Elaboracion de Filtros Cilindricos de Barbotina Para La Potabilizacion Del Agua
PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION DE AGUA ...
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IM-2004-II-14 Página 0 PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION DE AGUA UTILIZANDO DESTILACIÓN Y COMPRESIÓN. Por Carlos Andrés Contreras Acevedo Tesis presentada a La Universidad de los Andes Como requisito parcial de grado Programa de Pregrado En Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia, 2004
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PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION DE AGUA UTILIZANDO DESTILACIÓN Y COMPRESIÓN.
Por
Carlos Andrés Contreras Acevedo
Tesis presentada a
La Universidad de los Andes
Como requisito parcial de grado
Programa de Pregrado
En Ingeniería Mecánica
Bogotá, Colombia, 2004
IM-2004-II-14
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©(Carlos Contreras), 2004
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Declaro que soy el único autor de la presente tesis
Autorizo a la Universidad de los Andes para que esta tesis sea prestada a otras
instituciones o personas para propósitos de investigación solamente.
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También autorizo a la Universidad de los Andes para que este documento sea
fotocopiado en su totalidad o en parte por otras instituciones o personas con fines de
investigación solamente.
Firma
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Página del lector
La Universidad de los Andes requiere la firma de todas las personas que utilicen o
fotocopien esta tesis. Favor firmar debajo dando nombre y dirección.
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Carta de Presentación
Bogotá, Enero 28 de 2005
Doctor
ALVARO PINILLA
Director
Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
Estimado doctor Pinilla
Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado
titulado: “Prototipo de un sistema de potabilización de agua utilizando destilación y
compresión” como requisito parcial de grado del programa de Pregrado en Ingeniería
Mecánica.
Agradezco su amable atención.
Atentamente,
Carlos Andrés Contreras Acevedo.
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Agradecimientos
Quiero agradecer a mis padres el constante apoyo recibido y los esfuerzos realizados para ayudarme a culminar esta importante etapa de mi vida, así como la permanente asesoría que me brindaron para el desarrollo de este proyecto de grado. A mi asesor Rafael Beltrán, por su orientación. Al ingeniero Mauricio Boada. Al ingeniero Goeffrei Halliday. A mi familia por su constante apoyo.
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Resumen El presente proyecto de grado consiste en mejorar el funcionamiento de un prototipo de
un sistema potabilizador de agua, que utiliza destilación por compresión de vapor, con
el fin de hacer ajustes y sugerencias para mejorarlo técnica, funcional y
económicamente.
Para el desarrollo del trabajo se realizaron las siguientes etapas:
• Fundamentación teórica y práctica del modelo matemático que soporta el
funcionamiento del prototipo
• Verificación del estado mecánico y del funcionamiento del prototipo existente (toma
de datos).
• Análisis de los resultados obtenidos para presentar los cambios propuestos.
• Diseño de la solución para mejorar el funcionamiento del prototipo inicial.
• Modificaciones físicas a partes del prototipo, para mejorar su funcionamiento.
• Construcción del intercambiador de calor para disminuir la demanda de energía.
• Realización de pruebas del funcionamiento del intercambiador de calor (toma de
datos).
• Análisis de os datos arrojados de las pruebas del intercambiador de calor.
• Ajuste del modelo matemático inicial del prototipo, de acuerdo con su
funcionamiento
• Selección del equipo eólico necesario para accionar el prototipo.
• Diseño del acoplamiento al prototipo de el equipo eólico.
El producto del desarrollo de las etapas anteriores se presentará en el presente
documento de la siguiente manera:
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En el capítulo 1 se ilustra al lector sobre algunos procesos de tratamientos de agua,
entre ellos: el de destilación por compresión de vapor, que atañe a este proyecto.
En el capítulo 2 se hace la descripción del funcionamiento del prototipo, y de cada una
de sus partes (Prototipo construido por Mauricio Boada, ingeniero mecánico de la
Universidad de los Andes).
En el capítulo 3 se presenta el análisis, diseño de tres intercambiadores de calor;
adicionalmente, la construcción y pruebas del diseño seleccionado, que se adiciona al
prototipo inicial.
En el capítulo 4 describe el modelo matemático inicial con los ajustes requeridos para
obtener mayor aproximación al comportamiento real del prototipo. También se
muestran las modificaciones físicas al prototipo, y por ultimo se muestra la toma de
datos y las mejoras después de los cambios realizados.
En el capítulo 5 se presentan 2 modelos de accionamiento del sistema por medio de
energía eólica, que pueden ser construidos para mejorar el prototipo y utilizar energías
renovables.
