Desarrollo de un Prototipo de Desalinizador Solar de Agua...

Casa Alemana Casa Alemana –– La innovaciLa innovacióón Energn Energéética. Caracas tica. Caracas 02 02 –– 16 Febrero16 Febrero 20112011, C, Cáámara de Comercio e mara de Comercio e

Industria Venezolano Industria Venezolano -- AlemanaAlemana

Desarrollo de un Prototipo de Desalinizador Solar Desarrollo de un Prototipo de Desalinizador Solar de Agua de Mar mediante Humidificacide Agua de Mar mediante Humidificacióón de Aire n de Aire

de Bajo Costo para Comunidades Remotasde Bajo Costo para Comunidades Remotas

Ing. Raúl González Acuña

Instituto de Energía de la Universidad Simón Bolívar

[email protected]

Instituto de Energía de la Universidad Simón Bolívar (INDENE)R.González Acuña. [email protected]

Background taken from: Florida Solar EnergyResearch and Education Foundation

Contenido

Realidad Ambiental: Cambio Climático1

2

3 Desalinización con Fuentes Renovables

4 Retos Constructivos: Desalinizador Solar MEH

5 Caracterización Colector Solar

Recursos Hídricos en Venezuela



Page 3

El Instituto de Energía fue creado en 1981 mediante la integración del Instituto de Energía Eléctrica y el Instituto de Petróleo, los cuales existían desde 1973.

El objetivo principal es la de enlazar los recursos humanos y físicos de la Universidad Simón Bolívar con el desarrollo del país, por medio de la realización de proyectos de investigación, asesorías y capacitación de recurso humano.

Instituto de Energía - USB



Emisiones por:Emisiones por:

-- Tipo de CombustibleTipo de Combustible -- RegiRegióónn

Fuente: IEA Key Energy Statistics, 2008

Realidad Ambiental: Emisiones GEI



Realidad Ambiental: Recurso Solar

Fuente: Peuser et al., Sistemas Solares Térmicos, 2004

EnergEnergíía Solar a Solar Anual Anual Comparada con Comparada con las principales las principales Fuentes Fuentes Primarias de Primarias de EnergEnergíía y a y Demanda Demanda Mundial Mundial EstimadaEstimada



150 0.045±0.012100 0.074±0.01850 0.128±0.02625 0.177±0.052

Period Rate

Years °/decade

Fuente: L.. J. Mata, Presentación del día del ambiente, USB, 5 de junio 2008

1998,2005,2003,2002,2004,2006, 2001,1997,1995,1999,1990,2000

Realidad Ambiental: Calent. Global



Las Precipitaciones estLas Precipitaciones estáán cambiando Significativamente n cambiando Significativamente en algunas Regionesen algunas Regiones

Anomalías anuales para la precipitación (en %)


Realidad Ambiental: Precipitaciones



Fuente: http://www.vitalis.net/DiaMundi alAgua2007.htm (modificada)

Realidad Ambiental: Dispon. de Agua

¿¿El Agua es El Agua es un Recurso un Recurso Renovable?Renovable?

http://www.vitalis.net/DiaMundialAgua2007.htm

http://www.vitalis.net/DiaMundialAgua2007.htm



¿¿CuCuáántos Planetas necesitamos para Vivir con ntos Planetas necesitamos para Vivir con nuestro estilo de Vida?nuestro estilo de Vida?

Realidad Ambiental: IDH

Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/File: Human_welfare_and_ecologic

al_footprint.jpg



Resultados de las SimulacionesResultados de las Simulaciones

20302000

0

20

40

60

80

A1FI A2 A1T B2A1B B1

Gases fluorados

CO2

NO2Metano

Emisiones totales de GEIsGtCO2 -eq/a Las emisiones de GEIs se incrementarán entre

25 y 90% en el año 2030,

Fuente: E. Calvo, Presentación del día del ambiente, USB, 5 de junio 2008

Cambio Climático: Proyecciones PICC



2000 CO2 constante

Source IPCC, 2007

1.8

Valores relativos a 1980- 1999

Rango 1.8 (B1) a 4.0 (A1FI)

4.0

Fuente: L.. J. Mata, Presentación del día del ambiente, USB, 5 de

junio 2008


Resultados de Resultados de las las Simulaciones: Simulaciones: TemperaturaTemperatura



EscenariosEscenarios

Fuente: http://www.lenntech.com/greenhouse-effect/ipcc- scenarios.htm#ixzz0RfAEr7Od

