En este trabajo se presenta el diseñó y construcción de un destilador de doble cubierta con una área de 0.25 m2 para la base de captación, dos cubiertas de vidrio con una inclinación de 23º respecto de la horizontal para formar una doble caseta y una profundidad constante del espejo de agua de 2.5 cm. Se usó espuma de poliuretano, con un espesor de 10 cm, para aislar las paredes del destilador. Se construyó un captador de 0.5 x 0.5 m de base y una altura de 5 cm en forma de caja usando una lámina de cobre con un espesor de 1.6 mm pintada de color negro que sirvió de recipiente para el agua a destilar. Se midió la producción de agua en función de la irradiancia y de la velocidad del viento sobre la superficie de las cubiertas. Además, utilizando un código de propósito general, se obtuvieron los campos de temperatura y velocidad dentro del destilador y en la parte superior de la cubierta. Se simuló la convección forzada en la cara externa de la cubierta del destilador, usando velocidades del aire entre 2 y 8 m/s.

1. TST-32
SIMULACIÓN DEL EFECTO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO EN LA PRODUCTIVIDAD
DE UN DESTILADOR DE DOBLE CASETA
M. Castillo Téllez1
- J. A. Alanís Navarro1
- O. Cázares Candia2
-A. Sánchez Juárez1
Departamento de Materiales-Departamento de Materiales Solares, Universidad Nacional Autónoma de México, Centro de Investigación
en Energía, Temixco, Morelos, 62580, México. Tel. 3620090, Ext. 38006.
macat@cie.unam.mx- jaaln@cie.unam.mx - asj@cie.unam.mx - ipf@cie.unam.mx
Programa de Recuperación de Hidrocarburos,Instituto Mexicano del Petróleo. Eje Central Lázaro Cárdenas No. 152 Col. San Bartolo
Atepehuacan, 07730, México D. F. Tel. (+52-55) 91758294.
ocazarez@imp.mx
RESUMEN
En este trabajo se presenta el diseñó y construcción de un
destilador de doble cubierta con una área de 0.25 m2
para la base
de captación, dos cubiertas de vidrio con una inclinación de 23º
respecto de la horizontal para formar una doble caseta y una
profundidad constante del espejo de agua de 2.5 cm. Se usó
espuma de poliuretano, con un espesor de 10 cm, para aislar las
paredes del destilador. Se construyó un captador de 0.5 x 0.5 m de
base y una altura de 5 cm en forma de caja usando una lámina de
cobre con un espesor de 1.6 mm pintada de color negro que sirvió
de recipiente para el agua a destilar. Se midió la producción de
agua en función de la irradiancia y de la velocidad del viento
sobre la superficie de las cubiertas. Además, utilizando un código
de propósito general, se obtuvieron los campos de temperatura y
velocidad dentro del destilador y en la parte superior de la
cubierta. Se simuló la convección forzada en la cara externa de la
cubierta del destilador, usando velocidades del aire entre 2 y 8
m/s.
ABSTRACT
In this paper it is presented the design and construction of a
double slope still, having an area of the basin of 0.25 cm2
, two
glass covers tilted 23° to form the double cover, 2.5 cm deep
from the water. To insulate the walls of the still 10 cm thick
polyurethane foam was used. The basin of 0.5 x 0.5 m base
area and 5 cm high is made with a 1.6 mm thickness copper
plate black painted, that serves as water reservoir to be
distilled. Experimental water production as a function of the
irradiance and the wind speed on the cover's surface is
presented. Additionally, by using general purpose software,
temperature and velocity contours were obtained from the
distiller's interior, and above the cover's surface. Forced
convection simulation was developed to study the external face
of the distiller's cover, for different velocities in the range of 2
to 8 m/s.
Palabras clave: destilador solar, doble caseta, convección
forzada, campo de temperaturas.
INTRODUCCIÓN
Al ser el agua un vital líquido es cada vez más necesaria la
búsqueda de alternativas para alimentar las necesidades de dicho
líquido. En el caso de las regiones costeras existe la posibilidad de
desalar el agua de mar con destiladores solares ya que todas estas
poblaciones cuentan con problemas graves de agua salada, sin
embargo, tienen la gran ventaja de poder captar energía solar a
gran escala. En un proceso de destilación se requiere de energía
que se suministra al líquido para que este cambie de fase.
Generalmente lo que se suministra es energía calorífica, la cual se
puede obtener del sol.
