16. polo bravo carlos

XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN DESTILADOR SOLAR TUBULAR DE
AGUA DE MAR
Polo Bravo, Carlos: polodomando@gmail.com
Mamani Flores, Efracio; efracio01@gmail.com
Torres Muro, Hugo: hugotorres@gmail.com
Centro de Energías Renovables de Tacna (CERT)
Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann de Tacna
RESUMEN
El Destilador Solar Tubular (DST) fue diseñado, construido y evaluado en el Centro de Energías Renovables de
Tacna (CERT) de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann de Tacna (UNJBG), Perú. La investigación se
ejecutó con el fin de investigar el comportamiento y caracterizar el destilador tubular para desalinizar agua de mar, bajo
las condiciones de irradiancia solar de la ciudad de Tacna que tiene un buen potencial energético solar, y considerando
que en dicha región se tiene un déficit hídrico cada vez más estresante que limita su desarrollo, y sobre todo en la
búsqueda de alternativas tecnológicas que a futuro permitan aumentar la oferta hídrica: se realizaron mediciones del
volumen de agua destilada por día y por hora, asimismo una caracterización térmica del DST, y de la calidad de agua
destilada antes y después de la evaluación. Los resultados obtenidos experimentalmente indican una volumen aceptable
de agua destilada por el sistema, obteniéndose un volumen medio de 1,63 l/m2
día; con un volumen máximo de 3
l/m2
día y un mínimo de 1,12 l/m2
día, bajo condiciones de irradiancia solar de días semi nublados, despejados, y
nublados; con una eficiencia energética de 47%. El agua de mar tiene una concentración de sal de 41,6 g sal/litro, con
pH de 7,93, y la destilada de 0,008g sal/litro y pH de 7,13
Palabras-claves: Destilador solar tubular, energía solar, agua de mar.
SUMMARY
The Tubular Solar Distiller (DST) was designed, built and tested at the Center for Renewable Energy Tacna
(CERT) of UNJBG, Tacna, PERU. The research was carried out in order to investigate the behavior and characterize
the tubular distillation to desalinate sea water, low irradiance conditions of the city of Tacna, considering that in this
region there is a water shortage increasingly stressful limiting development, particularly in the search for alternative
technologies that enable increased future water supply: volume measurements were made of distilled water per day and
per hour, also thermal characterization of global solar irradiance incident on the DST, and distilled water quality before
and after evaluation. Experimental results indicate an acceptable volume of distilled water through the system, yielding
an average volume of 1,63 l/m2día, with a maximum of 3 and a minimum 1,12 l/m2día, under conditions solar
irradiance semi overcast days, clear and cloudy, with an energy efficiency of 47%. Seawater having a salt concentration
of 41,6 g salt / liter, pH 7,93, and 0,008 g distilled salt / liter and pH of 7,13
Key words: Solar stills tubular, solar energy, seawater.
1. INTRODUCCIÓN
La región de Tacna se caracteriza por su aridez y déficit hídrico que cada año se acentúa y limita su desarrollo,
equivalente a 11 m3
/s, razón que motivó la presente investigación consistente en destilar el agua de mar usando la energía
solar, como una de las alternativas para coadyuvar a la solución de la problemática indicada
Actualmente, existen varias técnicas de destilación de agua como por ejemplo la Destilación Multietapa, destilación
Flash en vacío, Ósmosis Inversa y otros, la más difundida a nivel mundial es la Ósmosis Inversa (OI). Las técnicas
mencionadas requieren de gran cantidad de energía para su funcionamiento, y mano de obra calificada para su operación y
mantenimiento, además de sus altos costos de instalación y producción de agua destilada.
Por otro lado la región Tacna cuenta con uno de los mejores potenciales energéticos solares de nuestro país,
estudios realizados en el CERT indican que dicho potencial energético regional en promedio anual de la irradiancia solar
global incidente sobre una superficie horizontal es de 6,04 kWh/m2
día, equivalente a 0,51 litros de petróleo por metro
cuadrado de superficie en un día, encima del promedio mundial en un 13,46 %, indicador que la convierte en muy atractiva
para cualquier aplicación solar a pequeña y gran escala; y sobre todo debe de ser un pilar fundamental para que la región
pueda mejorar la oferta hídrica a través de la desalinización de agua de mar, usando como fuente energética la energía solar
y así diversificar su matriz energética regional.
2. FUNDAMENTO TEORICO
Radiación solar