El capítulo 6 contiene los planos del prototipo y el procedimiento de ensamble.
Finalmente, el capítulo 7 presenta las observaciones y recomendaciones para mejorar
el prototipo, y el diseño de partes adicionales que se requieren para el ensamble y
finaliza con algunas conclusiones del proyecto.
.
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TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE GRÁFICOS. ..................................................................................................................10 CAPÍTULO 1: PROCESOS DE PURIFICACION DE AGUA.............................................................11
1.1 Carbón Activado (Adsorción)...................................................................................................12 1.2 Soluciones de Filtración...........................................................................................................13 1.3 Desinfección por Ultravioleta...................................................................................................14 1.4 Osmosis Inversa. .....................................................................................................................15 1.5 Compresión de Vapor. .............................................................................................................18
CAPÍTULO 2: FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO...................................................................22 2.1 Prototipo Inicial.......................................................................................................................22 2.2 Compresor. .............................................................................................................................23 2.3 Bomba....................................................................................................................................25
Relación Volumétrica: ...............................................................................................................26 2.4 Tanque Evaporador..................................................................................................................29 2.5 Tanque Condensador. ..............................................................................................................33 2.6 Mecanismo. ............................................................................................................................34 2.7 Rediseño del soporte del sistema...............................................................................................37
CAPÍTULO 3: INTERCAMBIADORES DE CALOR: .......................................................................39 Propuesta Intercambiador a Contraflujo de tres tubos concéntricos...................................................41 3.2 Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza. .............................................................................47 3.3 Intercambiador a Contraflujo de Dos Tubos Concéntricos. .........................................................51 3.4 Selección del intercambiador final. ...........................................................................................53 3.5 Construcción del intercambiador...............................................................................................53 3.6 Pruebas del intercambiador construido. .....................................................................................54 3.7 Análisis de resultados. .............................................................................................................56
CAPÍTULO 4: DESCRIPCION Y AJUSTES AL MODELO MATEMATICO.....................................58 4.1 Válvula de Expansión. .............................................................................................................58 4.2 Tanque Condensador. ..............................................................................................................59 4.3 Volumen de Control Malla Evaporativa. ...................................................................................62 4.4 Cálculo de las presiones parciales (Ajuste al modelo matemático inicial).....................................63 4.5 Compresor. .............................................................................................................................66 4.6 Bomba de Recirculación. .........................................................................................................66
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4.7 Tanque condensador................................................................................................................67 4.8 Análisis General del Sistema....................................................................................................67 4.9 Comportamiento real del prototipo............................................................................................69
4.9.1 Modificación tapa del compresor........................................................................................69 4.9.2 Aislamiento térmico del compresor ....................................................................................72 4.9.3 Motor definitivo................................................................................................................73
4.10 Diseño del banco para la toma de datos. ..................................................................................74 4.11 Toma de datos. ......................................................................................................................74 4.12 Datos teóricos y prácticos.......................................................................................................76
4.12.1 Datos teóricos:................................................................................................................76 4.12.2 Datos prácticos:...............................................................................................................79
4.13 Análisis de Datos...................................................................................................................80 4.14 Eficiencias Termodinámicas...................................................................................................81 4.15 Cuantificación de la fricción del prototipo...............................................................................82
CAPÍTULO 5: ACCIONAMIENTO CON ENERGÍA EÓLICA..........................................................84 5.1 El recurso Eólico.....................................................................................................................86 5.2 Uso de energía eólica para mover directamente el prototipo........................................................88
5.2.1 Acople del molino con el prototipo.....................................................................................90 5.3 Uso de la energía eólica para generar energía eléctrica y accionar el prototipo. ............................91
5.3.1 Acople del generador con el prototipo. ...............................................................................92 CAPÍTULO 6: PLANOS Y MANUAL DE ENSAMBLE....................................................................93
6.1 Procedimiento de Ensamble. ....................................................................................................93 6.2 Planos del Prototipo.................................................................................................................93
Los planos del prototipo se presentan en el anexo C............................................................................93 CAPUTILO 7: DISEÑO, RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES. ............................................94
7.1 Diseño de válvula para desechos del evaporador........................................................................94 7.2 Diseño del eje para facilitar ensamble. ......................................................................................96
7.3.1 Número de serpentines en el condensador...........................................................................97 7.3.2 Uso de calentador solar......................................................................................................97
7.4 Conclusiones...........................................................................................................................98 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................100 ANEXOS.......................................................................................................................................101
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TABLA DE GRÁFICOS. 1–1 Espectro de frecuencias. …………………………………………………………..Pg. 15.