Fuente: http://ncsp.va- network.org/UserFiles/.../Arnell_2004_waterresources.pdf

-A1: Un crecimiento económico muy rápido con incremento en globalización, incremento en riqueza general, con convergencia entre las regiones y reducción en las diferencias de ingresos per-cápita regionales. Los valores de consumo materialista son predominantes con un rápido cambio tecnológico.De acuerdo a la fuente de este crecimiento:

A1FI: Uso Intensivo de comb. fósilA1T: No uso de comb. fósilA1B: Balance entre todas las fuentes

- B1: Mismo crecimiento de población que A1, pero el desarrollo toma un camino mucho más sustentable con una cooperación y regulación a escala global. Tecnologías limpias y eficientes son introducidas. EL énfasis es en la solución global para alcanzar sustentabilidad económica, social y ambiental.


http://www.lenntech.com/greenhouse-effect/ipcc-scenarios.htm#ixzz0RfAEr7Od


http://ncsp.va-network.org/UserFiles/.../Arnell_2004_waterresources.pdf




Fuente: http://www.lenntech.com/greenhouse-effect/ipcc- scenarios.htm#ixzz0RfAEr7OdFuente: http://ncsp.va-

network.org/UserFiles/.../Arnell_2004_waterresources.pdf

- A2: Un mundo heterogéneo con una economía de mercado, con menos crecimiento económico que A1, pero mayor crecimiento poblacional debido a la menor convergencia en tasas de fertilidad. El trasfondo es el mantenimiento y preservación de las identidades locales. El crecimiento económico está orientado regionalmente y por tanto, el crecimiento de ingreso y cambio tecnológico es regionalmente diverso.

- B2: La población crece a una tasa menor que A2 pero a una tasa mayor que en A1 y B1, con desarrollo siguiendo caminos de sustentabilidad ambiental, económico y social.

EscenariosEscenarios








Probabilidad de 1 en 20 aProbabilidad de 1 en 20 añños de Veranos Secosos de Veranos Secos

Fuente: L.. J. Mata, Presentación del día del ambiente, USB, 5 de junio 2008Weisheimer & Palmer, 2005




Probabilidad de 1 en 20 aProbabilidad de 1 en 20 añños de Veranos Lluviososos de Veranos Lluviosos


Weisheimer & Palmer, 2005




MillonesMillones de personas de personas afectadasafectadas porpor escasezescasez (a) en el 2050(a) en el 2050

Arnell, 2004Arnell, 2004 Alcamo et al., Alcamo et al., 20072007

Population Baseline Population Baseline (1995)(1995) 1,368 1,601

2050: A2 emission 2050: A2 emission scenario scenario

5,050 (4,351 to 5,747)

6,676 (6,432 to 6,920)

2050: B2 emission 2050: B2 emission scenario scenario

3,362 (2,766 to 3,958)

5,037 (4,909 to 5,166)

(a) For this case it is defined as per capita water resources of less than 1000 m3/year

Fuente: L.. J. Mata, Presentación del día del

ambiente, USB, 5 de junio 2008

NNúúmero de Personas Afectadas por Escasez de mero de Personas Afectadas por Escasez de Agua en el 2050Agua en el 2050




Page 17Page 17

Calentamiento Global

El Mundo

Este escenario requiere que se aumenten los esfuerzos en la investigación de sistemas que permitan satisfacer las necesidades de las poblaciones aisladas

Disminución disponibilidad

de Agua

Aumento del número de

plantas convencionales

Impacto Ambiental

Aumento de Vulnerabilidad de países enteros, especialmente

poblaciones aisladas

Respuesta Mundial ante las Proyecciones



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Fuente: GoogleEarth

Realidad de los Recursos Hídricos de Venezuela

Venezuela, a pesar de estar localizada en la región amazónica, tiene serios problemas de agua, especialmente en las zonas costeras e insulares, donde la distribución es problemática dada la escasez del recurso. En estas áreas, la irradiación solar y la velocidad de viento son bastante elevadas, por lo que se pueden emplear para suplir agua dulce y energía.




Entidad FederalEntidad Federal PoblaciPoblacióónnAnzoátegui 796.519

Aragua 33.094

Carabobo 166.467

Delta Amacuro 58.070

Falcón 761.246

Miranda 107.335

Monagas 15.722

Nueva Esparta 456.454

Sucre 805.001

Trujillo 16.123

Vargas 296.461

Yaracuy 11.223

Zulia 3.128.184

TotalTotal 6.651.8996.651.899


Población Residente en Parroquias con Acceso a la Costa en Venezuela para el año 2010

Fuente: Proyección INE

2010



Isométrico de la Planta desalinizadora por Ósmosis Inversa.

