ESTUDIO TEORICO DEL COMPORTAMIENTO DE UN DESTILADOR SOLAR Romina Lambertucci. Ingeniería Química, UTN, Facultad Regional Villa María. Av. Universidad 450. Villa María, Córdoba, Argentina. Tel. 0353-4537500. romilamber@hotmail.com Tutor: Lic. Fernando Bonaterra Resumen Se presenta un análisis teórico del funcionamiento y clasificación de distintos tipos de destiladores solares con el fin de obtener conclusiones para aplicar al diseño óptimo de un equipo para destilar mezclas binarias en la zona de Villa María. Se analizan diversas experiencias presentadas en la bibliografía y se extrae de las mismas los datos pertinentes para una adecuada definición de las variables del destilador a construir. 1. Introducción La destilación de agua y mezclas binarias a través de la utilización de energía solar es un tema cada vez más estudiado y aplicado en muchos países. Experiencias realizadas en todo el mundo demuestran la gran importancia y utilidad de este método de destilación, además de su facilidad de utilización. Sin duda alguna, es más que evidente la necesidad de implementar nuevas tecnologías que permitan el aprovechamiento de la energía disponible, como lo es en éste caso la radiación solar. Los equipos utilizados para este tipo proceso, denominados solar stills, son objeto de estudio y análisis para el diseño de estructuras que logren resultados de destilación convenientes para su posterior aplicación en diversas áreas. Muchos tipos de destiladores solares han sido construidos y utilizados por parte de numerosos investigadores. En el presente trabajo se los presenta y se analizan diferentes variantes en la utilización de los diversos destiladores solares, comparando los resultados correspondientes a las experiencias llevadas a cabo con los mismos, para luego tomar decisiones en la construcción y diseño experimental de un destilador solar. Básicamente un solar still cuenta con un absorbedor generalmente colocado de manera horizontal, y una cubierta transparente que sirve a su vez como condensador. El principal objetivo es lograr un vasto conocimiento en la materia con el fin posterior de diseñar un equipo destinado a destilar mezclas binarias. El rendimiento de este tipo de destiladores es relativamente bajo; una de las principales dificultades es hallar una inclinación para la cubierta que permita una colecta eficiente del destilado, minimice las pérdidas de energía solar por reflexión y permita una máxima transmisión de radiación. La cubierta transparente absorbe parte de la radiación solar y recibe toda la energía transferida por el vapor durante la condensación. Eliminar este sobrecalentamiento del condensador es una tarea difícil que se intenta lograr mediante distintos diseños del mismo. Luego del análisis teórico correspondiente, y evaluados los distintos tipos existentes de destiladores solares, se persigue como objetivo final, la construcción de un equipo de éstas características para realizar experiencias de destilación de mezclas binarias en la región de Villa María, Córdoba (Latitud 32º S). Se analizan los resultados presentados en la bibliografía con el fin de obtener un diseño del dispositivo óptimo para esta zona, que permita rendimientos más eficientes. 2. Materiales y métodos. 2.1 Materiales El dispositivo utilizado en la destilación solar se denomina solar still el cual cuenta principalmente de un condensador, un absorbedor y un colector del destilado. Este tipo de equipos puede encontrarse de diversas clases y con variantes particulares para cada situación. 2.1.1 Destilador solar de compartimiento único (o simple). También llamado destilador de bandeja. El mismo es un destilador cuyo marco externo es una caja de madera, formada por una capa de madera
laminada de 1.5 cm de espesor, seguida de una pared de 4 cm de poliestireno, la cual se dispone con el objetivo de reducir la conducción de energía a través del fondo y de las paredes laterales del recipiente. El absorbedor es una bandeja de acero inoxidable de 1.5 mm de espesor, la cual es pintada de negro con el fin de aumentar su absorbancia. El destilador posee además una cubierta transparente de vidrio cuyas dimensiones son 1.11 m x 1 m, con un grosor de 5 mm. Colocada con una determinada inclinación respecto de las paredes del destilador. Esta inclinación debe ser tal que permita fluir hasta el colector a la totalidad del condensado, sin que nada caiga dentro del compartimiento, a la vez que debe analizarse las pérdidas de energía por reflexión debido a este ángulo. En la Fig. 1 se muestra una imagen esquemática del destilador solar de único compartimiento, en la cual se muestran las demás dimensiones para su construcción. Fig.1 Vista esquemática de un