El sol se comporta generalmente como un cuerpo negro emisor de radiación electromagnética, con una
temperatura superficial efectiva de unos 5800 ºK, lo cual significa que la distribución espectral recibida por la tierra es
amplia, tal como se muestra en la figura 1, la incidencia total sobre la atmósfera terrestre es de 1353 W/m2
, llamada
constante solar, el 95% de la cual es de longitud de onda inferior a 2 µm. Gran parte de esta radiación es devuelta por
dispersión al espacio y una gran proporción es absorbida selectivamente por diversos gases en la atmósfera, de tal modo
que después de un simple tránsito vertical a través de la capa atmosférica, alcanza la superficie terrestre
aproximadamente en valor máximo 1000 W/m2
.
Figura 1: Curva espectral de la radiación solar y del cuerpo negro
Fuente: Fernández Diez Pedro (2002)
DESTILADOR TUBULAR SOLAR (DST):
El destilador tubular solar, es un sistema cerrado que calienta el aire, agua y otras partes colocados en su
interior por absorción de la irradiancia solar incidente, es decir usa como fuente energética la energía solar (figura 2),
constituido por:
Aislante térmico del DST: Es el material utilizado para tapar los extremos del tubo de vidrio, por donde se carga el
agua de mar, y se descarga el agua de mar residual; Cubierta transparente del DST: Es la cubierta transparente del
tubo de vidrio utilizado, reciclado de los tubos rotos de las termas solares que utilizan estos elementos para el
calentamiento de agua, permite el paso de la irradiancia solar global y evita las perdidas de calor por radiación y
convección. Sus dimensiones son de 110 cm de largo, diámetro interno de 4,5 cm, espesor de 1,5 mm. Superficie
absorbente del DST: La superficie absorbente es la canaleta (cubeta) de aluminio pintada de negro, y colocada en el
interior del DST para depositar el agua de mar, de dimensiones: 1,00 m de largo, 4 cm de ancho, 2 cm de altura
Figura 2: Partes del destilador tubular solar, y sistema de funcionamiento
Fuente: Elaboración propia. (2012)

Principio de funcionamiento del DST
Transferencia de calor y masa en el DST
Las ecuaciones de balance de masa y energía para el DST se realizan en el marco de los siguientes supuestos
realizados para simplificar el análisis. El principio de funcionamiento del DST se ilustra en la figura 3. La irradiancia
solar incidente en la cubierta tubular transparente de vidrio se transmite, para luego ser absorbida por agua de mar
depositada en la canaleta de aluminio, y por la superficie de esta. En este proceso de interacción radiación
electromagnética-materia, ocurren los tres mecanismos de transferencia de calor dentro y fuera del sistema, y
transferencia de masa y energía en el interior, por ejemplo.
 Transferencia de calor por evaporación-convección desde el agua de mar depositada en canaleta hacia aire
húmedo en el interior de DST.
 Transferencia de calor por convección-condensación ocurre desde aire húmedo interno hacia la cubierta
tubular interna y la otra transferencia de calor por radiación entre el agua superficial y cubierta tubular
interna.
 Radiación - convección desde la cubierta tubular hacia la atmósfera.
 La canaleta negra de aluminio tiene una transferencia de calor por convección al estar en contacto por ambos
lados (externo e interno) con el aire húmedo y agua de mar, en el interior del DST.
 Luego de cierto tiempo el agua de mar es evaporada y transferida al aire húmedo y finalmente, condensado en
la superficie interna de la cubierta tubular, los fenómenos de intercambio de calor y masa se muestran en la
figura 2:
En la figura 3 se muestra una descripción general de transferencia de calor y masa en el DST.
Figura 3: Descripción general del proceso de transferencia de calor en el DST
Para realizar una evaluación energética integral del DST en estado estacionario, se establecen las condiciones
siguientes: la temperatura del agua de mar depositada en la canaleta negra de aluminio se considera uniforme, el nivel
del agua en la canaleta permanece constante, el vapor de agua cerca a la superficie de agua en la canaleta se satura, el
destilador solar tubular se considera isotérmico, no hay ninguna fuga térmica, el vapor del agua no absorbe energía de
la radiación infrarroja, como tampoco de la solar incidente de onda corta.
La ecuación de equilibrio de masa de agua en la canaleta se puede escribir como:
(1)
Donde