La destilación solar del agua de mar es el resultado del
acoplamiento de dos procesos simultáneos: la evaporación y la
condensación. En un destilador tipo caseta, ambos procesos se
realizan bajo condiciones de operación variable, debido al cambio
en la cantidad de irradiancia solar incidente, temperatura,
velocidad y dirección del viento; aunque también existen
condiciones de operación controlables, como el diseño del
destilador y la selección de materiales utilizados en su
construcción.
El proceso de condensación en este tipo de destiladores es muy
complejo, ya que el vapor producido interacciona con una
superficie fría (cubierta transparente), con un determinado
espesor, y con una temperatura que es función del intercambio de
calor sensible entre el vapor producido y el aire ambiente. Esta
temperatura interna de la cubierta deberá ser menor que el punto
de rocío del vapor para que este condense. Además la superficie
interna de la cubierta deberá estar a una inclinación tal que
permita su escurrimiento y no retenga mucho líquido, de lo
contrario este funcionarácomo una pantalla a la radiación solar. En
los destiladores de caseta, la cantidad condensada depende de la
velocidad y la temperatura del aire, las cuales varían a lo largo de
su operación. Lo anterior dificulta cuantificar el peso específico o
la influencia de cada uno de los parámetros de operación y
relacionarlo con la capacidad de condensación, al final la
eficiencia del destilador. Para mejorar la velocidad de
condensación, el único parámetro controlable es la velocidad del
viento, sin embargo en un sistema abierto, esto presenta muchas
dificultades. Como complemento a los trabajos experimentales
resulta fundamental el respaldo de desarrollos teóricos que
apoyados en modelos matemáticos sustenten los resultados
obtenidos. El desarrollo de un modelo matemático y la posibilidad
de simular condiciones experimentales, permite mayor flexibilidad
para poder encontrar parámetros de operación óptimos.
Por otro lado, existen discrepancias entre los autores, respecto al
efecto de la velocidad del viento sobre la productividad de un
destilador. Al Hinai (2002) llevó a cabo un estudio teórico para
predecir la productividad de un destilador solar de doble caseta
bajo diferentes parámetros climáticos, de diseño y operacionales.
En cuanto a los efectos de la velocidad del viento y la temperatura
ambiente, el autor concluye que el efecto de la velocidad del
viento es más significativo que el cambio en la temperatura
ambiente; ya que un incremento en la velocidad de 1 a 3 m/s
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2. resulta en una productividad 8% superior; mientras que un
incremento de 23 a 33 °C, resulta en un incremento de
productividad del 8.2%. Los resultados presentados por el autor,
sólo consideran hasta 6 m/s en la velocidad del viento.
SafwatNafey et. al., (1999) llevaron a cabo un estudio mediante
un modelo matemático basado en los estudios de Malik et al.,
(1973) con el que analizaron los diferentes parámetros que afectan
el rendimiento de un destilador solar de caseta sencilla. Los
autores concluyeron que a medida que se incrementa la velocidad
del viento, la producción de agua destilada disminuye
gradualmente: cuando la velocidad del viento cambia de 1 a 9 m/s,
la productividad disminuye un 13%. Por otro lado, Mohamad
Abu-Qudais et al., (1996) realizaron un estudio teórico y
experimental de un destilador de caseta sencilla. Samy et al.
(1992) analizaron un modelo matemático de un destilador solar de
caseta sencilla y concluyeron que incrementando la velocidad del
viento resulta una disminución relativamente pequeña en la
productividad del destilador, por lo tanto dicha velocidad del
viento tiene poco efecto en la producción total: si se incrementa de
0 a 8 m/s disminuye la producción un poco menos del 10%. Por su
parte, Siaka et al. (1996) propusieron, un modelo matemático
respaldado por un estudio experimental de un destilador de caseta
sencilla.
En la búsqueda de una herramienta de simulación adecuada para
representar los fenómenos termohidrodinámicos que se
desarrollan en un destilador de caseta, el presente trabajo se
realizó simulación utilizando el simulador Fluent para obtener los
campos de temperatura y velocidad que acontecen dentro del
destilador.
EQUIPO EXPERIMENTAL
Descripción del equipo experimental
Se utilizaron dos destiladores solares de doble caseta (Fig. 1)
con agua destilada con la finalidad de disminuir el número de
parámetros a analizar y estandarizar resultados.
Figura 1. Destiladores solares de agua de doble caseta.