destilador solar de único compartimiento. (Adaptado de Meukam et al.) 2.1.2 Destilador solar de dos compartimientos. Un esquema del mismo puede observarse en la Fig. 2. En ella se puede ver que el dispositivo consta de dos partes, cada una de las cuales posee una cubierta que hace las veces de condensador. La cubierta del compartimiento 1 es transparente y de vidrio, con una inclinación de 16º y el absorbedor posee una superficie de 0.3 m 2. La cubierta del otro compartimiento es también de vidrio aunque más arbitraria que la anterior, ya que el único objetivo que se persigue con la misma es permitir que todo el destilado fluya por ella hasta el colector sin caer dentro del compartimiento. El vidrio de la cubierta 2 está protegido de la radiación solar mediante la colocación de una capa de madera laminada a 2 cm del condensador. Este espacio entre ambos materiales permite la circulación de aire lográndose así un enfriamiento del vidrio. Este tipo de destilador solar presenta importantes ventajas frente al destilador de único compartimiento. Permite recuperar el vapor perdido por goteo incapaz de condensar en el compartimiento 1; el vidrio 2, al estar protegido de la radiación solar, permanece a una temperatura lo suficientemente baja como para garantizar una condensación satisfactoria; y por último, el pasaje de parte del vapor al compartimiento 2 reduce la cantidad de vapor condensado en el vidrio 1, por lo que éste puede lograr estar a una temperatura menor que la que tendría en el caso del destilador de único compartimiento. Por estas cuestiones, se puede decir que el destilador solar de dos compartimientos representa un avance en eficiencia frente al destilador solar simple. Fig. 2 Destilador solar de dos compartimientos. (Adaptado de Meukam et al.) 2.1.3 Destilador solar simple de dos vertientes (o destilador de caseta). Es el más conocido y difundido en el mundo y consiste en una caseta de material semitransparente, generalmente vidrio de 5 mm de
espesor, que se coloca sobre una bandeja que contiene la mezcla de la cual se quiere obtener un destilado. Dicha bandeja es de muy poca profundidad, contiene una delgada lámina de la mezcla, y está herméticamente cerrada con vidrio transparente. Imágenes del mismo pueden observarse en las Fig. 3 y 4. Los ángulos que forman las láminas de vidrio con la horizontal pueden variar, obteniéndose diferentes rendimientos para los diversos casos. Fig. 3 Destilador solar de caseta con inclinación de 20 º. Fig. 4 Destilador solar de caseta con inclinación de 45 º. 2.1.4 Funcionamiento. El principio de funcionamiento para los distintos tipos de destiladores solares es básicamente el mismo, con algunas variantes en cada caso. Resumiendo, la radiación solar pasa a través del vidrio y calienta la mezcla que se halla dentro del destilador, ya que el fondo se pinta generalmente de negro absorbiendo mayor cantidad de energía que las paredes del dispositivo. Con el aumento de temperatura, se producen los vapores correspondientes, los cuales condensan al entrar en contacto con la cubierta de vidrio que se encuentra a menor temperatura. El condensado se desliza por el plano inclinado hasta llegar a los colectores. Dentro de estos dispositivos, se transfiere energía desde la mezcla hacia la cubierta de vidrio por convección, radiación y por el proceso de evaporacióncondensación. A su vez, hay pérdidas de calor hacia el ambiente, principalmente a través del condensador transparente de vidrio y por los fondos, por convección y radiación. 2.2 Metodología y resultados experimentales disponibles Se analizan diversas experiencias encontradas en la bibliografía, realizadas en distintas condiciones ambientales y utilizando distintos dispositivos. (Meukam P. et al.; Dos Santos Becerra M. et al; Cerda E.; El Sebaii, 2000) 2.2.1 Destilación de agua mediante destilador solar de único compartimento. Los investigadores estudiaron la producción de agua destilada en Cuba mediante la utilización de un solar still simple analizando distintos ángulos de inclinación para obtener la mayor eficiencia posible, combinando una buena absorción energética con la recuperación de todo el condensado. Se utilizan 10 l de agua a destilar y se miden las temperaturas de todos los componentes del destilador y las cantidades de destilado cada una hora. La experiencia se realiza para ángulos de 13º, 14.5º, 16º y 17.5º. La experiencia se lleva a cabo desde las 10:00 a.m hasta las 06:00 p.m. De los resultados obtenidos por