Las ecuaciones de balances de energía para el DST se expresan en las siguientes cuatro ecuaciones
descriptivas de transferencia de calor::
(2)
(3)
(4)
(5)
Donde:
Tw = Temperatura de agua de mar en la canaleta
Tha = Temperatura de aire húmedo dentro de la cubierta tubular
Aw = Superficie de agua de mar en la canaleta
Rs = Irradiancia solar incidente
Qcw = Transferencia de calor por convección de aire húmedo a la cubierta tubular
Qew = Transferencia de calor por evaporación de la superficie de agua al aire húmedo
Qrw = Transferencia de calor por radiación entre la superficie del agua y la cubierta tubular
Qtw = Transferencia de calor por convección entre la canaleta y el agua
hcw = coeficiente de transferencia de calor por convección de la superficie del agua a aire húmedo
hew = coeficiente de transferencia de masa por evaporación de la superficie del agua al aire húmedo
L = calor latente de vaporación del agua
hrw = coeficiente de transferencia de calor por radiación entre la superficie del agua y cubierta tubular
htw = coeficiente de transferencia de calor por convección entre la canaleta y el agua de mar
Con estas ecuaciones y las condiciones de funcionamiento establecidas, se obtienen como soluciones, las
ecuaciones de temperaturas, y del flujo de agua destilada.
Para calcular la eficiencia energética del DST usamos la siguiente expresión:
(6)
Donde:
mp = volumen de agua destilada en un día, m3
o kg
L = calor latente de vaporización del agua, 2300 KJ/kg
Rs = Irradiancia solar, W/m2
A = Área del destilador solar tubular, m2
3. MATERIALES E INSTRUMENTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN
EXPERIMENTAL
Materiales
Para la construcción del DST, se ha utilizado básicamente los siguientes materiales: 02 metros de madera de 1
pulg. x ½ pulg, como soporte del sistema.; 04 tubos de vidrio (tubo de vacío para termas solares) de 1,5 mm de
espesor, 1 m de longitud, y 4,5 cm de diámetro interno, pegamento de madera, tapones de jebe para aislar térmicamente
los extremos del tubo de vidrio, una canaleta (cubeta horizontal) de aluminio de 1mm de espesor, pintada de negro
colocada en el interior del tubo de vidrio, con un volumen 8x10-4
m3
(1mx 0,02mx0,04m), área de superficie expuesta a