Ambos destiladores constan de 0.25 m2
de área de captación,
con dimensiones internas efectivas de 0.5 m por 0.5 m. Se utilizó
una charola ó vasija de cobre como absorbedor (calibre 16, 1.6
mm de espesor) y se pintó en el fondo con pintura de color negro
mate resistente a altas temperaturas con el propósito de
proporcionarle alta absortancia de radiación solar. La inclinación
de la cubierta es de 23º y el material usado es vidrio común de 3
mm de espesor. Se garantizó el aislamiento térmico del sistema al
eliminar todas las fugas de vapor de agua que pudiera tener el
dispositivo sellándolo con silicón para evitar así pérdidas en la
destilación de agua. En la unión caseta-absorbedor se ubicaron dos
canales de aluminio a los que se les maquinó una ligera pendiente
y un orificio de ¼ de pulgada, los cuales son el medio captador y
de transporte de condensado. Para alimentar de agua al destilador,
se encuentra un orificio a un costado del destilador el cual cuenta
con una manguera de ¼ de pulgada. En la base del destilador, en
una esquina, se ubicó otro orificio de ½ pulgada el cual se destinó
para desaguar. Con la intención de evitar que el calor ganado por
el absorbedor se pierda mediante los fenómenos de conducción y
convección cada uno de los lados y base de ambos destiladores se
recubrieron con espuma de poliuretano con un espesor de 10 cm.
El destilador se instrumentó con termopares tipo K, ubicados en:
1) el exterior del vidrio (cubierta del destilador), 2) la unión de las
cubiertas de vidrio, 3) la superficie del agua, 4) la base del
colector, 5) el orificio de alimentación de agua a destilar, 6) una
pared externa lateral del aislante, 7) la base externa del aislante, y
8) tres termopares distribuidos a lo largo del destilador y en medio
del mismo. En la figura 2 se presenta a detalle la ubicación de los
termopares en cada zona del destilador.
Figura 2. Ubicación de termopares en el destilador
Se adquirieron datos diariamente mediante un adquisidor de
datos marca Campbell. El beneficio de utilizar este sistema de
adquisición de datos es que se obtuvieron datos precisos y
confiables al medir diariamente el comportamiento térmico de
cada destilador (parámetros de temperatura en la caseta,
absorbedor, agua a destilar, espacio entre caseta y superficie del
agua y aislante). Se realizó un programa en Visual Basic mediante
el cual se estableció comunicación con una báscula electrónica
marca Tor-Rey serie L-EQ 5/10. La báscula estuvo
permanentemente conectada a una computadora que recabó la
información en períodos cortos de tiempo, logrando con esto tener
un parámetro de comparación entre producción e irradiancia.
Mediante la medición continua de la masa de agua destilada que
se obtiene en las garrafas de recolección se logró establecer de
manera puntual la producción de agua de forma constante (Fig.
3).
Las mediciones de agua producida se realizaron con una probeta
graduada con un margen de error de acuerdo a datos del fabricante
del 5%. Se mantuvo el nivel de agua a destilar a 2.5 cm mediante
una probeta de nivel constante, la cual estuvo alimentando los dos
destiladores.
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3. Figura 3. Medición y peso cada 10 minutos de agua destilada.
Para provocar convección forzada en la cara exterior de la
cubierta, se utilizaron tres ventiladores en paralelo los cuales
tienen un peso de 0.390 kg, sus dimensiones son 119 x 119 x 38
mm, soportan un rango de voltaje nominal de 36 a 60 V y 0.94 A.
Se utilizó una fuente de alimentación regulada de corriente directa
de triple salida marca Matrix, modelo MPS-3005L-3. La salida es
de 5 V y hasta 3 A (Fig. 1).
Usando dos tipos de anemómetros se llevó a cabo un mapeo de
velocidades en medio de la caseta de vidrio y acrílico con la
intensión de lograr velocidades uniformes. Debido a sus
características, un tipo de anemómetro permitió medir las
velocidades más cercanas a la base del vidrio ya que debido a sus
dimensiones y la forma de su base ayudó a medir las velocidades
más cercanas a la superficie de la cubierta (vidrio) y el segundo, a
obtener lecturas en el centro de dicho canal. Además, diariamente
se adquirieron datos ambientales (irradiancia, temperatura,
velocidad y dirección del viento, y humedad relativa) de la
estación solarímetra del CIE.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Utilizando un sistema de destilación solar para agua salobre,
basado en una estructura de doble caseta, se busca obtener
parámetros óptimos para mejorar la producción de agua. Para
medir la eficiencia de las alternativas a probar, se diseñaron dos
destiladores idénticos que permiten comparar de manera inmediata
los resultados, ya que uno permanece con la condición original
(convección natural) y en el otro se implementó la convección
forzada.
