ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN DESTILADOR SOLAR ORIENTABLE DE GRAN TAMAÑO

Transcripción

1 SSDA ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN DESTILADOR SOLAR ORIENTABLE DE GRAN TAMAÑO Eduardo Rubio Cerda Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C. Apdo. Postal 128, La Paz, B.C.S , México Tel. +52 (612) José Luis Fernández Zayas Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Cd. Universitaria, México D.F , México RESUMEN Se construyó un destilador solar con cubierta condensadora de doble pendiente, con dimensiones de 3.86 m x 2.64 m de base y 1.42 m de altura. Este destilador cuenta con aislamiento térmico en el fondo, y se instaló sobre una estructura que permite modificar su orientación. Un sistema automático de adquisición de datos se utilizó para registrar de manera continua la información requerida para su estudio. Se registraron las temperaturas en los diferentes componentes del destilador, la radiación solar, la temperatura ambiente, la dirección y velocidad del viento, y la producción de destilado para cada placa condensadora. El destilador se sujetó a una serie de corridas experimentales durante la época de primavera en La Paz, B.C.S., para diferentes orientaciones del equipo. Las temperaturas registradas muestran diferencias apreciables entre ambas placas condensadoras, presentándose con mayor magnitud para una orientación con exposición de los condensadores en dirección Este-Oeste, mientras que para una orientación con dirección Norte-Sur dichas diferencias resultaron mínimas. Los registros de producción mostraron concordancia con este comportamiento. El equipo utilizado permitió medir las diferencias de temperaturas entre el colector solar y el agua, que mostraron un valor máximo de 1.1 C; mientras que los resultados de la producción mostraron la gran inercia térmica del equipo, reflejando la importancia de la operación del destilador para períodos nocturnos. Los valores de los coeficientes de transferencia de calor internos resultaron de 23.5 Wm -2 K -1 para el evaporativo, mientras que para el convectivo resultaron de aproximadamente 2.5 Wm -2 K -1. ABSTRACT A solar still with double slope condenser and base dimensions of 3.86 m x 2.64 m, and 1.42 m height was built. The still is bottom insulated and was mounted on a rotary structure that can be manipulated to modify its orientation. An electronic automatic acquisition data system was used to keep continuous recording of the required information for the proposed study. Temperatures were recorded for the main components of the still, as well as solar radiation, ambient temperature, wind speed and direction, and distillate yield for each condensing plate. The still was subject to a series of experimental runs during spring time in La Paz, B.C.S., for different equipment orientations. Recorded temperatures showed appreciable differences between both condensing plates, resulting in greater values for condensers facing an east-west orientation, meanwhile for a northsouth orientation they showed diminished. Distillate yield records showed agreement with this trend. The instrumentation let the measurement of the temperature differences between solar collector and water, which showed a maximum of 1.1 C; on the other hand, production results showed the high thermal inertia of the system, and therefore, the relative importance of operation for nocturnal periods. Internal heat transfer coefficients resulted in values of 23.5 Wm -2 K -1 for the evaporative mode, and 2.5 Wm -2 K -1 for the convective one. Palabras clave : destilación solar, condensador de doble pendiente, temperaturas, producción, transferencia de calor, efectos inerciales. INTRODUCCIÓN El interés por los destiladores solares de gran tamaño con geometría triangular ha sido demostrado en una gran variedad de trabajos. Esta geometría se utiliza en invernaderos, en donde se han hecho esfuerzos por combinar la destilación con técnicas de cultivo intensivo. Lawrence y Tiwari (1991), desarrollaron un trabajo teórico-experimental en un destilador acoplado a un invernadero, del que obtienen resultados de la radiación solar incidente sobre cada una de los condensadores con orientación fija en dirección Norte-Sur. De este diseño surge el interés por encontrar la orientación óptima del destilador solar para obtener su máxima producción, por lo que Sing et al. (1995), buscan este objetivo utilizando una expresión que incorpora en el número de Nusselt la inclinación de las placas condensadoras. La inquietud por conocer la cantidad de vapor de agua que no se recupera por la incorporación de las cubiertas condensadoras ha llevado al estudio comparativo de los destiladores contra los evaporadores (Sartori, 1996). Éste es un trabajo teórico y se toma como referencia para el análisis un destilador de doble pendiente. Se encuentra que la evaporación en la cavidad de destilación es menor a la que ocurre en canales abiertos, a pesar de las altas temperaturas que prevalecen en ella. 345

