Article
Artisanal prototype to desalinate seawater with solar energy to obtain
fresh water in rural areas
Prototipo artesanal para desalinizar agua de mar con energia solar para la obtención de agua
dulce en zonas rurales
Manuel Jesús Luna Hernández
Maestro en Gestión Ambiental, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú,
mjesuslunah@yahoo.com, ORCID: 0000-0001-7487-8543,
https://scholar.google.com/citations?user=R7fjbncAAAAJ
Juan Carlos Goycochea Sandoval
Maestro en Contaminación Ambiental, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, España,
jgoycocheasa17@ucvvirtual.edu.pe, ORCID: 0000-0002-9125-0720,
https://scholar.google.es/citations?user=XjoH350AAAAJ&hl=es
Elsa Rosa Chunga Pacherre
Maestra en Gestión Pública, Universidad César Vallejo, Trujillo, Perú,
echungap@ucvvirtual.edu.pe, ORCID: 0000-0002-7457-7051
https://scholar.google.es/citations?hl=es&pli=1&user=CFWoY3gAAAAJ#d=gs_hdr_drw
Yubel Mayela Carrasco Nuñez
Maestra en Educación Ambiental y Desarrollo Sostenible, Universidad Nacional de
Educación Enrique Guzmán y Valle, Lurigancho-Chosica, Perú,
ymcarrasco@uncp.edu.pe, ORCID: 0000-0002-2842-5989
https://scholar.google.com/citations?user=X1LvAI8AAAAJ&hl=es
Revista Iberoamericana de la Educación
Vol – Especial 1 2021
e-ISSN: 2737-632x
Abstract: The study has made it possible to build an artisanal prototype
(DPV) to desalinate seawater or purify polluted water using solar energy to
produce fresh water in rural areas far from the drinking water network. An
advantage of the equipment lies in using renewable energy, it can also be
scaled to larger dimensions to obtain large amounts of fresh water; Likewise,
the prototype, when operating with solar energy, does not produce
greenhouse gases, mitigating climate change.
Article
The solar prototype was selected based on criteria such as: low initial and
maintenance costs, easy operation, replicability and scalability, low energy
consumption, and use of national components. With a dome the prototype in
8 hours produces a volume of 6.5 liters desalinated water, at atmospheric
pressure; Likewise, with two domes in similar conditions, it produces 7.5
liters of desalinated water. This amount of desalinated water increases to 20
liters when the prototype operates in a vacuum between 0.7 to 0.8
atmospheres.
It is recommended to continue with the technical characterization of the
prototype, carrying out more runs in different places and weather seasons,
and adding automatic control systems, to bring the prototype to the category
of industrial equipment, controlled with artificial intelligence (AI).
Key words: Solar watermaker, seawater, seawater, solar prototype.
Resumen: El estudio ha permitido construir un prototipo artesanal (DPV)
para desalinizar agua de mar o purificar aguas contaminadas utilizando
energía solar para producir agua dulce en zonas rurales alejadas de la red de
agua potable. Una ventaja del equipo radica en usar energía renovable,
además se puede escalar a dimensiones mayores para obtener grandes
cantidades de agua dulce; asimismo, el prototipo al operar con energía solar,
no produce gases de efecto invernadero, atenuando el cambio climático.
El prototipo solar se seleccionó en base a criterios como: bajos costos
iniciales y de mantenimiento, fácil operación, replicabilidad y escalabilidad,
bajo consumo energético, y utilización de componentes nacionales. Con un
domo el prototipo en 8 horas produce un volumen de 6.5 lt agua
desalinizada, a presión atmosférica; asimismo, con dos domos en
condiciones similares produce 7.5 lt de agua desalinizada. Esta cantidad de
Article
agua desalinizada se incrementa hasta 20 lt cuando el prototipo opera en
vacío entre 0.7 a 0.8 atmosferas.
Se recomienda continuar con la caracterización técnica del prototipo,
realizando mayor cantidad de corridas en diferentes lugares y temporadas
climáticas, y adicionándole sistemas de control automático, para llevar al
prototipo hasta la categoría de equipo industrial, controlado con la
inteligencia artificial (IA).
Palabras clave: Desalinizador solar, agua de mar, energía solar, prototipo
solar.
INTRODUCTION
El estudio de investigación ha permitido construir un prototipo artesanal
para desalinizar agua de mar o purificar aguas contaminadas utilizando
energía solar para producir agua dulce en zonas rurales alejadas de la red de
servicios de agua potable, el mismo que aprovecha los principios en los que
se basa el fenómeno de la evaporación natural de líquidos, utilizando como
fuente de energía la radiación solar Gaceta del IMTA (2007).