los investigadores, se obtiene que los rendimientos logrados en para cada valor de inclinación son del 26.5 % para 13º, 29.5 % para 14.5º, 31 % para 16.5º y 27.5 % para 17.5º. Si bien la radiación solar en todos los experimentos no fue la misma, se afirma que la cantidad de destilado obtenida depende directamente de la energía recibida. La experiencia realizada con un ángulo de 16º se hizo con una radiación moderada; aún así es la inclinación que presenta mayores rendimientos. Para las condiciones climáticas de la zona ecuatorial, la inclinación óptima para la cubierta de un destilador solar de tipo simple es de 16º. 2.2.2 Destilación de alcohol mediante destilador solar de único compartimento. Los investigadores llevaron a cabo el estudio de la destilación de etanol a partir de una bebida alcohólica local llamada koutoukou utilizando un destilador solar de único compartimento con una inclinación de 16º. El volumen inicial de la solución fue de 10 l, con una concentración alcohólica del 38 % v/v. Se midieron los volúmenes de condensado obtenidos cada una hora y su contenido de alcohol. El experimento se realizo 14 días obteniéndose eficiencias que varían entre el 41 % y el 52 % dependiendo éstas directamente de la intensidad de la radiación solar. En las primeras cuatro horas de experiencia, se registraron altos contenidos alcohólicos en el estilado, mientras que éstos comienzan a decrecer rápidamente con el correr de las horas debido al aumento en la cantidad de agua en los vapores por el lógico aumento energético recibido por la solución. Las máximas cantidades de alcohol destilado se obtienen en el horario del mediodía. Y se pudo concluir que para un día soleado promedio, la producción de destilado llega al valor de 1675 ml con una concentración alcohólica del 45 % a partir de 10 l de solución al 38 %. Esta eficiencia es relativamente baja, por lo que sería conveniente analizar posibles optimizaciones para este tipo de experiencias. Una de las posibles soluciones es intentar disminuir la temperatura de la cubierta condensadora, lo cual puede lograrse mediante un destilador de dos compartimentos. 2.2.3 Destilación de agua con un destilador solar de dos compartimentos. Se realizó la destilación de agua impura con este tipo de dispositivo con el objetivo de lograr mejores resultados en el rendimiento de la destilación agregando un compartimento al destilador. Se utilizó el solar still descripto en la Fig. 2, donde se usó una inclinación de la cubierta 1 de 16º decidido por la optimización lograda en la experiencia anterior. La nueva variante en este caso es una nueva cubierta la cual se halla protegida de la radiación solar con el objetivo de disminuir la temperatura de la misma. El volumen del segundo ambiente es reducido, para obtener una saturación y posterior condensación en el caso de mezclas de vapor, aire y alcohol. Se realizó la experiencia durante 6 días, midiendo los volúmenes de agua obtenidos en cada compartimento en cada día. Con el análisis de estos valores, se obtuvo que el destilado del compartimento 2 representa aproximadamente el 9.5 % del volumen de agua recogido en el compartimento 1; lo cual muestra claramente que el aumento de temperatura de la cubierta 2 es mucho menor que el registrado para la cubierta 1. Esta comprobación sobre la posibilidad de disminuir la temperatura de una cubierta permitió aplicar el dispositivo en la destilación de alcohol, como se describe a continuación. 2.2.4 Destilación de alcohol con un destilador solar de dos compartimentos. Se realizó el experimento durante cuatro días utilizando 10 l de una solución con el 38 % de etanol. Se llevó a cabo una primera destilación obteniéndose que en el destilado del compartimento 1 el contenido alcohólico fue de alrededor del 40 % y que en el producto del compartimento 2 la concentración alcohólica llegó hasta el valor del 71 %. Esto es debido a que los vapores ricos en alcohol condensan en la cubierta 2 y los vapores ricos en agua lo hacen en la cubierta 1 que se encuentra a mayor temperatura que la 2. El condensado obtenido en el compartimento 1 del día 3, se sometió a una segunda destilación utilizando 3 l del mismo como solución inicial con una concentración de 47 %. Se lograron 950 ml/m 2 con un contenido de etanol del 60 % en las primeras cuatro horas en el compartimento 1; y 1200 ml/m 2 con 56 % de alcohol en las siguientes cuatro horas de experiencia. En el compartimento 2 se obtuvieron en total 220 ml/m 2 al 66 % de alcohol. Con el dispositivo de dos compartimentos se logró entonces destilar 2370 ml/m 2 con un contenido alcohólico de aproximadamente el 60 % totalmente comerciable. Puede verse como con la implementación de un destilador solar de dos compartimentos se obtiene un alcohol al 60 % a partir de una concentración del 38 %, aumentando un 15 % el contenido alcohólico del destilado que se obtiene con un destilador de único compartimento.