2 El desempeño a largo plazo de los destiladores solares ha sido estudiado por Mathioulakis et al. (1999). Estos autores desarrollaron un modelo que validaron con mediciones efectuadas durante un período de 3 meses. Posteriormente, efectuaron un trabajo sobre la validación de las relaciones de Dunkle (1961), y propusieron una ecuación para el cálculo de la temperatura de la cubierta como función lineal de las temperaturas del agua y del ambiente (Voropoulos et al., 2000). El diseño de un equipo de destilación y los efectos del viento sobre su desempeño están estrechamente ligados. Recientemente se han hecho estudios como el de El-Sebaii (2000), con un trabajo efectuado sobre diferentes modelos entre los que se incluyen equipos con espejo reflector. Se reportan efectos considerables a causa del viento, ya que para un rango de 0 a 20 m/s la producción diaria prácticamente se duplica durante el período de insolación, la temperatura del agua se modifica en más de 15 C, mientras que la diferencia de temperaturas entre el agua y la cubierta varía aproximadamente 11 C. Son pocos los reportes que se encuentran en la literatura sobre estudios de las características de la transferencia de calor y masa efectuados en destiladores de gran tamaño. Entre éstos se encuentra el trabajo de Voropoulos et al. (2000), con un destilador del tipo de cubierta de doble pendiente, con condensadores asimétricos y dimensiones de 5 m x 2.12 m en su base; otro trabajo es el desarrollado por Akash et al. (2000), para encontrar el ángulo de inclinación óptimo de la cubierta en un destilador con base de 3 m x 1 m; y el de Srivastava et al. (1999), con un destilador integrado a un invernadero en donde no se mencionan las dimensiones del equipo utilizado. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Para abordar el estudio experimental de los mecanismos de transferencia de calor y masa, se construyó un destilador solar cuyo esquema se muestra en la fig. 1. El destilador es del tipo de doble pendiente, con cubiertas condensadoras de vidrio de 5 mm colocadas a 45 con respecto a la horizontal, y dimensiones de 3.86 m x 2.64 m de base, y 1.42 m de altura. Una estructura de fierro galvanizado soporta los vidrios de la cubierta, mientras que un par de canales colectores de acero inoxidable se instalaron en la parte inferior de cada placa inclinada para transportar el destilado hacia el exterior. La base del destilador tiene forma de cajón, y es una estructura de madera con aislante térmico de poliestireno de baja densidad en su interior para minimizar las pérdidas de calor hacia el exterior a través del fondo. El colector solar, responsable de las principales ganancias de energía, es una membrana fabricada con una mezcla de diversos materiales, tales como aluminio, tela y silicón negro, que dispuestos adecuadamente tienen la impermeabilidad, rigidez y características de absorción necesarias para contribuir al buen desempeño del proceso de producción de agua destilada. En un destilador solar de sección triangular es interesante evaluar las temperaturas en las cubiertas, las que varían principalmente por la orientación. Para estudiar el desempeño de estos condensadores, se colocó el destilador sobre una base orientable, con un sistema de rodamiento que puede girar hasta 360. El equipo de medición quedó constituido por un sistema automático de adquisición que registró de manera continua las temperaturas del colector solar, cuerpo de agua y ambas placas condensadoras. También se registraron la temperatura ambiente, la velocidad y dirección del viento, radiación solar, y producción de destilado para cada condensador. Se realizaron una serie de corridas experimentales durante la época de primavera con el equipo sujeto a diferentes orientaciones. RESULTADOS EXPERIMENTALES La facilidad que ofrece el destilador de campo, por tener la característica de ser orientable, permitió el desarrollo de una serie de corridas experimentales con las cubiertas orientadas en diferentes direcciones. Los resultados obtenidos muestran que existen diferencias significativas en cada uno de los condensadores de los destiladores de sección triangular, y se presentan en mayor medida con las placas expuestas en dirección Este-Oeste. Estructura de fierro Cubierta de vidrio Poliestireno Madera 3.86 m Canal colector de destilado 45 Colector solar 1.42 m 2.64 m Fig. 1 Esquema de construcción del destilador solar. 346