1-2 osmosis inversa. …………………………………………………………………….Pg. 18.
2 -1 Diagrama del sistema. ……………………………………………………………..Pg. 24.
2-2 Foto del compresor. ………………………………………………………………...Pg. 24.
2-3 Foto de la bomba. …………………………………………………………………..Pg. 26.
2-4 malla evaporatíva. …………………………………………………………………..Pg. 31.
2-5 Modelo del tanque evaporador. …………………………………………………...Pg .32.
2-6 Tapa del tanque evaporador. ……………………………………………………...Pg. 33.
2-7 Tanque condensador. ……………………………………………………………….Pg.
34.
2-8 vista interna del tanque condensador. ……………………………………………Pg. 35.
2-9 Foto mecanismo cuatro barras. …………………………………………………...Pg. 36.
2-10 Máquina completa …………………………………………………………………Pg. 37.
3-1Intercambiador de calor tres tubos concéntricos …………………………………Pg. 41.
3-2 Intercambiador de tubos y coraza de 10 tubos ………………………………….Pg. 50.
3-3 Rueda separadora de los tubos del intercambiador …………………………….Pg. 54.
4 -1 Comportamiento de la presión de vapor a altas temperaturas ………………..Pg. 64.
4–2 Diagrama funcionamiento prototipo. ……………………………………………..Pg. 68.
4–3 Forma inicial de la tapa del compresor. ………………………………………….Pg. 70.
4–4 Forma final de la tapa del compresor. ……………………………………………Pg. 70.
4–5 Esquema de funcionamiento de un empaque. ………………………………….Pg. 71.
4–6 Aislamiento del compresor. …..…………………………………………………..Pg. 72.
4–7 Molde para aislamiento del compresor. ………………………………………….Pg. 72.
4–8 Acoplamiento del nuevo motor al prototipo. ……………………………………..Pg. 73.
4–9 bomba utilizada en la toma de datos. ……………………………………………Pg. 75.
5–1 Rotor Whisper 175. ………………………………………………………………...Pg. 91.
7–1 Válvula de desechos. ………………………………………………………………Pg. 96.
7–2 Eje modificado. ……………………………………………………………………..Pg. 97.
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CAPÍTULO 1: PROCESOS DE PURIFICACION DE AGUA.
La humanidad requiere contar con instrumentos que permitan transformar el agua de
los diferentes estados en que se encuentra en la naturaleza, para convertirla en ese
precioso líquido necesario para la vida, que es el agua potable.
En los diferentes estudios acerca de tratamientos de agua se han obtenido múltiples
soluciones. En este capítulo se muestra algunas de las soluciones más frecuentemente
empleadas. Igualmente, se exponen avances sobre la potabilización por compresión de
vapor, que es el método sobre el cual se basa este proyecto de grado.
El planeta tierra posee tres cuartas partes de agua distribuida de la siguiente manera:
• Océanos y mares 97.29%
• Capas de hielo y glaciares 2.09%
• Almacenada bajo tierra 0.61%
• Lagos y ríos 0.01%
• Atmósfera 0.01%
La cantidad de agua potable en el mundo es finita y la contaminación se acelera con el
crecimiento de la población, la agricultura y la industria. Los nacimientos de agua son
agotados y contaminados rápidamente debido a la negligencia y a la ignorancia de la
gente, lo que causa que el agua se vuelva un foco de enfermedades y muerte para la
humanidad.
El crecimiento de la polución de nuestros ríos constituye el riesgo más grande para la
salud pública. Hoy solo un quinto de la población mundial tiene acceso a beber agua en
buenas condiciones. En los países desarrollados, la mayoría de las ciudades
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descargan entre el 80% y 90% de desechos directamente a los ríos sin un previo
tratamiento. Estos desechos sin tratamiento permiten el desarrollo de peligrosos
microorganismos que a su vez crean un ambiente propicio para su reproducción.
Las necesidades son grandes en los países desarrollados:
• Un billón de personas no tiene acceso a agua potable.
• 2.9 billones de personas no tienen adecuadas facilidades sanitarias.
A continuación se presentan algunos sistemas sobre potabilización de agua.
1.1 Carbón Activado (Adsorción).
La adsorción es un proceso por el cual moléculas de impurezas se adhieren a la
superficie del carbón activado. La adherencia es producida por una atracción electro-
química. El carbón activado es preparado a partir de diversos materiales, tales como,
carbón, madera, cáscaras de nueces, turba y petróleo. El carbón se transforma en
"activado" cuando es calentado a altas temperaturas (800 a 100C°) sin oxigeno. El
resultado es la creación de millones de poros microscópicos en la superficie del carbón.