Fuente: Sergio Brett, 2010

Tecnologías para Desalinizar

La desalinización de agua de mar es un proceso que consume grandes cantidades de energía, normalmente fósil. Entre los principios más utilizados se encuentran: Ósmosis Inversa y Evaporación Multi- flash. Si la demanda es remota, con dificultad de acceso, se puede emplear un principio que requiere menores requerimientos técnicos como el llamado Humidificación Multi - Efecto (MEH)



ParParáámetrometro ÓÓsmosis Inversasmosis Inversa DesalinizaciDesalinizacióón Solar MEHn Solar MEH

ProducciProduccióón de Destilado n de Destilado para mismo tamapara mismo tamañño de o de

instalaciinstalacióónnAlta producción Baja producción

Consumo de EnergConsumo de Energííaa

Alto consumo de energía para llegar a una presión superior a la presión osmótica del agua de mar. Puede reducirse los requerimientos energéticos

externos colocando una turbina en la descarga del agua rechazada

No consume prácticamente energía ya que los movimientos de los fluidos se

pueden realizar por termosifón e hidrostáticamente en los ciclos de aire y

agua, respectivamente

CapacitaciCapacitacióón de la mano n de la mano de obra para operacide obra para operacióón y n y

mantenimientomantenimiento

Requiere de mano de obra calificada que opere el complejo sistema de control que poseen estas

instalaciones y que pueda realizar mantenimiento periódico a la bomba de alta presión y las

membranas semipermeables

No requiere de mano de obra calificada ya que la operación prácticamente no

requiere de partes móviles y el mantenimiento consiste en simple

limpieza

Flexibilidad en la Flexibilidad en la operacioperacióónn

Bajo. Las membranas fuera de las condiciones normales de operación disminuyen su vida útil

aceleradamenteAlto

DisposiciDisposicióón de salmueran de salmueraSe debe poseer un sistema de disposición final de

salmuera en el que se diluya ésta para poder verterla al mar nuevamente

La salmuera no cambia su concentración prácticamente

Tecnologías: Comparación



Proyecto LOCTI, año 2007, desarrollado para solucionar los problemas de comunidades aisladas, empezando con las comunidades de pescadores que trabajan cerca del cayo Dos Mosquises en el Parque Nacional De los Roques.

Cayo Dos Mosquises. Fuente: R. González Acuña

Desalinizador Solar MEH



Objetivo General

• Bajos costos iniciales y de mantenimiento.

• Fácil Transporte.

• Replicabilidad.

• Bajo consumo energético.

• La utilización de la mayor cantidad de componentes nacionales posibles.


Construir un prototipo que pudiera destilar 25 litros (6,6 galones) de agua potable al día.

Consideraciones de Diseño

Atardecer en el Cayo Dos Mosquises. Fuente: R. González Acuña



Fases del Proyecto de Desalinizador Solar

1

Diseño conceptual y Análisis de Sensibilidad

2 3

Construcción, instalación y Pruebas de desempeño

Pruebas de calidad de

líquido




Configuraciones Disponibles


Ciclo Abierto agua/Cerrado Aire

Ciclo Cerrado agua/Abierto Aire

Esquema de funcionamient

o de la Unidad. Fuente: (Izq)

Farid et al. (2002), (Der) Parekh et al.

(2004)



Selección de la ConfiguraciónDe acuerdo a las consideraciones de diseño, y tomando en cuenta lo establecido por Parekh et al. (2004), la configuración del prototipo se decidió que fuese de una etapa, con circuito abierto de agua y cerrado de aire, y circulación por presión hidrostática y termosifón para las corrientes de líquido y aire, respectivamente.