Una gran ventaja de este prototipo radica en que usa una fuente energética
gratuita y renovable, además se puede escalar a dimensiones mayores para
obtener grandes cantidades de agua dulce. Asimismo, el prototipo al operar
con energía solar, no produce gases de efecto invernadero, atenuando de
esta manera el cambio climático Bergues, C. (2009).
La construcción del prototipo artesanal permitirá su identificación y
caracterización técnica; además, evidenciará las ventajas que presenta el
mismo frente a la tecnología convencional para la obtención de agua dulce
Bérriz Pérez, L., Álvarez González, M. (2008). Asimismo, el prototipo solar
Article
se seleccionó en base a criterios como: bajos costos iniciales y de
mantenimiento, fácil operación y mantenimiento, replicabilidad y
escalabilidad, bajo consumo energético y la utilización de la mayor cantidad
de componentes nacionales en lo posible Bérriz Pérez, L. (1976).
El aumento de la población y los cambios climatológicos que han
experimentado algunas zonas del planeta, han producido un desequilibrio
entre la demanda y el suministro de agua de calidad, no sólo para abastecer
a la población, sino también para la agricultura y la industria Valencia J.
(2000). Se estima que aproximadamente 2000 millones de personas carecen
de una fuente segura de abastecimiento de agua potable en la actualidad. No
obstante, esta escasez de agua potable se da en muchas zonas que poseen
abundantes recursos de agua salobre, bien procedente del mar o bien
procedente de pozos subterráneos, que se han ido salinizando con el paso de
los años Ra Ximhai (2012).
1.1. Antecedentes y estado del arte
Lisa A. Fredin, Wärnmark, Sundström, Persson (2016), investigadores de la Universidad de
Lund en Suecia han explicado satisfactoriamente cómo colorantes a base de hierro
funcionan a nivel molecular en las células solares. Este hallazgo, afirman, acelerará el
desarrollo de células solares de bajo costo y más respetuosas con el medio ambiente. El
objetivo es ser capaz de utilizar colorantes a base de hierro en las células solares en el
futuro. Durante décadas, investigadores de diferentes universidades han tratado de
desarrollar colorantes a base de hierro, pero sin éxito. La razón de esta dificultad es que la
consecución de las propiedades electrónicas adecuadas en los tintes a base de hierro es
mucho más difícil en comparación con otros metales. Pero donde otros han fallado, los
investigadores de Lund han tenido éxito, y su hallazgo puede redundar en un aumento
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significativo de la demanda de paneles solares, ya que el uso de hierro en lugar de otros
metales más caros y raros logrará que la producción de células solares y receptores de luz
sea más barata y respetuosa con el medio ambiente.
Ballester (2015), sostiene el término “Riega con el Sol”, el cual es el lema de la última
campaña emprendida por la Fundación Desarrollo Sostenible (FDS). Según esta entidad sin
ánimo de lucro con sede en la Región de Murcia, el empleo de energía solar en la
agricultura ahorra hasta un 70% del costo actual de la energía proporcionada por compañías
eléctricas. La Fundación estima además que el precio del m
3
de agua desalinizada con
energía solar tendría un valor de 25.12 céntimos de dólar, en comparación a la que utiliza
electricidad convencional que alcanza valores de 40 céntimos por m
3
. Esta campaña
persigue el objetivo de facilitar la integración de la energía solar en la gestión del agua.
Acorde con el presidente de la Fundación, Emilio Ballester, se pretende concientizar a la
sociedad sobre el alto consumo energético que implica la administración del agua y sobre
los beneficios ambientales, socio-laborales y económicos que supone el uso de las energías
renovables, y más concretamente, de la energía solar fotovoltaica en la gestión de la misma.
Calle (2013), afirma que el sol es una fuente de energía abundante, intermitente e
inagotable. Teóricamente la energía solar puede ser usada por cualquier proceso que
requiera calor o potencia, por lo que se ha incrementado el interés general de la utilización
de ésta como fuente de energía alterna. El abastecimiento de agua contribuye de varias e
importantes maneras al desarrollo económico y social de un país. Optimizar el método de
desalinización del agua de mar, mediante el uso de la energía solar.
Encontrar una aplicación útil en el departamento de Arequipa al proyecto de
"desalinización del agua de mar" para que se pueda aprovechar para el consumo humano, la
agricultura, entre otras. Hay dos opciones para desalinizar el agua. Desalinizadoras baratas
($80 o $120 millones) con agua cara o desalinizadoras caras ($250 a $350 millones) que
dan agua barata. Creo que la única solución es que se construya una desalinizadora grande
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donde el precio del metro cúbico esté al alcance de los consumidores, que ronda entre
$ 0.30 a $ 0.50 el metro cúbico.