El carbón activado ejerce una fuerte atracción para adsorber otras moléculas
(orgánicas) basadas en el carbono, y es excelente para retener firmemente moléculas
más pesadas tales como compuestos orgánicos aromáticos (es decir que quita los
olores desagradables del agua).
El proceso de adsorción trabaja como un imán para mantener las impurezas en la
superficie del carbón activado. Esto es una acción diferente de aquella que actúa como
una esponja en el proceso de absorción, en el cual un gas o líquido es succionado
hasta el centro del cuerpo poroso y allí mantenido.
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El carbón activado también se caracteriza por su extraordinaria habilidad para eliminar
el cloro, su sabor y olor; neutralizados por la reducción química hasta una forma no
detectable por los sentidos (como los cloruros).
Los filtros de carbón activado remueven los compuestos orgánicos volátiles, los
pesticidas y herbicidas, los compuestos con tribalometano, radon, los solventes y otros
productos hechos por el hombre y que encontramos en las aguas.
1.2 Soluciones de Filtración.
La adsorción por el carbón activado es en general referida como un proceso de
filtración mismo, en la que los mecanismos de actuación son procesos electro-químicos
y no mecánicos.
Los filtros de tratamiento pueden estar instalados en el punto de uso, o en el punto de
entrada, donde el tratamiento del agua entra en su domicilio. El sistema de tratamiento
en la entrada del agua al domicilio es el más recomendado para remover los
compuestos orgánicos volátiles; de ésta manera el agua queda lista en el hogar para
todo tipo de uso, sea para beber, cocinar, limpiar, o bañarse; libre de toda
contaminación.
Los filtros de carbón activado son unos filtros típicos usados para reducir el nivel de
contaminación en el agua para beber en casa. La eficiencia de los filtros depende del
tipo de contaminante, los tipos de aguas usadas, y el tipo de carbón utilizado. Las
grandes concentraciones de contaminantes y el gran consumo de agua reducen la vida
del carbón. El agua que entra y pasa por el filtro debe ser revisada periódicamente para
indicar si el sistema de tratamiento funciona adecuadamente.
Las bacterias pueden producirse sobre la superficie del filtro de carbón. Se recomienda
que el agua sea desinfectada después de pasara a través del filtro para mayor
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seguridad. Muchos tipos de desinfección son utilizables. La luz ultravioleta (UV) es uno
de ellos. El sistema trabaja eficientemente eliminando los problemas bacteriales del
agua.
1.3 Desinfección por Ultravioleta.
La desinfección por ultravioleta usa la luz como fuente encerrada en un estuche
protector, montado de manera que cuando pasa el flujo de agua a través del estuche,
los rayos ultravioleta son emitidos y absorbidos dentro el compartimiento. Cuando la
energía ultravioleta es absorbida por el mecanismo reproductor de las bacterias y virus,
el material genético (ADN/ARN) es modificado de manera que no se puede reproducir.
Los microorganismos se consideran muertos y los riesgos de enfermedades son
eliminados.
Los rayos ultravioleta emiten una energía fuerte, electromagnética, estos rayos se
encuentran en el espectro natural de la luz del sol. Ellos están en la escala de ondas
cortas, invisibles, con una longitud de onda de 100 a 400 (nm) ( 1 manómetro = 10-9m).
Figura 1–1 Espectro de frecuencias. Tomada de
http://www.excelwater.com/spa/b2c/about.php
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La luz ultravioleta desinfecta el agua sin necesitad de compuestos químicos y posee
mejores beneficios que la destilación.
El método ultravioleta es más efectivo cuando las aguas han sido parcialmente
tratadas, y solo el agua limpia pasa a través la pieza del flujo ultravioleta. Ya existen
purificadores compuestos, que tienen un filtro de carbón activado previo al sistema
ultravioleta.
El proceso de desinfección por la luz ultravioleta es un mecanismo natural, que no
destruye el medio ambiente que se usa en la casa y produce agua saludable.
La dosis de rayos ultravioleta que requiere para destruir 99.9 % de microorganismos
está entre 3200 y 26400 microwatts/segundo por centímetro cuadrado.
1.4 Osmosis Inversa.
La osmosis inversa es un procedimiento que garantiza el tratamiento desalinizador
físico, químico y bacteriológico del agua. Funciona mediante membranas de poliamida
semipermeables, enrolladas en espiral, que actúan de filtro, reteniendo y eliminando la
mayor parte de las sales disueltas, al tiempo que impiden el paso de las bacterias y los
virus, obteniendo así agua pura y esterilizada.