2.2.5 Destilación de agua con un destilador de caseta. La siguiente es la descripción de la experiencia llevada a cabo en el nordeste Brasilero, en Natal, estudiando la destilación de agua mediante un destilador de caseta con ángulos de inclinación de 20º y 45º, para verificar cuál de ellos ofrece un mayor rendimiento en esta zona. Se llevó a cabo en los meses de mayo y junio; y la solución utilizada como muestra es agua proveniente de la producción de petróleo a desalinizar. Se utilizó como método de trabajo, la recolección continua del destilado midiéndose en probeta graduada el volumen obtenido cada un minuto. Se determinaron las tasas de condensación para ambos ángulos. Los valores máximos para las inclinaciones de 20º y 45º fueron de 3.6 ml/min y 4.7 ml/min respectivamente. En todo momento, la tasa de evaporación del dispositivo con ángulo de 45º fue mayor. Este hecho puede ser explicado por la mayor área disponible para la condensación que se obtiene con esta inclinación. Esto no puede tenerse en cuenta como conclusión, ya que las experiencias con una y otra inclinación se realizaron en días diferentes, por lo que puede tomarse solamente como una referencia sobre los posibles ángulos a utilizar. 2.2.6 Destilación de agua con un destilador solar orientable de gran tamaño. Esta experiencia fue realizada en primavera en La Paz, Méjico, utilizando un destilador de caseta de gran tamaño en la destilación de agua. Las dimensiones del mismo son 3.86 m x 2.64 m de base y 1.42 m de altura, con cubierta condensadora de doble pendiente con ángulo de 45º. Se instaló sobre una estructura que posibilite modificar su orientación. En esta experiencia se registraron las temperaturas de las distintas partes del equipo, la radiación solar, la temperatura ambiente, la dirección y velocidad del viento y la producción de destilado para ambas cubiertas condensadoras. El experimento se realiza para las orientaciones Este-Oeste y Norte-Sur del equipo. El registrar las temperaturas de ambas placas, se observo una diferencia apreciable entre éstas para una orientación Este-Oeste, de alrededor de 11 ºC; las diferencias térmicas entre las cubiertas fueron mínimas para la orientación Norte-Sur. Se descubrió que existe una inercia térmica muy importante por lo que los registros de producción nocturnos son de valores dignos de considerar. Las diferencias de temperatura entre los condensadores, se evidencian de igual manera en las diferencias en producción de condensado, obteniéndose mayor cantidad en la placa de mayor calentamiento, la cual mira hacia el Este. Lo dicho se produce en las primeras horas de experiencia, ya que este sobrecalentamiento temprano provoca una caída en la producción con el correr de las horas. En el caso de la orientación Norte-Sur, las diferencias en cuanto a la cantidad de destilado casi son inapreciables. El rendimiento del dispositivo para ambas direcciones fue de aproximadamente el 30 %. Se obtiene así como dato a tener en cuenta la importante influencia en la orientación del equipo destilador en las diferencias de temperaturas entre las placas. Si bien en destilación de agua esto no tiene mayores influencias en cuanto a la producción, en la aplicación a destilación de alcohol puede tener grandes influencias en el contenido alcohólico del condensado de cada una de las cubiertas. 2.2.7Influencia del viento en el rendimiento de los destiladores solares. Se han efectuado estudios recientemente sobre este tema, de los cuales se reportan efectos considerables a causa del viento en la producción obtenida del destilador. Para rangos de aproximadamente entre 0 y 20 m/s, la producción diaria se duplica prácticamente para periodos de insolación, la temperatura del agua se modifica en más de 15 ºC y la diferencia de temperatura entre el agua y la cubierta varía en valores de alrededor de 11ºC. Este un aspecto importante a considerar ya que el viento colabora con una disminución de la temperatura de la cubierta, lo cual es un objetivo siempre buscado en el diseño de destiladores solares. 