Villalobos (2015), está entre los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets
(MIT) que apoyados por la compañia Jain Irrigations Systems lograron ganar el premio
Desal 2015 con un proyecto en el que plantean un método de desalinización de agua de
bajo costo potenciado con energía solar. El método de nombre Electrodiálisis es un
proyecto que lleva varios años de desarrollo en el MIT. Éste ganó por cumplir de manera
correcta con los tres requerimientos para el premio Desal: es eficiente, sustentable y de bajo
costo. Amos Winter, científico involucrado en este proyecto señala los elementos más
importantes de este método: La electrodiálisis funciona haciendo pasar una corriente de
agua entre dos electrodos con cargas opuestas. Debido a que la sal disuelta en agua consiste
en iones positivos y negativos, los electrodos jalan a los iones fuera del agua, dejando el
agua más fresca en el centro de la corriente. Una serie de membranas separa la corriente de
agua potable de las corrientes cada vez más saladas.
Los Ecológicos (2015), a diferencia de otros sistemas que utilizan energía solar, donde el
calentamiento, la evaporación y condensación ocurre en un solo aparato, nosotros usaremos
dos equipos conectados entre sí, uno para calentar el agua y el aire y otro donde se realizará
la evaporación. Aumentaremos la temperatura del agua que se va a evaporar en la cámara
de evaporación del desalinizador lo más posible, mediante un calentamiento de ésta en el
colector solar, usando la energía solar. Aumentaremos también la temperatura del aire que
arrastrará el vapor en la cámara de evaporación, usando aire calentado con la energía solar,
en el colector solar. Aumentaremos la velocidad de flujo de aire caliente, dentro del equipo
usando un extractor de aire. El extractor también servirá para sacar el vapor generado en la
cámara de evaporación.
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Aumentaremos el área de la masa de evaporación usando un sistema de rodillos giratorios
en los que se mueve una banda. Esta banda es una malla que permite que se adhiera el agua
para ser transportada dentro de la cámara de evaporación, pero también permite el paso del
aire caliente por sus orificios. Disminuiremos el espesor de la capa de agua en contacto con
el aire caliente, humedeciendo la banda de malla en el líquido a evaporar.
1.2. Planteamiento del problema
Existen sistemas que utilizan energía solar que constan de dos equipos conectados entre sí,
uno para calentar el agua de mar y el aire de ingreso, y otro equipo donde se realizará la
evaporación y luego la condensación. En el caso nuestro, el prototipo solar constará de un
solo equipo, en donde se realizará el calentamiento, la evaporación y la condensación.
A este respecto también Hernández, Fernández y Baptista (2003), se preguntan y responden
¿Qué es plantear el problema de investigación?... En realidad, plantear el problema no es
sino afinar y estructurar más formalmente la idea de investigación.
A partir de las teorías expuestas podemos formular el problema general: ¿La
implementación del prototipo artesanal desalinizador de agua de mar con energía solar,
permitirá la obtención de agua dulce?
CARE (2021), El Perú es uno de los países más ricos del mundo en agua, el problema se
encuentra principalmente, en la distribución desigual de este recurso. Según la Autoridad
Nacional del Agua, el volumen anual promedio de agua en Perú es de 1´768172 millones de
metros cúbicos, lo cual podría hacer pensar que el país no presenta ningún problema en el
abastecimiento de este recurso; sin embargo, el 97.7% de la disponibilidad de agua está
distribuida en la Sierra y Amazonía, que alberga tan solo el 30.76% de la población. Por
otro lado, el 2.18% de la disponibilidad de agua se encuentra en la vertiente del Pacífico
que alberga al 65.98% de la población. El estrés hídrico en la costa peruana es elevado y
Article
preocupante. Según la Encuesta Nacional de Hogares 2018 (ENAHO) del INEI, más de 3.6
millones de peruanas y peruanos no tienen acceso al agua potable. De este número, unas
342 mil personas viven en Lima y se abastecen, sobre todo, a través de camiones cisterna,
lo que les supone un elevado costo a diferencia de los hogares que cuentan con este servicio.
La carencia de agua potable se debe tanto a la falta de inversiones en sistemas de agua
como a su mantenimiento inadecuado. Cerca del 40% del agua en los sistemas de
suministro de agua potable en los países en desarrollo como el nuestro se pierde por fugas,
conecciones ilegales y vandalismo. En algunos países, el agua potable es altamente
subsidiada para aquellos conectados al sistema, generalmente son personas en una mejor
situación económica, mientras que la población pobre que no está conectada al sistema,
dependen de vendedores privados costosos o de fuentes inseguras.
1.3. Justificación
El cambio climático que se está experimentado durante los últimos años, ha permitido
que la opinión pública se sensibilice más sobre el tema de la escasez de agua dulce,
interesándose por la desalinización del agua de mar. Pero hay que decir que la
desalinización del agua de mar no es un producto de la tecnología moderna, ya que sus
orígenes se remontan a siglos antes de Jesucristo. Lo que si es cierto, es que esta tecnología
ha ido perfeccionándose a lo largo de los siglos, experimentado un gran auge durante las
últimas décadas del siglo XXI Farid, M.M. Parekh, S. Selman J.R. and Al – Hallaj, S.
