TRATAMIENTO DE AGUA MEDIANTE BOMBAS DE CALOR

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1 TRATAMIENTO DE AGUA MEDIANTE BOMBAS DE CALOR Armando HUICOCHEA 1, Antonio RODRIGUEZ 1, Jesús TORRES 2, Javier SIQUEIROS 1 1 Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Av. Universidad No.1001, Col. Chamilpa, Cuernavaca, Mor. C.P Tel. (777) Fax. (777) , 2 Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México Palabras claves: Purificación de agua, bomba de calor por absorción, bomba de calor por compresión RESUMEN Con el objetivo de encontrar alternativas en el uso y ahorro de energía térmica, un sistema de purificación de agua portátil integrado a un equipo multipropósito fue diseñado y construido. El equipo multipropósito tiene la capacidad de ser operado en las modalidades de bomba de calor por compresión, bomba de calor por absorción convencional y transformador térmico. Los primeros resultados obtenidos fueron en la modalidad de transformador térmico con una potencia de diseño de 700 W. El sistema es capaz de usar calor de desecho generado en procesos térmicos. La solución de bromuro de litio agua fue usada como par de trabajo por el conocimiento de sus propiedades termodinámicas. La bomba de calor fue construido con acero inoxidable 316 con la finalidad de usar otras soluciones de trabajo en el futuro. El agua purificada obtenida fue de 8 ml/min, donde las cantidades de cloruros y conductividad electrolítica se disminuyeron de 2.15 y 121 a 0.72 mg/l y 11 μmhos/cm respectivamente. INTRODUCCIÓN Uno de los grandes retos en nuestros días es el diseño y operación de procesos para producción de agua que hagan uso eficiente de la energía y no contaminen. Una alternativa es el uso de bombas de calor en los sistemas de purificación de agua. Los estudios sobre la aplicación de las bombas de calor para la purificación de agua empezaron en México desde Se empezó utilizando una bomba de calor comercial adaptada para la purificación de salmuera geotérmica en Los Azufres, Michoacán, México (Siqueiros et al., 1995). La purificación de salmuera consistió en destilación simple, obteniéndose agua destilada de calidad similar al agua destilada obtenida por un destilador eléctrico de laboratorio. En el Instituto de Investigaciones Eléctricas en Cuernavaca, Morelos, México se diseñó y construyó una bomba de calor por compresión integrada a un sistema de purificación de salmuera obteniendo resultados satisfactorios. También se integró una bomba de 1

2 calor por absorción convencional a un sistema de purificación de agua, donde se utilizó agua de pozo no potable, obteniendo agua destilada de buena calidad (Santoyo et al., 1999). Los sistemas de purificación de agua mediante bombas de calor, se han desarrollado en bombas de calor por compresión y convencional. En el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias aplicadas (CIICAp) de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM), se diseñó y construyó un sistema portátil de purificación de agua integrado a un equipo multipropósito (Barroso, 2003). CONCEPTOS BÁSICOS Una bomba de calor es un equipo capaz de extraer calor de un suministro térmico a baja temperatura y rechazar una cantidad de calor a un depósito a mayor temperatura (Holland, 1990). Una clasificación de las bombas de calor es en función del tipo de proceso físico que realizan: a) Bomba de calor por compresión, incrementa la presión y temperatura entre componentes mediante la compresión mecánica de vapor y b) bomba de calor por absorción (convencional y transformador térmico), donde la elevación de presión y temperatura es realiza como resultado de un proceso termodinámico donde se absorbe y desorbe un fluido de trabajo en un soluto. Todas las bombas de calor tienen un condensador y un evaporador. Una bomba de calor por compresión requiere un compresor y una válvula de expansión para realizar el ciclo termodinámico completo y una bomba de calor por absorción esta constituida por un generador, un absorbedor, una bomba y dos válvulas de expansión. En la figura 1, se indica una comparación esquemática de las entradas y salidas de los tres tipos de bombas de calor. Una manera de cuantificar la funcionalidad de una bomba de calor es el uso del Coeficiente de Desempeño (COP) por sus siglas en ingles. El proceso de purificación de agua integrado a la bomba de calor consiste en una destilación simple como se muestra en la figura 2. El calor obtenido en la bomba de calor se suministra al agua impura almacenada en un contenedor A, donde a condiciones especificas de temperatura y presión se genera vapor. El vapor de calor a otro medio para obtener el agua pura que se almacena en el contenedor B. 2