El flujo de aire deseado se obtuvo mediante el uso de
ventiladores colocados paralelamente a la cubierta exterior del
destilador. Para garantizar que el flujo de aire fuera uniforme en
ambas caras de la cubierta, se implementó una cubierta superior de
acrílico de 3 mm que confina el aire.
En las figuras 4 y 5 se puede observar la evolución de
temperaturas alcanzadas en las diferentes zonas del destilador con
convección forzada en un día representativo y expuestos a
diferentes velocidades de flujo de aire (2, 3.5, y 5 m/s
respectivamente). En estas gráficas se puede observar que a
medida que se enfría la cubierta de vidrio baja la temperatura
sensiblemente en cada zona del destilador analizada, sin embargo
resulta importante hacer notar que pese a esta disminución de
temperatura, hasta los 5 m/s aún aumenta la producción diaria de
agua.
Se puede observar en la figura 4 la irradiancia recibida
representativa para el caso del destilador con convección forzada a
la velocidad de viento de 3.5 m/s. Se puede ver que las
temperaturas se encuentran desfasadas con respecto a la curva de
irradiancia, esto debido a que de la incidencia solar sobre el
destilador resulta el calentamiento en cada zona de éste. De igual
forma, en la figura 5, se muestra la evolución de temperaturas de
tres zonas del destilador (agua, temperatura del vidrio exterior y
absorbedor), a tres diferentes velocidades. Se puede observar que
a medida que se incrementa la velocidad del viento disminuye la
temperatura en cada una de estas zonas del destilador.
Figura 4.Irradiancia recibida y evolución de la temperatura en
las diferentes zonas del destilador: día 20 de octubre de 2011.
Figura 5. Distribución de la temperatura en tres zonas del
destilador a tres velocidades de viento analizadas (Abs=
absorbedor, vidrio ext= vidrio exterior).
TRABAJO DE SIMULACIÓN
Para complementar los resultados obtenidos de manera
experimental, se realizaron algunas simulaciones mediante la
técnica de dinámica de fluidos computacional (CFD), utilizando
un programa de cómputo comercial de propósito general Fluent de
la compañía ANSYS [www.ansys.com]. Este simulador incluye
herramientas de diseño en tres dimensiones (3d), la solución de las
ecuaciones matemáticas que representan los fenómenos
estudiados, como la transferencia de calor y masa, etc., se obtiene
mediante el método de volumen finito (FVM), mediante un
proceso de discretización al encontrar soluciones aproximadas de
ecuaciones diferenciales parciales (Hongtany Tianhong, 2003). La
simulación consta básicamente de cuatro etapas: i) diseño y
definición de propiedades de los materiales, ii) enmallado o sub-
división del espacio 3d, iii) solución de las ecuaciones mediante el
método FVM, y iv) presentación de resultados y análisis.
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4. Diseño
El diseño se realizó en función de las dimensiones físicas del
destilador experimental fabricado. Para el enmallado de todo el
destilador se utilizaron 405,970 volúmenes de tipo tetraedro
(figura 6), la calidad de los elementos de la malla se evaluó
mediante el parámetro de “sesgo del ángulo” y del “sesgo del
tamaño de las caras de los volúmenes” (Equiangle skew y Equisize
skew).Estos dos parámetros son inferiores a 0.5 para el 92 % de
los elementos y menor a 0.25 para el 51% de los elementos; un
valor de uno representa un alto sesgo de los elementos y esto
puede provocar resultados erróneos.
Figura 6. Vista isométrica del diseño del destilador; se muestra
el enmallado.
Simulación
Para la simulación del comportamiento del destilador es
necesario considerar las propiedades de los materiales utilizados
en los experimentos, como la densidad de masa, el calor
específico, la conductividad térmica, entre otras, con el objetivo
de no subestimar o sobre estimar los resultados obtenidos. Dada la
naturaleza iterativa del método de solución, es necesario alcanzar
el número de iteraciones hasta que la solución a las ecuaciones
converja a un valor impuesto, generalmente 0.001 para las
ecuaciones de conservación de continuidad y de cantidad de
movimiento, y 1x10-6
para la ecuación de energía, una vez
alcanzado este valor, es posible recuperar la información de las
variables y propiedades de interés. Se obtuvo la distribución de los
vectores de velocidad en el interior de la doble caseta, en la figura
7 se presenta un corte transversal de la doble caseta para las cuatro
velocidades estudiadas: a) 2 m/s, b) 3.5 m/s, c) 5 m/s, y d) 8 m/s.