la irradiancia solar incidente de 4x10-2
m2
, agua de mar, herramientas de carpintería, herramientas de mecánica, y
material auxiliar. El DST debe ser instalado casi horizontalmente con una pendiente muy pequeña que permita que el
agua condensada discurra por gravedad y con facilidad al depósito de agua destilada ubicado en la parte final del tubo,
figura 4.
Figura 4: Vista general de la instalación y evaluación del DST
Fuente: Elaboración propia (2012)
Instrumentos
Para la caracterización del DST se ha utilizado los siguientes instrumentos:
 01 Piranómetro solar, marca Moll – Gorczynsky de la Kipp & Zonen, de sensibilidad espectral
comprendido 0,3 y 3 mm, con un tiempo de respuesta de 5 segundos y una constante de calibración de
10,35 x 10-3
mV /Wm2
.
 08 termócuplas de Cromel–Alumen, como sensores de temperatura, ubicadas en diferentes partes del
destilador solar.
 01 higrómetro digital marca Vaisala HM 34.
 01 sistema de adquisición de datos marca squirrel SQ 1200 series.
 01 una estación meteorológica marca HOBO Weather Sttation H21- 001.
 01 cronómetro digital.
 Una probeta de vidrio graduada en mililitros
4. DATOS EXPERIMENTALES, RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Diseño experimental del DST.
El arreglo experimental para el funcionamiento y evaluación del DST, se muestra en la figura 3, donde se
muestran los equipos e instrumentos instalados para medir las variables físicas propias de los procesos físicos
involucrados, a efectos de caracterizarlos y evaluar el funcionamiento global del sistema, sobre todo el rendimiento del
volumen de agua destilada.; resumido en el diagrama esquemático figurativo de la figura 5.

Figura 5: Vista del diagrama de evaluación del sistema.
Caracterización térmica del DST
Las mediciones para la evaluación correspondiente, se realizaron en horario de 9:00 h a 17:00 h, durante 90
días, bajo las condiciones meteorológicas de la ciudad de Tacna, y características del DST, durante los meses de mayo a
julio del 2013, que son los meses más bajos de irradiancia solar global en ciudad de Tacna. Para la caracterización
indicada se han registrado en forma automática y diaria datos horarios de la temperatura y humedad relativa
ambientales, temperatura del cobertor de vidrio de la superficie externa, temperatura de la bandeja metálica porta agua
de mar, temperatura del agua de mar contenida en la cubeta, y la del aire húmedo en el interior del DST.
En la figura 5, se muestra el comportamiento de las temperaturas registradas en el DST, en la cual podemos
observar que el aire húmedo en el interior del sistema alcanza la más alta temperatura, por encima de los 60 ºC;
mientras que el agua de mar contenida en la cubeta alcanza un valor máximo de aproximadamente 50 °C; la temperatura
máxima de la cubeta metálica es del orden 45 °C; mientras que la parta más fría del sistema es la superficie interna del
tubo de vidrio, alcanzando valores máximos del orden de los 30 °C, estas diferencias de temperaturas entre las partes
internas del DST facilitan la evaporación y condensación del vapor agua de mar, que finalmente resulta ser el agua
destilada. El comportamiento diario del perfil térmico de las temperaturas indicadas son similares entre las partes
indicadas, tal como se visualiza en la figura 6, al comienzo del día se incrementan conforme la irradiancia solar global
se incrementa, alcanzando valores máximos entre las 12 y 13 horas, para luego descender en el transcurso de la tarde.
En la figura 7 se muestra las curvas de variación diaria de humedad relativa interna del DST, observándose que
la humedad relativa en el interior del DST alcanza valores máximos del 95 %, no alcanzando el punto de saturación, es
decir al 100%; valores muy superiores a los de humedad relativa ambiental.
Figura 6: Perfil del comportamiento térmico de las diferentes partes interiores del DST
Fuente: Elaboración propia (2012).

Figura 7: Variación diaria de humedad relativa del aire en el interior del DST.
En la figura 8, muestra el comportamiento diario de la temperatura ambiente, la cual alcanza su valor máximo
alrededor de 18 °C entre las 13 y 14 horas.
Figura 8: Variación de la temperatura ambiente en función de horas del día.
En la figura 9, se muestra la variación de la irradiancia solar global sobre superficie horizontal en función de
las horas del día, incidente sobre el sistema durante el proceso de avaluación de los parámetros indicados, observamos
que alcanza valores máximos de por encima de los 700 W/m2
.