3 QBGE Q CO Q AB + Q CO Q AB W Q GE + Q EV Q EV Q EV Q CO COP = QCO W COP = QAB + QCO QGE COP = QAB QGE + QEV a) b) c) Figura 1. Niveles de temperaturas y calor de las tres bombas de calor: a) por compresión, por absorción convencional y c) transformador térmico vapor Contenedor B Contenedor A Agua pura Agua impura Q SAL Q ENT Figura 2. Diagrama esquemático del proceso del purificación de agua integrado a una bomba de calor 3

4 Sistema de purificación de agua integrado a una bomba de calor de comprensión El funcionamiento de la bomba de calor por compresión se muestra en la figura 3. En el evaporador, el fluido de trabajo se evapora a una temperatura baja, extrayendo una cantidad de calor del medio que puede estar en estado sólido, líquido o gaseoso. El fluido de trabajo se comprime al pasar a el compresor y cede calor latente a una temperatura mayor en el condensador. El fluido de trabajo condensado se expande a través de la válvula de expansión y se regresa al evaporador completándose así el ciclo. El agua impura almacenada en un contenedor es bombeada al condensador para retirar el calor ganado en el circuito de la bomba de calor por compresión, donde el agua a purificar llega en estado liquido a baja temperatura y sale una mezcla de vapor y liquido a alta temperatura hacia el mismo contenedor. El vapor sale a través de la parte superior del contenedor para suministrar el calor ganado a el evaporador y obtener el agua destilada. GENERADOR ABSORBEDOR CONDENSADOR EVAPORADOR AGUA DESTILADA Figura 3. Sistema de purificación de agua integrado a una bomba de calor por compresión 4

5 Sistema de purificación de agua integrado a una bomba de calor convencional En la figura 4, el generador acepta calor a temperatura elevada, donde se realiza la separación parcial del fluido de trabajo del absorbente. Al fluido de trabajo se le reduce su temperatura para obtener un cambio a la fase líquida en el condensador cediendo energía a una temperatura intermedia. El fluido de trabajo se expande, posteriormente pasa al evaporador (que se encuentra a menor presión que el condensador) dónde se cambia a fase vapor a una temperatura mayor con la ayuda de la energía que proviene de la fuente de calor. El vapor proveniente del evaporador se conduce al absorbedor en dónde se pone en contacto con una corriente de fluido de trabajo absorbente proveniente del generador produciendo un desprendimiento de calor que es energía a una temperatura mayor que la temperatura del evaporador. El agua impura almacenada en el contenedor es bombeada al condensador y absorbedor para retirar el calor, el agua impura entra a baja temperatura y sale en fase liquida y vapor a alta temperatura al mismo contenedor. El vapor sale por la parte superior del contenedor y cede calor a un sistema de enfriamiento obteniendo el agua destilada. GENERADOR ABSORBEDOR CONDENSADOR EVAPORADOR AGUA DESTILADA Figura 4. Sistema de purificación de agua integrado a una bomba de calor convencional 5

6 Sistema de purificación de agua integrado a un transformador térmico En la figura 5, se muestra un sistema de purificación de agua integrado a un transformador de calor, en el que se observa que el generador y el evaporador reciben energía de temperatura intermedia. En este sistema se lleva a cabo una separación parcial del fluido de trabajo de la solución absorbente concentrada. La temperatura del fluido de trabajo se reduce en el condensador, por lo que cambia a la fase líquida. El agua condensada es bombeada al evaporador (a una presión mayor que la del generador) y este componente evapora la solución de trabajo. El fluido de trabajo es conducido al absorbedor donde entra en contacto con la mezcla bombeada desde el generador, este contacto genera una ganancia de calor a la temperatura más alta del sistema. El agua impura almacenada en el contenedor es bombeada al absorbedor para retirar el calor, el agua impura entra a baja temperatura y sale una mezcla de agua y vapor a alta temperatura en el mismo contenedor. El vapor sale por el contenedor superior, conduciendo el calor latente a un sistema de enfriamiento para obtener el agua destilada. GENERADOR ABSORBEDOR CONDENSADOR EVAPORADOR AGUA DESTILADA Figura 5. Sistema de purificación de agua integrado a un transformador térmico 6