Aguas con elevado contenido de sales como, sodio, calcio, boro, hierro, cloruros,
sulfatos, nitratos y bicarbonatos, pueden ser tratadas con la osmosis inversa hasta
alcanzar los límites considerados como agua aceptable para su utilización. (Ver
condiciones de agua aceptable en ANEXO A).
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Las membranas filtrantes son responsables de separar las sales del agua. Dichas
membranas pueden considerarse como filtros moleculares. El tamaño de los poros de
estos filtros membranas es extremadamente pequeño, por lo que se requiere una
presión considerable para hacer pasar cantidades de agua a través de ellas. La
elección del modelo de membrana más apropiado es según el agua a tratar y su
empleo posterior, determinando el tipo de instalación más idónea.
Las suciedades que quedan en las membranas son posteriormente arrastradas y
lavadas por la misma corriente de agua. De esta forma el sistema realiza una
autolimpieza constante. Esta corriente de agua de desperdicio necesaria, está en
relación directa con el tipo de membrana que se utiliza y sus exigencias.
Osmosis
Para entender el proceso de la ósmosis inversa, empecemos por recordar la ósmosis
natural, mecanismo de transferencia de nutrientes en las células de los seres vivos a
través de las membranas que la recubren.
En tal sentido, cuando se ponen en contacto dos soluciones de diferentes
concentraciones de un determinado soluto (por ejemplo sales), se genera un flujo de
solvente (por ejemplo agua) desde la solución más diluida a la más concentrada, hasta
igualar las concentraciones de ambas. (Ver Figura 1-2).
Es decir, en otras palabras: si ponemos en contacto, a través de una membrana, agua
salada y agua destilada obtendremos un equilibrio entre ambas y quedarán
moderadamente saladas. El agua que atraviesa la membrana es "empujada" por la
presión osmótica de la solución más salada y el equilibrio del proceso se alcanza
cuando la columna hidrostática iguala dicha presión osmótica.
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Figura 1-2 – osmosis inversa. Tomada de
http://www.excelwater.com/spa/b2c/about.php
Osmosis Inversa
De aquí se deduce que si nuestro interés en el tratamiento es obtener una corriente de
agua lo más diluida posible, debemos invertir el fenómeno. Para ello hay que vencer la
presión osmótica natural mediante la aplicación en sentido contrario de una presión
mayor. (Ver Figura 1-2).
Cuando se logra invertir el fenómeno estamos en presencia de ósmosis inversa o
invertida como se ha dado en llamarla.
En resumen: si a una corriente de agua salada se le aplica una fuerte presión,
lograremos obtener un equilibrio distinto del anteriormente descrito en el cual se
generan simultáneamente dos corrientes:
• Una que es la que atraviesa la membrana, queda libre de sólidos disueltos
(minerales, materia orgánica, etc.) y de microorganismos (virus, bacterias, etc.):
producto o permeado.
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• La otra se va concentrando en esos mismos productos sin que lleguen a
depositarse en la membrana, porque la taparían y se eliminarían en forma continua,
constituyendo el concentrado.
La relación entre producto y concentrado constituye la recuperación, expresada en
porcentaje los rechazos para: Sulfatos (98 %), Arsénico (99 %), Fluoruros (97 %),
Nitratos (91 %), Bacterias, Virus y hongos más del 98 %.
1.5 Compresión de Vapor.
Uno de los campos de investigación de procesos de purificación de agua es el
desarrollo de sistemas de purificación a baja presión, en este campo la destilación por
compresión de vapor es uno de los resultados arrojados por dicha investigación.
El proceso de destilación por compresión de vapor es generalmente usado a baja y
mediana escala, y usualmente se dirige a la desalinización del agua del mar, ya que
esta conforma el 97.29% de la totalidad de agua del planeta, convirtiéndose así en la
mayor fuente de agua. El calor para la evaporación del agua proviene de la compresión
del vapor, y del intercambio directo entre el agua destilada y el agua cruda.
Las plantas que usan este método generalmente están diseñadas para sacar ventaja
del principio de reducción del punto de ebullición bajando la presión del contenedor.
Cuando se hace la comparación en términos de costos de los procesos de purificación
de agua, se llega a la conclusión que si no se logra hacer un ahorro en el consumo de
energía necesaria para la destilación, este proceso no seria competitivo, por lo que las
investigaciones arrojaron dos posibles soluciones:
1. Destilación multi etapa.
2. destilación por compresión adiabática de vapor.
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En este caso nos concentraremos en la compresión de vapor, que es la solución en la
que está basado este proyecto de investigación.