3 Las temperaturas experimentales registradas para los casos extremos estudiados, esto es, con las cubiertas expuestas en dirección Norte-Sur y Este-Oeste, se muestran en la fig. 2. Temperatura [ C] Temperatura [ C] Fondo Agua Cubierta este Cubierta oeste Radiación solar Fig. 2 Temperaturas experimentales para casos extremos de operación. Existen claras diferencias en las tendencias de las temperaturas de los condensadores. Para el caso de orientación con dirección Este-Oeste, la placa que se encuentra expuesta a la salida del sol sufre un calentamiento más temprano, pero su temperatura máxima resulta menor. Esto obedece a que los efectos del calor acumulado y de la radiación incidente se hacen más notorios después del mediodía en el condensador expuesto hacia el Oeste Cubierta sur Cubierta norte 800 Radiación solar Radiación solar [Wm -2 ] Radiación solar [Wm -2 ] defasamiento provocado por la falta de coincidencia entre el eje del destilador y la trayectoria del sol. Producción [kgm -2 h -1 ] Producción [kgm -2 h -1 ] Fig. 3 Producciones con respecto a la orientación del equipo. Es interesante analizar las diferencias existentes entre las temperaturas del cuerpo de agua y del colector solar. Éstas se muestran en la fig Cubierta este Cubierta oeste 0.00 Cubierta sur Cubierta norte En lo que corresponde al equipo con los condensadores orientados en dirección Norte-Sur, la situación geográfica del sitio de los experimentos y la fecha en que se realizaron favorece una tendencia similar en los patrones de temperaturas. Los resultados de la producción, correspondientes a estas condiciones experimentales se muestran en la fig. 3. El desempeño es similar al de las temperaturas, ya que se aprecia una marcada diferencia en las producciones de ambas placas durante las horas de mayor insolación, esto es, cuando el equipo se encuentra instalado con los condensadores expuestos en dirección Este-Oste. Asimismo, el calentamiento temprano sobre la placa este provoca una fuerte caída en la producción correspondiente. Temperatura [ C] En el caso de las producciones con orientación en dirección Norte-Sur, las diferencias son mínimas, con un ligero Fig. 4 Diferencias de temperaturas agua-colector solar. 347