(2002).
Casi el 97% del agua del planeta tierra es salada y solo el 3% es agua dulce. Y de aquí a
unos años el consumo del agua por los humanos aumentará. Imagínense si se pudiera
transformar el agua de mar en agua potable. Vamos a desalinizar el agua de mar, usando la
energía solar para poder realizar este proceso. Se estima que el volumen total de agua en el
mundo es de 1.4 billones de Km
3
, de los cuales más del 97% es agua de mar que todavía no
Article
puede ser desalinizada en gran escala (se necesitan, cerca de 15 KWh de energía para
producir 1 galón de agua destilada). Se va a realizar el adecuado proceso para el buen
desarrollo del proyecto de transferencia de calor, utilizando las herramientas de consulta
(Luigee Calle Oré).
UNESCO (2020), La UNESCO predijo que para el año 2020 la escasez de agua se
convertiría en uno de los peores problemas alrededor del mundo; tanto es así de grave que
en el Plan de Abastecimiento del Agua y Gestión Integrada de las aguas residuales para
Guanacaste, en Costa Rica declararon en 2008, de interés nacional y de alta prioridad los
proyectos de iniciativa pública o privada que promovieran procesos de desalinización del
agua marina para el consumo humano, riego y demás usos.
Implicancia práctica: la implementación del prototipo solar contribuirá a disponer de
tecnologías viables para desalinizar agua de mar para la agricultura y consumo humano en
zonas rurales, donde este recurso es escaso; estableciéndose características técnicas de su
construcción y operación, disminuyendo los costos de energía fósil.
Conveniencia: la implementación del prototipo solar aportará mejoras al proceso de
producción de agua potable, en áreas donde no se cuenta con el servicio, reduciendo el uso
de energía fósil, menores impactos ambientales negativos, y mayor seguridad y salud en el
trabajo.
Relevancia social: contribuirá al uso racional de los recursos energéticos y agua dulce
natural, permitiendo mayor disponibilidad de los recursos naturales, generando menores
impactos negativos a la salud y al medio ambiente y mejorando la calidad de vida de la
población. Estas contribuciones del prototipo solar, facilitará a las organizaciones
productivas o de servicios, cumplir con su responsabilidad socio-ambiental.
Article
MATERIALS AND METHODS
La presente investigación fue de enfoque cuantitativo porque usa la recaudación de datos
con el fin de comprobar la hipótesis y estadística. (Hernández, Fernández y Baptista, 2014).
El tipo de investigación fue básica porque contribuye al conocimiento de la problemática de
estudio (Hernández, Fernández y Baptista 2010). El diseño de la investigación es
experimental, porque un conjunto de variables se mantienen constantes, mientras que el
otro conjunto de variables se miden como sujeto del experimento. Es importante para una
investigación experimental establecer la causa y el efecto de un fenómeno, lo que significa
que debe ser claro que los efectos observados en un experimento se deben a la causa. La
metodología experimental se fundamenta en tres grandes pilares o componentes básicos:
aleatorización, control e hipótesis de causalidad (Gad 1999). El método fue hipotético
deductivo, ya que se probaron las hipótesis y se obtuvo conclusiones. (Hernández et al,
2006).
Asimismo, la presente investigación posee un alcance amplio a nivel de trabajo piloto, por
lo que puede llegar a generar un impacto positivo directo sobre una población específica;
sin embargo, es un estudio que permite generar en el futuro, investigaciones que sugieran
su implementación en lugares determinados del país, donde existan aguas contaminadas o
salobres, careciendo estos lugares de facilidades de acceso al agua potable.
Los criterios para la selección de muestra fueron:
Bajos costos iniciales y de mantenimiento.
Fácil operación y mantenimiento.
Fácil Transporte.
Replicabilidad y escalabilidad.
Bajo consumo energético.
La utilización de la mayor cantidad de componentes nacionales posibles.
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La técnica de recolección de datos estuvo basada en fuentes primarias y secundarias, a
través de trabajos de campo realizados en las compañías u organizaciones dedicadas a la
venta e investigación respectivamente de equipos dedicados a la desalinización solar, de la
siguiente manera:
Etapa de Planificación
Se coordinó con los representantes de organizaciones dedicadas a la venta e investigación
de equipos dedicados a la desalinización solar y recopilación de información.
Se coordinó, con los responsables del área de prueba del prototipo para definir el inicio de
los trabajos y aprobación del plan de trabajo.
