobre el área del evaporador. De igual manera para el resto
de tiempos de trabajo.
Tabla 14. Eficiencia del destilador
Destilado (ml) Eficiencia(%)
439 43,9
610 61
815 81,5
Elaborado por: (Benavides Ortiz,2020)
Como observamos en la tabla 14 se presentan los resultados de la cantidad de
destilado obtenido, los cuales fueron incrementando con las mejoras del equipo y las
continuas pruebas logrando alcanzar el volumen de destilado de 815ml todo esto en
base a 1000ml de agua de mar alimentada en el evaporador. Determinamos la
eficiencia promedio del equipo destilador con un valor de 62,1%.
63
4.2 Conclusiones
❖ Se construyó un destilador solar mediante sistema de lente Fresnel capaz de
llevar el agua de mar hasta su punto de ebullición logrando destilar 815ml en
una hora, con una eficiencia promedio de 62,1%.
❖ Se seleccionó los materiales acordes para lograr desalinizar agua de mar,
resistentes a la corrosión y de excelente durabilidad, de igual forma la elección
del lente Fresnel fue adecuada, y la calidad del mismo permitirá que dentro de
varios años siga con un buen funcionamiento.
❖ Se construyó el prototipo de destilador utilizando los materiales adquiridos y
ensamblándolos de acuerdo al requerimiento de la parte experimental
realizada.
❖ Se realizó diferentes pruebas, para hallar el recipiente evaporador idóneo
realizando ensayos con diferentes tamaños y medidas. De la misma forma se
realizó pruebas con dos tamaños de lente.
4.3 Recomendaciones
❖ Usar lentes o gafas con protección ultravioleta para que el punto focal no
afecte a las vistas, también guantes resistentes al calor para evitar quemarnos.
❖ Tener cuidado de dirigir el punto focal fuera del área del evaporador.
❖ Lavar el lente solo con agua, evitar usar alcohol.
❖ Tapar el lente Fresnel con una tela o funda, si es dejado a la intemperie, ya q
esto afecta.
❖ Probar la eficiencia del destilador en verano y ver cuánto es lo máximo que se
puede destilar en un día.
❖ Se puede tratar de mejorar el aislamiento térmico del evaporador así como su
hermeticidad.
❖ Mejorar el recipiente del condensador para poder destilar por varias horas ya
que el recipiente que se utilizó fue plástico.
64
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67
6 ANEXOS
Anillo de ajuste para la tapa de vidrio
templado Anillo de caucho de silicón rojo
Tapa de vidrio templado
Base giratoria con los rodamientos
Evaporador
Base soporte
68
Acople móvil Equipo pintado y ensamblado
Afinando detalles de soldadura Válvula dosificadora y reguladora del
nivel de agua
Válvula de aguja Filtro de agua
69
Condensador Termómetro digital marca fluke
Realizando pruebas de temperatura del
evaporador Lente de Fresnel enmarcado
Rayos del sol incidiendo sobre la tapa de
vidrio templado del evaporador Equipo destilador
70
Diagrama de bloques para la desalinización de agua de mar del proceso
Agua de mar
Filtración
Agua
filtrada
Ebullición
Temperatura alcanzada de
101℃ en el evaporador
Calor proporcionado
por el lente Fresnel y
los rayos del sol
Vapores
Cuya temperatura oscila
entre 90℃ y 96℃
Condensado
Salida de
lodos