El método de destilación por compresión adiabática de vapor se basa en el ciclo de
refrigeración de ranking, en el cual el vapor es comprimido adiabaticamente
aumentando la presión y la temperatura, y luego, en el proceso de condensación, el
calor liberado es usado para el calentamiento de el agua cruda de entrada, ya que el
agua pura que fue destilada está a una temperatura mas alta que el agua cruda que
se supone a temperatura ambiente.
La energía que consume el sistema seria la que se necesita en el compresor, y para
hacer más eficiente el proceso hay que hacer lo posible por llevar a cabo todos los
procesos de transferencia de calor con un delta de temperaturas mínimo para un
caudal fijo de agua.
Por otra parte los procesos de destilación se usan para remover casi la totalidad de
contaminantes del agua, un 99.5% conformado por nitratos, bacterias, sodios, metales
pesados, compuestos orgánicos y minerales. El 0.5% restante se compone de los
compuestos orgánicos, algunos pesticidas y en general a contaminantes volátiles que
se evaporan a temperaturas cercanas a las del agua, lo que los hace resistir el ciclo y
evaporarse y condensarse de nuevo.
Otro foco de contaminación es que posiblemente en el tanque de almacenamiento se
produzca una recolonización de bacterias después de un largo periodo sin usar el
sistema.
El diseño que se trabajo y construyo fue el de usar un compresor y una bomba de
desplazamiento positivo, estos dos accionados por el mismo eje, el movimiento
reciprocante es producido gracias ala transformación del movimiento rotacional de un
motor de dos HP que hace un mecanismo de cuatro barras, este mecanismo esta
regulado por un reductor acoplado entre el motor y la manivela, y gracias a éste se
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puede lograr el número de iteraciones necesarias para una producción de agua limpia
indicada.
La función del compresor es hacer un trabajo que finalmente se convierte en calor, todo
con el fin de hacer una conservación del calor en el sistema y éste pueda operar
cíclicamente.
La bomba lo que hace es circular el agua del tanque de agua cruda por un serpentín
que se encuentra dentro del tanque de condensación, esto para aprovechar el calor
que se pierde en la condensación, y así facilitar la ebullición en el tanque evaporador.
También el sistema cuanta con un intercambiador de calor que lo que hace es
aprovechar el calor del agua recién destilada, y tratar de transferírselo al agua cruda
antes de que entre al tanque evaporador.
En el tanque evaporador tenemos una válvula de expansión que permite una caída en
la presión del liquido, tenemos una presión menor a la atmosférica debido a que el
compresor genera un vacío constante en este tanque; un aspecto importante de este
tanque es que su funcionamiento depende de la diferencia de presiones parciales en su
interior, debido a que este tanque presenta cambios de temperatura con el tiempo, esta
diferencia de presiones es la que nos garantiza un flujo de vapor con el que se pueda
empezar el ciclo, por eso es de vital importancia hacer una optimización del proceso
evaporativo, para lo que se implemento una malla cuya función es aumentar el área
superficial de contacto entre el vapor y el agua cruda, y ya que la taza de evaporación
depende de la superficie de contacto, entonces con esto se logra optimizar el proceso.
El tanque almacenador, que es en el que ocurre la condensación se encuentra a
presión atmosférica, y también tiene un sistema para el aprovechamiento del calor
perdido en la condensación, se trata de una manguera agujerada que es por donde
viene el vapor del compresor, esta manguera se encuentra en la parte mas profunda
del tanque, para que cuando se liberen las burbujas de vapor ocurra una condensación
optima y no se pierda vapor en la superficie, logrando así transmitir la mayoría del calor
al agua en el tanque, que gracias a la recirculación anteriormente explicada de la
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bomba, se puede transmitir este calor finalmente al agua cruda, proceso que
mantendrá cercanas las temperaturas de los tanques, haciendo así todos los procesos
de transferencia de calor más eficientes.
En los siguientes capítulos se explicara más detalladamente el funcionamiento del
prototipo inicial y los modelos matemáticos de cada parte, igualmente, las
modificaciones que se hicieron, las sugerencias y los problemas observados.
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CAPÍTULO 2: FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO
2.1 Prototipo Inicial. La idea de desarrollar este prototipo de potabilización por compresión de vapor fue
dada inicialmente por el ingeniero Jeoeffry Halliday.
Como se mencionó en el capítulo 1, la destilación ha sido estudiada básicamente en
dos campos:
• Destilación multi etapa.
• Destilación por compresión de vapor.