Etapa de Gabinete: se revisó información técnica proporcionada por las compañías u
organizaciones, sobre los detalles técnicos de las actividades que se desarrollaron en las
etapas de construcción y operación del prototipo (acondicionamiento de las instalaciones)
y operación (memorias descriptivas, esquemas, etc.).
Etapa de Campo: se reconoció las instalaciones donde operó el prototipo:
Reconocimiento del ámbito de influencia del proyecto, determinación de las posibles
fuentes de contaminación, identificación de los principales factores productivos,
mediciones de parámetros energéticos del área, etc.
Actividades para la construcción del prototipo
En la elaboración y construcción del prototipo, se evaluaron diversos materiales a utilizar,
seleccionando los que fuesen de menor corrosión y de mayor conductividad calórica,
teniendo como resultado la mejor opción para el sistema, en segunda instancia, se elaboró
una secuencia de procesos para facilitar el montaje y ensamblaje de las partes del equipo, a
fin de poder mejorar y optimizar los tiempos de construcción; además, se realizaron las
siguientes actividades:
Article
Revisión bibliográfica especializada: Se efectuó el procesamiento, sistematización,
evaluación y análisis de la información obtenida.
Desarrollo de cálculos que simulen el comportamiento del sistema en la condición de
operación, para el posterior dimensionamiento del prototipo solar. Diseño computarizado
3D del prototipo solar y selección de materiales de acuerdo a su resistencia.
Se seccionó los materiales para la construcción del prototipo artesanal: Discusión de los
posibles elementos constituyentes y materia prima como alternativa para la construcción
del prototipo. Preferentemente, se inició la construcción con componentes de aluminio o
cobre para la bandeja de evaporación, material de acrílico para los domos evaporador-
condensador y fibra de vidrio para la carcasa por donde discurre el vapor condensado.
Prueba de estanqueidad de los ductos de cobre instalados. Construcción del equipo,
ductos de aire y soportes estructurales. Adquisición de un extractor manual de vapor-aire
para hacer vacío.
Construcción y operación del prototipo: Se realizó el montaje del prototipo y se inició el
protocolo de prueba para su funcionamiento.
Análisis de parámetros del prototipo: Se realizó el análisis de los factores operativos, se
tomaron los datos experimentales y se interpretaron los resultados.
Partes y funciones en el prototipo DPV
Domos de acrílico, montados concéntricamente, cuya función principal es permitir y
acumular el calor producido por la radiación solar; asimismo, retener el vapor y el
condensado que se va formando similar a niebla en la superficie interna del domo de
menor diámetro.
Bandeja de evaporación de cobre, se ubica en la parte inferior de los domos de acrílico,
y posee pendiente anular en forma de plato cónico, que recibe por la parte central inferior
y por diferencia de nivel, agua de mar precalentada con el vapor que discurre
externamente por una tubería concéntrica. La bandeja de evaporación no es visible a
simple vista, ya que se encuentra ubicada internamente en la carcasa de fibra de vidrio.
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Carcasa de fibra de vidrio, encargada de recolectar el vapor condensado, drenándose el
mismo hacia una tubería externa ubicada en la parte central inferior, y que transfiere su
calor al agua de mar fría que asciende por una tubería interna hacia la bandeja de
evaporación.
Intercambiador de calor, ubicado en la parte central inferior de la carcasa de fibra de
vidrio y de la bandeja de evaporación de cobre, y en posición vertical; asimismo, está
formado por dos tuberías concéntricas, siendo la externa por donde drena el vapor que se
va condensado al transferir su calor al agua fría de mar que va asciendo hacia la bandeja
de evaporación.
Cámara de evaporación, conformada por los domos de acrílico y la bandeja de
evaporación de cobre.
Tanque cisterna, provisto de boya para el control de nivel, abastece de agua de mar (por
gravedad debido a la diferencia de nivel) a la bandeja de evaporación de cobre, por
intermedio de una tubería interna ubicada en su parte inferior central.
Estructura metálica de soporte, conformado por tuberías de fierro tipo andamio, que
soporta a las partes y accesorios del equipo DPV.
RESULTS
De acuerdo al diseño del prototipo en nuestro caso lo denominaremos destilador parabólico
de vacío (DPV), que consta de un solo equipo donde se realizó el calentamiento, la
evaporación y la condensación, llegando hasta 80
o
C de temperatura en la bandeja de
evaporación que contiene el agua de mar. Asimismo, aumentó al máximo posible la
temperatura del aire que arrastró el vapor de la cámara de evaporación del desalinizador.
También, fue necesario aumentar la velocidad de flujo de vapor y aire caliente, dentro de la
cámara del evaporador, usando un extractor manual de vapor-aire para hacer vacío; el
mismo que sirvió para extraer el vapor generado en la cámara de evaporación.