3. Conclusiones Luego del análisis teórico sobre los dispositivos de destilación solar revisados en el presente trabajo, se analizan los resultados de las experiencias estudiadas, y se determinan las condiciones y variantes a decidir para la construcción de un destilador solar para la realización de experiencias con soluciones alcohólicas a determinar. Estas experiencias se llevarán a cabo en planta piloto con el objetivo personal de la autora de incurrir en la aplicación de destiladores solares para concentrar soluciones alcohólicas. Se construirá un destilador solar de tipo caseta, con bandeja absorbedora de acero inoxidable pintada de negro, base de madera como aislante de 15 cm de espesor, cubiertas condensadoras de vidrio con 5 mm y 45 º de inclinación. Si bien se ha planteado que se comprobaron mejores rendimientos para ángulos menores, esta inclinación reporta valores de producción considerables y su construcción no
contempla demasiadas dificultades. Se hará con una estructura tal que permita modificar su orientación, con el objetivo de verificar si una orientación Este Oeste provoca una diferencia de temperatura entre las cubiertas de un valor suficiente para lograr en la cubierta de menor temperatura un condensado rico en alcohol y uno rico en agua en la placa de mayor temperatura. Luego, se buscaría la posibilidad de dividir el equipo en dos compartimentos y cubrir de la radiación solar a una de las placas favoreciendo la disminución de temperatura, con el objetivo de comparar si esta optimización es comparable con el simple movimiento del dispositivo para orientarlo de la forma descripta con el cambio en la posición del sol. La experiencia se prevé realizar desde las 09:00 hs hasta las 13:00 hs en una posición Este-Oeste, y de las 13:00 hs hasta las 17:00 hs con un giro de 180º, midiéndose cada una hora las temperaturas de las distintas partes del equipo, la temperatura ambiente, la velocidad y dirección del viento, el volumen de condensado obtenido de cada cubierta y su porcentaje de alcohol. En el caso de obtener diferencias significativas de contenido alcohólico de ambas placas, se evaluará la posibilidad de una segunda destilación para obtener una mayor concentración de alcohol. Se buscará además observar la influencia de la velocidad del viento en los rendimientos obtenidos, aprovechando las condiciones de la zona en las que los días ventosos resultan muy usuales. Referencias Pierre Meukam, Donatien Njomo, Aboudramane Gbane, Siaka Toure. "Experimental Optimization of a Solar Still Application to Alcohol Distillation». Laboratoire d Énergétique, ENSP, Université de Yaoundé I, P.B. 8390, Yaoundé, Cameroon. Laboratoire de Thermique Énergétique, Facultés des Sciences, Université de Yaoundé I, B.P. 812, Yaoundé, Cameroon. Laboratoire d_énergie Solaire, Université de Cocody, 22 B.P., 582 Abidjan, 22 Cˆote d Ivoire, Yaoundé, Cameroon Magna Angélica dos Santos Bezerra; Josette Lourdes de Sousa Melo; Henio Normando de Souza Melo; Thaísa Daniella de Araújo Jucá. Estudo das Taxas de Evaporacao em Destilador Solar Duas Aguas com Inclinacao de 20 e 45. End.: R.Maxaranguape, 910, apto 901. Tirol, Natal/RN. CEP 59020-160. Brasil - Fone: 9984 8224/ 221. 4927 / 215 3757E-mail: josette@eq.ufrn.br Eduardo Rubio Cerda. Estudio Experimental de un Destilador Solar Orientable de Gran Tamaño Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C. Apdo. Postal 128, La Paz, B.C.S. 23000, México. Tel. +52 (612) 123-8484 e-mail: erubio@cibnor.mx José Luis Fernández Zayas. Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd. Universitaria, México D.F. 04510, México. jlf@pumas.iingen.unam. El-Sebaii A. Effect of wind speed on some designs of solar stills., Energy Conversion and Management, Vol. 41, p. 523-538. (2000).