4 Las diferencias adquieren un valor máximo de aproximadamente 1.2 C alrededor del mediodía, lo que demuestra la baja inercia térmica que presenta la membrana del colector solar. Sin embargo, se tienen una superposición de sus efectos con los de las temperaturas del agua, y son estas últimas las que gobierna los efectos inerciales del sistema, ya que de acuerdo con la fig. 1 el pico máximo de temperaturas de la membrana se traslada hasta las 16:00 hrs. En lo que concierne a los coeficientes de transferencia de calor presentes en el interior del destilador, se procesó la información y los resultados gráficos se muestran en la fig. 5. Esta gráfica denota la gran capacidad térmica del sistema, caracterizada por el marcado distanciamiento en la trayectoria que siguen las curvas de calentamiento y enfriamiento. Otra característica adicional es que en ausencia de energía solar, esto es, durante los períodos nocturnos, las cantidades de agua producida son importantes. Las ecuaciones que describen la transferencia de masa en un destilador solar están directamente relacionadas con la diferencia de las presiones parciales de vapor entre el agua y el condensador. De manera experiment al se puede encontrar esta relación para el equipo estudiado y los resultados se presentan en la fig h [Wm -2 K -1 ] Convección Evaporación Producción [kgm -2 h -1 ] Fig. 5 Coeficientes internos de transferencia de calor del destilador solar. Los modos de la transferencia de calor presentados corresponden a la fracción evaporativa y convectiva del fenómeno. En esta figura se puede apreciar la importancia del transporte de energía por efecto del aire húmedo, sobre todo a las temperaturas más elevas; mientras que el calor transportado por convección presenta poca variación para los rangos de operación útiles del destilador. Ante la importancia que cobran los efectos de inercia térmicos del destilador de grandes dimensiones, se procesó la información de acuerdo con la propuesta de Porta et al. (1997), para obtener información adicional. Estos resultados se muestran en la fig. 6. Producción (m/m MAX ) [adimensional] Radiación solar (G/G MAX ) [adimensional] Fig. 6 Curva característica inercial del destilador Diferencia de presiones (P w - P g ) [Nm -2 ] Fig. 7 Dependencia entre la producción y las presiones parciales de vapor. Los rangos encontrados en las diferencias de las presiones parciales del vapor de agua son bajos con respecto a los de los destiladores someros y la relación existente denota una dependencia prácticamente lineal. Finalmente, se procesaron los resultados experimentales y se obtuvo la eficiencia del equipo de grandes dimensiones, que presentó un valor de 30.2%. CONCLUSIONES Se desarrolló un estudio experimental para conocer las características de operación y el desempeño de algunos componentes de los destiladores de grandes dimensiones con cubierta condensadora de doble pendiente. De los registros obtenidos se desprende que la orientación en un equipo de esta naturaleza tiene influencia en la evolución de las temperaturas y el destilado de las cubiertas condensadoras. Se detectaron asimetrías en el desempeño de los condensadores, que se hacen más evidentes para las placas expuestas en dirección Este-Oeste. Por otro lado, la producción se ve frenada en las primeras horas del día, cuando uno o ambos condensadores reciben directamente la radiación solar. Los efectos de la gran inercia térmica se hacen importantes para un equipo de estas dimensiones, y son los que gobiernan el desempeño de todos los elementos del sistema. Las máximas producciones se obtuvieron cuatro horas después del mediodía y las producciones nocturnas resultaron importantes con respecto a la producción total del destilador. Prevalece la importancia de la transferencia de calor por evaporación, ya que se registraron 348

5 coeficientes con valores de 23.5 Wm -2 K -1 para esta fracción, mientras que para el convectivo resultaron de aproximadamente 2.5 Wm -2 K -1. Se encontró una dependencia lineal entre la producción de destilado y la diferencia de presiones parciales de vapor entre el evaporador y el condensador. Un equipo de estas dimensiones presenta una eficiencia de 30.2%. RECONOCIMIENTOS Los autores desean agradecer el apoyo otorgado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACyT) por el apoyo otorgado para el desarrollo de estos trabajos. REFERENCIAS Akash B.A., Mohsen M.S. and Nayfeh W. (2000). Experimental study of the basin type solar still under local climate conditions, Energy Conversion and Management, Vol. 41, p Dunkle R.V. (1961). Solar water distillation: the roof type still and a multiple effect diffussion still, ASME International Developments in Heat Transfer, Part 5, p El-Sebaii A. (2000). Effect of wind speed on some designs of solar stills, Energy Conversion and Management, Vol. 41, p Lawrence G.A. and Tiwari G..N. (1991). Performance of a greenhouse cum solar still for the climatic condition of port Moresby, Renewable Energy, Vol. 1, No. 2, p Mathioulakis E., (1999). Modeling and prediction of longtherm performance of solar stills, Desalination, Vol. 122, p Sartori E. (1996). Solar still versus solar evaporator: a comparative study between their thermal behaviors, Solar Energy, Vol. 56, No. 2, p Sing A., Tiwari G., Sharma P. and Khan E. (1995). Optimization of orientation for higher yield of solar still for a given location, Energy Conversion and Management, Vol. 36, No. 3, p Srivastava N.S.L., Din M. and Tiwari G.N. (2000). Performance evaluation of distillation-cum-greenhouse for a warm and humid climate, Desalination, Vol. 128, p Voropoulos K., Mathioulakis E. and Belessiotis V. (2000). Transport phenomena and dynamic modeling in greenhouse-type solar stills, Desalination, Vol. 129, p

6 350