En el presente proyecto se analizan los resultados de un sistema de destilación por
compresión de vapor que consta de una bomba de desplazamiento positivo que tiene
como objetivo la compresión del vapor a través de un ciclo rankine de refrigeración, el
cual permite la recuperación del calor latente de vaporización.
La diferencia que se establece con el ciclo rankine es que este sistema utiliza un
proceso que no es un ciclo cerrado, que se rompe después del tanque condensador,
permitiendo su entrada en el tanque evaporador antes de la válvula de expansión; es
decir, está abierto y conectado a una fuente de agua cruda o sucia, lo que permite que
el agua se potabilice.
El ciclo que se tiene en cuenta en el prototipo es el siguiente:
Después de pasar por un intercambiador que aprovecha el calor del agua destilada,
ésta llega cruda al tanque evaporador, es ahí donde la válvula de expansión permite
una caída en la presión y al mismo tiempo el vapor es succionado por el compresor, el
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cual lo transporta al tanque condensador. El ciclo termina cuando luego de la
condensación del agua, ésta sale al intercambiador de calor.
En la siguiente gráfica se puede observar un esquema del ciclo de destilación por
compresión de vapor:
Figura2 -1 Diagrama del sistema, cortesía Mauricio Boada.
A continuación se hará una breve descripción del sistema parte por parte:
2.2 Compresor.
Figura 2-2 foto del compresor tomada en el taller.
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Inicialmente, se construyó para el prototipo un compresor sencillo de desplazamiento
positivo, el cual puede accionarse con un molino de viento de baja velocidad o con un
motor eléctrico acoplado a un reductor de velocidad.
El compresor es de un pistón y de acción reciprocante, lo cual implica que en ambas
direcciones de carrera trabaja simultáneamente su lado de succión y descarga, hecho
que promueve un funcionamiento uniforme y continuo.
Es así, como el compresor al encontrarse conectado a la parte superior del tanque
evaporador, el cual esta herméticamente sellado, causa un vacío que facilita la
evaporación; este vapor al ser succionado es traspasado al tanque de condensación el
cual se encuentra a presión atmosférica debido a que cuenta con un respiradero. La
compresión del vapor no ocurre exactamente en el compresor, ésta se presenta por la
diferencia de presiones del vacío del tanque de evaporación y la presión atmosférica
del tanque de condensación.
El compresor básicamente cumple la labor de una bomba de desplazamiento positivo
reciprocante.
El tamaño del compresor depende entre otros factores de la densidad del vapor, por lo
que la temperatura de trabajo es determinante a la hora de dimensionar el equipo.
Los materiales empleados en la construcción de compresor fueron acero inoxidable
para las tapas o muñeco, el cilindro y el pistón; y las tuberías de succión y descarga en
cobre de ½ in.
Las salidas del muñeco se hicieron frontales; igualmente, se usaron válvulas de cheque
de 1/2in.
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Página 25
Como el sistema consta de un compresor y de una bomba, entre estos dos elementos
debe haber una relación volumétrica que permita el correcto funcionamiento, la cual
será explicada más adelante.
2.3 Bomba.
Figura 2-3 foto de la bomba tomada en el taller
La bomba fue construida bajo el mismo principio de desplazamiento positivo
reciprocante.
La construcción de la bomba se basó en la relación volumétrica conveniente con el
compresor, para obtener la producción deseada.
A diferencia del compresor, las tapas de la bomba fueron hechas de aluminio, y las
tuberías de succión y descarga fueron en PVC de 1/2in para agua caliente; el diseño
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tuvo en cuenta la ausencia de presiones muy altas, y del fenómeno de cavitación. El
resto de componentes, al igual que en el compresor fueron elaborados en acero
inoxidable.
Básicamente, la función de la bomba es recircular el agua cruda que se encuentra en el
tanque evaporador y calentarla al pasarla por un serpentín que se encuentra en el
tanque condensador; dicho serpentín aprovecha el calor liberado en el proceso de
condensación y lo transmite al agua cruda la cual está en su interior; es aquí donde se
revela la importancia de tener una relación volumétrica entre el compresor y la bomba
para evitar problemas, los cuales pueden materializarse cuando el tanque evaporador
se llena o se desocupa demasiado; igualmente, se pierde calor cuando la cantidad de
agua en el evaporador es muy poca o es demasiada para poder modificar de una
manera importante su temperatura.
Relación Volumétrica:
El ingeniero Mauricio Boada investigó sobre las dimensiónes de volumen que deben
tener la bomba y el compresor. A continuación se muestran los cálculos usados al
dimensionar la bomba y el compresor (tomando los datos propuestos por el ingeniero
Boada), con el propósito de hacer una buena descripción del aparato y justificar sus
dimensiones.