Figura 9: Irradiancia solar global incidente sobre el DST, en función del tiempo.
Volumen de agua destilada:
El proceso de destilación del volumen de agua de mar es en forma continua durante el día, en tanto que los días
se presenten soleados y semi nublados. En la figura 10 se muestra la cantidad de agua destilada en un día soleado,
equivalente a 120 ml, obtenida durante las 9:00 h a 18:00 h.
Figura 10: Volumen de agua destilada acumulada en función de las horas del día.
Fuente: Elaboración propia (2012)
En la figura 11 se muestra el volumen de agua destilada por hora, conforme la irradiación solar global
incidente sobre el DST aumenta, el volumen de agua por cada hora destilada también aumenta, alcanzando valores
máximos alrededor de las 12 a 13 horas, para luego disminuir en las horas consiguientes.
En la figura 12, se muestra el volumen acumulado diario de agua de mar destilada en función de las horas del
día, para tres escenarios diferentes de irradiancia solar incidente sobre el DST: escenario 3: día soleado, escenario 2:
día semi nublado, y escenario 1: día totalmente nublado, comprendidos en el periodo de evaluación de los meses de
mayo a julio; puede deducirse, que aún en días completamente nublados el volumen de agua destilada es de 8
ml/día, para los días semi nublados de 64 ml/día, mejorando en un 800 %; y para días completamente soleados 118
ml/día, correspondiente a un 184 % respecto de los días semi nublados, y en 1475 % respecto al escenario 1,
recordando que los meses de evaluación corresponden a los meses de menor irradiancia solar global incidente sobre
una superficie horizontal en la ciudad de Tacna.

Figura 11: Volumen de agua destilada en función de las horas del día, por el DST
Figura 12: Análisis comparativo del volumen de agua destilada en función de las horas de día para tres escenarios
de irradiancia solar global incidente sobre el DST
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
 El destilador solar tubular diseñado, construido y evaluado muestra un desempeño favorable en el proceso
experimental para destilar agua de mar.
 Se ha determinado la producción de volumen de agua destilada, obteniéndose una producción acumulada máxima
de 120 ml/día ( 3 litros/m2
día) para el mes de mayo, con una irradiancia solar global diaria promedio de 423,8
W/m2
(días soleados); una producción mínima de 45 ml/día (1,12 litros/m2
día) para el mes de agosto, con una
irradiancia solar global diaria promedio de 102 W/m2
(días nublados); y una producción media de 63 ml/día (1,63
litros/m2
día) para el mes de junio, con una irradiancia solar global promedio de 305 W/m2
(días semi nublados)
 El rendimiento del volumen de agua destilada depende de las condiciones meteorológicas del lugar elegido,
especialmente de la irradiancia solar global, temperatura y humedad relativa ambiente.; esto nos indica que el
volumen de agua destilada por día en los meses de setiembre a abril, debe ser mucho mayor considerando que en
dicho periodo la irradiancia solar global en la región Tacna alcanza valores superiores a los 7,5 kWh/m2
día, con
mayor número de horas de sol por día.

 La concentración de los gramos de sal contenida en cada litro de agua (g sal/l) con el proceso de destilación del
DST se bajó de un valor inicial de 41,6 g.sal/l del agua de mar a 0,003 g.sal/l del agua dulce destilada.
 El contenido de iones hidrogeno en el agua, conocido como pH, nos indica que el agua de mar tiene un valor de
7,93 y la del agua dulce destilada de 7,13; valor muy aceptable para cualquier uso humano.
 El valor de la concentración final de sal en el agua destilada nos indica que esta puede ser usada para el consumo
poblacional, industrial y agropecuario.
Recomendaciones
 Para posteriores investigaciones se recomienda que se evalúe el DST en los periodos de primavera–verano.
 Para futuros diseños se recomienda que el agujero de salida del agua destilada se ubique en el punto medio de la
longitud del tubo.
 Sobre la base de estos resultados, es conveniente que se evalué otros tipos de destiladores a efectos de comparar su
eficiencia, y el volumen de agua destilada por cada metro cuadrado de colector en un día.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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