7 MATERIALES Y METODOS Mediante la aplicación del diseño conceptual se obtuvieron dos sistemas que interactúan térmicamente para la purificación de agua (Douglas, 1988). En la primer fase del desarrollo del proyecto experimental, el sistema portátil de purificación de agua se integro a un transformador de calor utilizando bromuro de litio y agua con concentraciones entre 51 y 55.8 % en peso. La construcción del sistema se realizó usando acero inoxidable 316 para usar otras soluciones de trabajo en el futuro. Termopares tipo J y un adquisidor de datos se usaron para registrar las temperaturas del sistema. Baños térmicos se usaron para simular del calor de desecho. Dos manovacuometros de exactitud de 1 % se usaron para medir las presiones de vacío. Todos los equipos de medición usados fueron previamente calibrados. La capacidad de diseño del absorbedor es de 700 W. El aislante térmico usado es un elastómero con una conductividad térmica de W/m K. Las dimensiones del equipo son de 80 x 110 x 150 cm como se aprecia en la figura 6. Generador Evaporador Condensador Absorbedor Figura 6. Vista superior del sistema portátil de purificación de agua integrado a un transformador térmico 7

8 RESULTADOS Y DISCUSIONES Para estimar las propiedades del agua se utilizó el software NIST/ASME Steam (1998) y para la mezcla LiBr-Agua se utilizaron datos de la literatura (Torres, 1997). La condición de estado estable en la bomba de calor fue considerada cuando no hubo variaciones mayores al 5% en las variables de proceso (temperatura, presión, flujo) durante 30 minutos, posterior se registraron los parámetros mencionados por un periodo mínimo de 20 minutos para cuantificar los calores de cada componente. El agua purificada tuvo una reducción en la concentración de cloruros del 57% y cerca del 90% en la conductividad electrolítica. El agua usada en el sistema fue analizada antes y después por el laboratorio de análisis industriales UAEM, para saber los contenidos de cloruros, sulfatos, ph y conductividad electrolítica mediante los procedimientos de la misma institución. En la figura 7, se observa que la producción de agua destilada esta en función del calor producido en el absorbedor. El aumento del calor del absorbedor permite tener mayor disponibilidad de la energía, la cual es aprovechada por el sistema de destilación de agua. 500 producción de agua (ml/hr) calor del absorbedor (W) Figura 7. Producción de agua destilada en función del calor del absorbedor 8

9 En la tabla I, se muestran los resultados de los componentes analizados, se aprecia que el valor de cloruros presenta una disminución en el agua destilada. Se obtuvo un comportamiento similar con respecto al ph. La conductividad electrolítica en el agua destilada disminuyó aproximadamente un 90% con respecto al agua potable. La calidad obtenida en el agua destilada es similar a la obtenida en un destilador de laboratorio. Tabla I. Análisis del agua del sistema portátil de purificación de agua Parámetro Agua a destilar Agua destilada Cloruros como Cl 2.15 mg/l 0.72 mg/l Sulfatos como SO 4 < 5 mg/l < 5 mg/l ph 7.3 unidades 5.3 unidades Conductividad Electrolítica 121 μmhos/cm 11 μmhos/cm CONCLUSIONES El sistema portátil de tratamiento de agua empleando bombas calor logra flujos de agua purificada de alrededor de 8 ml/min a una concentración de 55% de LiBr en LiBr-agua. La calidad del agua destilada es similar a la obtenido por un destilador eléctrico de laboratorio. Con este tipo de sistemas se abre camino para diseñar y desarrollar sistemas que integren la purificación de agua y el uso eficiente de energía térmica. AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo recibido al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) por el apoyo económico a este proyecto y al laboratorio de análisis industriales de la UAEM por su apoyo en los análisis del agua. BIBLIOGRAFIA Barroso C. M. J. (2003). Diseño y construcción de un sistema portátil de purificación de agua integrado a un transformador de calor, Tesis de Licenciatura, UAEM, México. Douglas J.M. (1988). Conceptual design on chemical processes. Mc Graw Hill, New York. Holland F. A. (1990). Manual sobre Tecnología de Bombas de Calor, Seminario sobre Conservación de Energía y Aplicaciones Industriales y Comerciales de las Bombas de Calor. NIST/ASME (1998) number 10, Steam properties data base, version

10 Santoyo S., Siqueiros J., Heard C. L., Santoyo E. and Holland F. A. (1999). An experimental integrated absorption heat pump effluent purification system. Part I. Operating on water/lithium bromide solutions, Applied Thermal Engineering. Siqueiros J., Heard C. L. y Holland F. A. (1995). The commissioning of an integrated heat pump-assisted geothermal brine purification system. Heat Recovery System & CHP, Vol. 15 (7), pp Torres M. J. (1997) Contacteurs gaz-liquide pour pompes á chaleur a absorption multiétagées. Tesis de Doctorado. L Institut National Polytechnique de Lorraine, Francia. 10

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