Article
El equipo presenta cuatro innovaciones para el aumento de la eficiencia en la producción de
agua desalinizada, por cuanto utiliza domo doble de material acrílico para la captación
homogénea del calor solar, creando un invernadero que retiene el calor, aumentando de esta
manera la evaporación del agua marina en la bandeja de evaporación, la misma que posee
una pendiente anular dirigida hacia el centro en forma de plato cónico; asimismo, la
condensación del vapor se acelera por que el intercambiador de calor aprovecha el ingreso
de agua fría de mar que asciende a contraflujo con la salida del vapor que drena, ingresando
el agua fría de mar por gravedad por la parte inferior central de la bandeja de evaporación,
por una tubería interna concéntrica a la tubería externa de drenaje de vapor a contraflujo, lo
que permite la condensación del vapor rápidamente.
El ingreso al prototipo de agua de mar por gravedad y a temperatura ambiente se produce
por la diferencia de nivel en el que se ubica el tanque cisterna de alimentación de agua de
mar; además, el equipo posee un dispositivo manual para producir vacío en la cámara de
evaporación de 0.7 a 0.8 atmosferas, permitiendo de esta manera disminuir la temperatura
de evaporación del agua de mar, lográndose aumentar el flujo de condensados hasta 20 lt en
una jornada de 8 horas.
El prototipo fue instalado en el mes de enero del año 2019, en una zona de Lima para la
producción de agua desalinizada a partir de agua de mar cuya composición promedio se
indica en la Tabla N
o
1.
Tabla N
o
1: Composición química promedio del agua de mar
Componente
Cantidad
Unidades
Cloruro de sodio
24.0
gramos
Cloruro de magnesio
5.0
gramos
Sulfato neutro de sodio
4.0
gramos
Cloruro de calcio
1.1
gramos
Article
Cloruro de potasio
0.7
gramos
Bicarbonato de sodio
0.2
gramos
Bromuro de sodio
0.096
gramos
Ácido bórico
0.026
gramos
Cloruro de estroncio
0.024
gramos
Fluoruro de sodio
0.003
gramos
Agua destilada
1.000
mililitros
Fuente: Elaborado por los investigadores
En la Tabla N
o
2 se puede observar que en una jornada de 8 horas el equipo produce 6.5 lt
de agua desalinizada, trabajando con un solo domo de acrílico y a presión atmosférica.
Asimismo, se puede observar que en horas de la tarde (12-16 horas) donde se presentan
mayores temperaturas (27-28
O
C), es mayor la producción de agua desalada (990-1000
mml).
Tabla N
o
2: Agua desalada en el prototipo con un domo (enero 2019)
Hora
Temperatura promedio (
O
C)
Agua desalada (mml)
08 - 09
18
600
09 – 10
19
650
10 – 11
20
710
11 – 12
22
750
12 – 13
27
990
13 – 14
28
1 000
15 – 16
27
1 000
16 - 17
22
800
8 hr.
6 500
Fuente: Elaborado por los investigadores
Article
En la Tabla N
o
3 se observa que en una jornada de 8 horas el equipo produce 7.5 lt de agua
desalinizada, trabajando con dos domos de acrílico y a presión atmosférica. Asimismo, se
puede observar que en horas de la tarde (12-16 horas) donde se presentan mayores
temperaturas (26-28
O
C), es mayor la producción de agua desalada (1100-1400 mml).
Tabla N
o
3: Agua desalada en el prototipo con dos domos (enero 2019)
Hora
Temperatura promedio (
O
C)
Agua desalada (mml)
08 - 09
19
700
09 – 10
19
780
10 – 11
20
810
11 – 12
23
890
12 – 13
26
1 100
13 – 14
28
1 400
15 – 16
26
1 000
16 - 17
21
820
8 hr.
7 500
Fuente: Elaborado por los investigadores
En la Tabla N
o
4 se puede observar que en una jornada de 8 horas el equipo produce hasta
20 lt de agua desalinizada, trabajando el mismo con dos domos de acrílico y a presión de
vacío de 0.7 a 0.8 atmosferas. Cabe precisar que la producción de vacío para extraer el
vapor que luego se condensa, se produce de forma manual, y hay que realizarlo
constantemente. Asimismo, se puede observar que en horas de la tarde (12-16 horas) donde
se presentan mayores temperaturas (26-28
O
C), es mayor la producción de agua desalada
(3100-3950 mml).
Article
Tabla N
o
4: Agua desalada en el prototipo con dos domos y en vacío (enero 2019)
Hora
Temperatura promedio (
O
C)
Agua desalada (mml)
08 – 09
19
1 500
09 – 10
19
1 550
10 – 11
20
1 800
11 – 12
23
2 300
12 – 13
26
3 100
13 – 14
28
3 950
15 – 16
25
3 800
16 - 17
20
2 000
8 hr.