Se obtuvieron también los contornos de distribución de la
temperatura en el interior de la caseta. En la figura 8 se muestra un
corte transversal que abarca el absorbedor y el agua a destilar, así
como del interior de la caseta para las cuatro velocidades
mencionadas.
Figura 7. Vectores de velocidad en la doble caseta.
Figura 8. Contornos de temperatura en el interior de la caseta y
el absorbedor.
Es posible observar la evolución de la distribución de la
temperatura, principalmente en la zona del absorbedor, existe un
flujo convectivo originado por el gradiente de temperatura. El
enfriamiento de la parte superior por el efecto del aire que simula
la presencia de los ventiladores origina un desplazamiento del aire
en el interior de la caseta, y una transferencia de calor acelerada
del absorbedor hacia la parte superior.
Se analizó también el efecto de la velocidad del viento sobre la
distribución de la temperatura en la superficie del absorbedor. La
temperatura inicial del absorbedor es de 80 °C. Resulta evidente
que a mayor velocidad disminuye la temperatura sobre la
superficie del absorbedor, estos resultados se muestran en la figura
9.
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5. Figura 9. Distribución de la temperatura para diferentes
velocidades del viento.
La distribución de temperatura sobre la superficie del
absorbedor está influenciada por el efecto de la velocidad del
viento generado por los ventiladores. El enfriamiento producido
por el efecto de la velocidad del viento, parece perjudicial en el
desempeño del destilador, sin embargo, la zona que interesa
enfriar permitiría una mayor tasa de condensación del vapor de
agua, esto se reflejaría directamente en un aumento en la
eficiencia de destilación de agua.
CONCLUSIONES
En este trabajo se presentaron resultados preliminares del
análisis de la influencia de la velocidad del viento sobre la
producción de agua en un sistema de destilación de doble caseta.
La modificación de diferentes características en el destilador,
permitieron observar el comportamiento del fenómeno de
condensación, logrando concluir que un flujo de aire exterior
aplicado sobre la caseta hasta 5 m/s, sí incrementa el resultado de
la destilación, siempre y cuando este flujo sea aplicado
homogéneamente en toda la superficie. Sin embargo, el
incremento en la velocidad del viento, tiene como resultante un
decremento en la temperatura de la caseta y un efecto también
sobre la temperatura del absorbedor; estos fenómenos se presentan
principalmente después del mediodía. La generación de estos
flujos de aire se logró mediante el uso de ventiladores colocados
sobre las paredes inclinadas del destilador, de tal forma que la
corriente de aire corre paralela a la cubierta de vidrio. Se
manejaron rangos de velocidades que van desde los 2 hasta los 5
m/s. Actualmente se está trabajando a velocidades arriba de los 8
m/s, con lo que se pretende corroborar los resultados teóricos
existentes en cuanto al análisis de la afectación de la velocidad del
viento sobre la producción de destilado a estas velocidades. Los
resultados obtenidos hasta el momento demuestran que existe una
correlación entre la velocidad del viento y la producción de agua.
En las simulaciones se observa que la temperatura disminuye
para una mayor cantidad de aire, provocando flujos convectivos.
Las zonas de aire frío tienden a descender y las calientes a
ascender. Entones las corrientes de aire frío comienzan a enfriar la
zona del absorbedor. Lo anterior significa que el efecto de hacer
fluir aire con una velocidad cada vez mayor tiende a enfriar la
caseta a niveles que provocarían una disminución en la producción
de agua destilada, se pretende comprobar cual es la velocidad
exacta a la que deja de aumentar la destilación y comienza a bajar
dicho destilado, lo anterior debido a que el ritmo de condensación
sea mucho mayor que el ritmo de evaporación.
AGRADECIMIENTOS
Al Dr. Sebastian Pathiyamattom Joseph del Centro de
Investigación en Energía por facilitar el uso del simulador. A
CONACyT por las becas otorgadas a los alumnos de Doctorado
en Energía Margarita Castillo Téllez y José Andrés Alanís
Navarro. Especialmente al Dr. Pilatowsky del Centro de
Investigación en Energía por sus observaciones y apoyo en la
parte experimental. Al Ing. José de Jesús Quiñones por
proporcionar datos de la estación meteorológica del CIE.
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