Esquema de funcionamiento de la Unidad. Fuente: R. González Acuña

OperaciOperacióón de la Unidadn de la Unidad




Indicadores más Importantes en este tipo de Tecnologías

• Producción Específica: Destilado por área de captación del colector solar

• Relación de Ganancia de Salida (GOR): Relación entre la energía consumida en la producción de condensado y la energía de entrada al sistema.

col

colcond

qqq

GOR+

=


Esquema de funcionamiento de la Unidad. Fuente: R. González Acuña



Retos Constructivos

Actividades más Importantes Realizadas1. Desarrollo de modelos matemáticos que simulen el comportamiento del sistema en la condición de diseño, para el posterior dimensionamiento de la unidad

2. Diseño computarizado 3D de la unidad desalinizadora, selección de materiales y calibres, con su respectivo análisis numérico de resistencia de materiales

3. Procura e inicio de construcción de los componentes de cobre del condensador y colector solar

4. Prueba de estanqueidad y resistencia hidrostática de los ductos de cobre elaborados

5. Construcción de las carcasas de los equipos, ductos de aire y soportes estructurales

6. Traslado al lugar de prueba, realización de obras civiles e instalación de la unidad desalinizadora

7. Diseño y construcción de un banco de prueba para la caracterización del colector solar construido

Fuente: R. González Acuña



Retos Constructivos

Construcción de Carcasas

Carcasa Interna

Colector

Carcasa Interna

Condensador

Carcasa Interna

Humidificador

Ducto recolección Destilado y Salmuera




Retos Constructivos

Construcción de Soportes

Base Desalinizador

Base Colector

Solar

Recubrimiento con Cromato

de Zinc

Acabado Final

Aluminizado




Retos Constructivos

Pruebas de Estanqueidad




Retos Constructivos

Pintura, Aislante y Ensamblaje Colector Solar

Pintura con esmalte

Resistente altas Temps

Prueba Ensamblaje 1: Absorbedor –

Carcasa Interna

Pre-ensamblaje del absorbedor, Pintura Negra

Mate

Prueba Ensamblaje 2: Absorbedor, aislantes (PE

alta densidad) y carcasas




Retos Constructivos

Pintura, Aislante y Ensamblaje Colector Solar

Instalación en Bases a la inclinación deseada

Ensamblaje Final: Colocación

cubierta transparente

Ensamblaje previo ya en

sitio de prueba




Retos Constructivos

Pruebas de Ensamblaje otros Componentes




Producto Final:Publicaciones más Destacadas:

• “Design Algorithm of a Multi – Effect Humidification – Dehumidification solar Distillation System” , ASME-IMECE 2009, EEUU.

• “Desafíos en el Diseño de Sistemas Desalinizadores Potenciados con Fuentes Renovables para Comunidades Aisladas de Venezuela”, Cartel, IV Simposio de Ambiente y Desarrollo, UCV 2009, Venezuela.

Premios al Mejor tratamiento temático y Diseño Gráfico

Izquierda: Prueba de ensamblaje en el Lab. E USB. Derecha: Render de la

unidad desalinizadora. Fuente: R. González Acuña

Retos Constructivos




Investigaciones Apalancadas en este Proyecto

Optimización Exergética de un Colector Solar de Placa Plana Diseñado y Construido para Procesos de Desalinización (Tesis de Maestría)

Objetivo General:

Establecer el punto de operación exergético óptimo del colector solar de placa plana tipo sándwich empleado en procesos de desalinización solar multi - efecto de una etapa

Colector Solar tipo Sandwich Construido. Fuente: R. González Acuña



Esquema según Norma ANSI-ASHRAE 93-2003

Page 37

Caracterización Colector Solar




Inclinación Variable: dependiendo de la fecha en que se mide


@ 10,5° Inclinación @ 30° Inclinación

Colector Solar tipo Sandwich Construido en el banco de pruebas. Fuente: R. González

Acuña




Parámetros a Obtener en la Caracterización

Curva de Eficiencia Térmica

Curva del Modificador de Ángulo de Incidencia

Const. de Tiempo

Tiempo en llegar al 36% de la tempertura original

Fuente: Norma ANSI- ASHRAE 93-2003



Page 40

Referencias

• Norma ANSI-ASHRAE 93-2003 (2003), “Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors”, ASHRAE, ISSN 1041-2336

• Farid, M.M. Parekh, S. Selman J.R. and Al – Hallaj, S. “Solar desalination with a humidification – dehumidification cycle: mathematical modeling of the unit”, Desalination 151 (2002) 153-164.

• Parekh, S. Farid, M.M. Selman, J.R. and Al-Hallaj, S., 2004, “Solar desalination with a humidification – dehumidification technique – a comprehensive technical review”, Desalination 160, pp. 167 – 186.

• Peuser, F. Remmers, K. Schnauss, M. (2004), “Sistemas Solares Térmicos: Diseño e Instalación”. SolarPraxis.



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