20 000
Fuente: Elaborado por los investigadores
Asimismo, de la Tabla No 4 se deduce que el DPV produce 20 litros diarios de agua
desalada, y si consideramos las dimensiones proyectadas del área del domo sobre la
bandeja de evaporación, es aproximadamente de un metro cuadrado; por tanto, la
producción de agua desalinizada seria de 20 litros/m2.
DISCUSSION
Existen diversos métodos para la desalinización de agua de mar, los que pueden ser
clasificados en una serie de grupos según las características de funcionamiento que
presenten; por tanto, es importante identificar el método más adecuado para cumplir el
objetivo definido, considerando todos los recursos disponibles como son: los económicos,
humanos, materiales, geográficos, entre otros. Un elemento fundamental para el desarrollo
del estudio de investigación es la utilización de energías renovables como la energía solar;
siendo el ámbito definido en este estudio de investigación las zonas rurales, debido a que
estas son las más afectadas por la carencia de agua potable y además se caracterizan por
tener altas emisiones de radiación solar.
Article
En nuestro caso, el diseño del destilador parabólico de vacío (DPV) presenta cuatro
innovaciones tecnológicas, como son: domo doble, pendiente anular de la bandeja de
evaporación en forma de plato cónico, intercambiador de calor a contraflujo y dispositivo
manual para producir vacío. Por las facilidades tecnológicas mencionadas, el prototipo
permite suministrar la máxima cantidad de calor al agua de mar, que se evapora en la
cámara de evaporación del desalinizador, considerando que en nuestro caso se trata de un
solo equipo donde se realiza el calentamiento, la evaporación y la condensación, llegando
hasta 80 oC de temperatura en la bandeja de evaporación que contiene el agua de mar.
Asimismo, aumentó al máximo posible la temperatura del aire que arrastra el vapor de la
cámara de evaporación del desalinizador. También, fue necesario aumentar la velocidad de
flujo de vapor y aire caliente, dentro de la cámara del evaporador, usando un extractor
manual de vapor-aire para hacer vacío; el mismo que sirvió para extraer el vapor generado
en la cámara de evaporación.
Los datos experimentales muestran que en una jornada de 8 horas el equipo produce 6.5 lt
de agua desalinizada, trabajando el equipo con un solo domo de acrílico y a presión
atmosférica. En el caso que se opera con dos domos y a una atmosfera, se obtienen 7.5 lt de
agua desalinizada, por el efecto de invernadero que produce el espacio entre los dos domos
de acrílico. Asimismo, se puede observar en las Tablas Nos 2, 3 y 4, que en horas de la
tarde (12-16 horas) donde se presentan mayores temperaturas (27-28 OC), es mayor la
producción de agua desalada.
El equipo produce hasta 20 lt de agua desalinizada, trabajando con dos domos de acrílico en
una jornada de 8 horas y a presión de vacío de 0.7 a 0.8 atmosferas; este fenómeno es
debido a la menor presión sobre la superficie del líquido, por tanto las moléculas de agua
líquida pasan más fácilmente a estado de vapor; ya que el punto de ebullición de un líquido
varía según la presión que lo rodea. Un líquido en un vacío parcial tiene un punto de
ebullición más bajo que cuando ese líquido está a la presión atmosférica.
Article
A continuación “Se presentan los resultados experimentales obtenidos con diferentes
destiladores solares, como producción, rendimiento, costo de fabricación y costo de
producción de agua desalada. Para este trabajo se han utilizado un destilador cilíndrico
parabólico (DCP), un destilador Fresnel lineal (DFL), un destilador de bandeja escalonada
modificado (DBEm), un destilador híbrido Fresnel lineal – bandeja escalonada modificado
(DFL+DBEm) y un destilador de bandeja escalonada modificado con tubos de borosilicato
al vacío (DBEm+tubos). Con los resultados obtenidos se ha determinado que el destilador
que presenta mayor producción de agua desalada es el híbrido DFL+DBEm con 10.5 litros
diarios y el de menor producción es el DBEm con 3.96 litros. Sin embargo, si se consideran
las dimensiones de los destiladores, el DBEm es el que más produce con 5.9 litros/m2 ,
mientras que el menor es el DFL+DBEm con solo 1.7 litros/m2 . En relación a los costos de
producción de agua desalada, el agua más costosa se obtiene del DCP con 0.66 soles/litro,
mientras que el agua más barata se obtiene en el DBEm con 0.13 soles/litro. En conclusión,
el destilador más simple y barato, el DBEm, es el que produce el agua desalada más barata”
(Erich Saettone 2015, Análisis comparativo entre diferentes destiladores solares de agua
marina, Universidad de Lima, Instituto de Investigación Científica (IDIC)).
Finalmente, si comparamos los tipos de equipos mencionados anteriormente, el destilador
parabólico de vacío (DPV) presenta ventajas comparativas, al producir 20 litros diarios de
agua desalada, con un rendimiento de 20 litros/m2.
CONCLUSIONS
El estudio de investigación y la revisión bibliográfica sobre las diversas tecnologías que se
utilizan a nivel global, en el proceso de desalinización de agua de mar para abastecer la
evidente escasez de agua dulce y potable que presenta la humanidad doliente; encuentra
una alternativa a través de la destilación solar, la misma que es un proceso económico y de
mayor accesibilidad para poblaciones rurales, donde las condiciones de abastecimiento del
Article
recurso hídrico son limitadas y contrariamente la radiación solar de esas zonas es favorable
al diseño de estos equipos.
El prototipo (DPV) tiene mayor rendimiento y eficiencia comparado con los otros tipos de
equipos similares, en la producción de agua desalinizada, esto es debido a las cuatro
innovaciones tecnológicas en su diseño (domo doble de acrílico, pendiente anular de la
bandeja de evaporación de cobre, intercambiador de calor a contraflujo y dispositivo
manual para producir vacío) y además opera exclusivamente con energía solar, evitando la
emisiones de gases de efecto invernadero.
Con un solo domo en una jornada de 8 horas produce un volumen de 6.5 lt agua
desalinizada, a presión atmosférica, asimismo con dos domos en condiciones similares
produce 7.5 lt de agua desalinizada. Esta cantidad de agua desalinizada se ve incrementada
significativamente hasta 20 lt cuando opera en vacío entre 0.7 a 0.8 atmosferas.
El extractor de vapor-aire para hacer vacío, al ser de uso manual, su operación es tediosa en
las jornadas de trabajo, por lo que puede reemplazarse por otro extractor a motor eléctrico,
produciéndose la electricidad con paneles fotovoltaicos.
El prototipo (DPV) es una alternativa viable y puede ser potenciado en la producción de
agua desalinizada, si se adiciona una fuente de energía que ejerza una influencia calorífica
importante en la aceleración de la evaporación, tal como resistencias eléctricas,
produciéndose la electricidad con paneles fotovoltaicos.
El prototipo es replicable y escalable para producir cantidades significativas de agua
desalinizada.
En base a los resultado obtenidos, existen dos factores que afectaron el estudio durante su
realización, el primero es el tiempo que tarda la evaporación para llevar a cabo el proceso
Article
total en los que fueron necesarios días completos, así como la incidencia de los rayos soles
y las estaciones del año, no permitiendo la utilización del prototipo en días nublados, de
lluvia o en las noches; por tanto, se recomienda su implementación en zonas geográficas de
radiación solar constante durante las estaciones del año.
Otro factor que presento dificultades, fue el material de acrílico con el que se construyó los
domos del desalinizador, el cual fue adquirido en forma de planchas planas, por lo que se
tuvo que darles forma de domos a través de un proceso de horneado.
Otra dificultad fue el proceso para realizar la estanqueidad del equipo, entre los domos de
acrílico de evaporación-condensación y la bandeja de evaporación ubicada en la parte
inferior, especialmente para su trabajo en vacío.
Se recomienda continuar con la caracterización técnica del prototipo, realizando mayor
cantidad de corridas en diferentes lugares y temporadas climáticas, adicionándole
accesorios automáticos de control, para convertirlo en modelo tipo industrial, controlado
con la inteligencia artificial (IA).
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Article
ANNEX
Figura 1: Desalinizador parabólico de vacío (DPV)
Fuente: Elaborado por los investigadores
Modo de operación del desalinizador parabólico de vacío (DPV)
En la figura se observa el prototipo denominado desalinizador parabólico de vacío (DPV),
provisto en la parte superior de doble domo de material acrílico, el cual permite retener la
evaporación-condensación, unida herméticamente por la parte inferior a una carcasa de
fibra de vidrio que colecta el vapor condensado, escurriéndose el mismo hacia una tubería
externa ubicada en la parte inferior central. Asimismo, se puede observar la estructura de
tubería metálica tipo andamio que soporta al equipo
En la parte superior derecha se ubica el tanque cisterna con su boya de control de nivel, que
abastece de agua de mar (por gravedad debido a la diferencia de nivel) por intermedio de
una tubería interna ubicada en la parte inferior central hacia la bandeja de evaporación de
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cobre, la misma que no es visible por estar ubicada internamente en la carcasa de fibra de
vidrio.
El intercambiador de calor se ubica en la parte inferior central de manera vertical, formado
por dos tuberías concéntricas, escurriéndose el vapor condensado por la tubería externa, y
ascendiendo por la tubería interna el agua de fría de mar, depositándose en la bandeja de
evaporación de cobre.
El dispositivo para hacer vacío se ubica en la parte final de la tubería externa del vapor
condensado, ubicándose cerca la salida de condensado, que es el agua desalinizada.