Con el fin de establecer una igualdad entre los calores, los cálculos se basan en que la
transferencia de calor del serpentín y el vapor caliente en el tanque de condensación es
ideal.
Al calor que se entrega al evaporador en el proceso de recirculación de agua cruda por
el tanque condensador es:
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bomba
serpentinbombad
bomba
TCpqQ
ν).(. ∆
=
El calor añadido por el compresor debe ser transferido idealmente para lograr obtener
el calor latente necesario para la evaporación del agua cruda a la presión de vacío en
la que se encuentra; la expresión que lo determina es:
compresor
compresord
compresorHfgq
Qν
.=
Al igualar las dos expresiones anteriores, se llega a una expresión para el caudal de la
bomba que es de la siguiente forma:
).(...
serpentincompresor
bombacompresord
bombad
TCpHfgq
q∆
=ν
ν
En este orden de ideas, teniendo en cuenta que la energía mínima necesaria que hay
que proporcionarle al evaporador es el calor latente preciso para la evaporación, éste
debe ser producido y transmitido desde el tanque condensador, con el fin de
aprovechar el calor perdido en el proceso de condensación.
Es importante anotar que para que el sistema funcione adecuadamente es necesario
que exista una diferencia de temperatura entre los dos tanques, esta diferencia debe
ser lo suficientemente pequeña para hacer mas eficientes los procesos de transferencia
de calor; lo cual permite que dicho proceso se lleve a cabo1.
1 Si las temperaturas entre los tanques se igualan el proceso no se puede llevar a cabo.
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Para efectos de los cálculos es fácil asumir una diferencia de temperaturas entre
tanques, que puede estar entre 2 y 3 grados. Con estas diferencias calculamos la
relación de caudales de la bomba y el compresor, y así se puede calcular la relación
volumétrica entre la bomba y el compresor como se muestra enseguida:
La relación de caudales nos da 166.0.4
=== ACp
Hfgqq
compresord
bombad
Si invertimos el resultado tenemos que la relación entre el caudal del compresor y la
bomba es de 6.01, de lo cual podemos concluir que un valor de relación volumétrica
aceptable es de 6:1, lo que quiere decir que el volumen del compresor debe ser seis
veces el de la bomba recirculante.
Después de tener la relación volumétrica calculada (6 compresor a 1 bomba), se
determinan los diámetros gracias al conocimiento del volumen real del compresor, es
decir, teniendo en cuenta el eje que se encuentra en la mitad, y con el volumen
especifico del vapor, además determinando las capacidades volumétricas, se puede
llegar a establecer el numero de ciclos necesarios para una producción de 100 litros
diarios, y así se pueden dimensionar.
Teniendo en cuenta que el volumen en litros de agua que necesitamos para una
producción de 100 litros diarios, con operación máxima de la maquina, es decir, que se
opera las 24 horas del día es horasL
.24.100
, mas la relación volumétrica que conocemos, se
puede llegar a estimar el numero de ciclos necesarios, así como la velocidad del motor.
Otro factor igualmente importante son los volúmenes específicos, ya que en el
compresor se esta hablando de vapor de agua, y en la bomba se habla de agua liquida;
hecho que afecta el resultado final del agua destilada, lo que significa que hay que
hacer los cálculos pertinentes.
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De acuerdo con las dimensiones finales para la bomba y el compresor, que fueron
calculadas y explicadas en el proyecto de grado anterior, realizado por el ingeniero
Mauricio Boada, el diámetro de la bomba debe ser de 4.327 cm. El diámetro aplicado
para la construcción fue de 4.3 cm.; y teniendo en cuenta la relación volumétrica
expuesta anteriormente, y además conociendo la carrera del compresor, se puede
determinar el diámetro de éste.
2.4 Tanque Evaporador. El tanque evaporador es uno de los componentes mas importantes del sistema, ya que
en el se lleva a cabo el proceso de evaporación del agua cruda.
El primer fenómeno interesante es el vacío generado por el compresor, este se genera
con la intención de producir una caída en la presión que definitivamente produce una
caída en la temperatura necesaria para evaporar el agua, todo esto con el fin de hacer
que la evaporación sea optima.
Otro factor determinante es la diferencia de presiones parciales, ya que esta varia
según la temperatura del tanque, y la presión de vacío permanece relativamente
constante. Esta diferencia de presiones es la que determina el flujo de vapor con el que
contamos, por esta razón hay que establecer un modelo matemático lo suficientemente
afín para determinar eficiencias y energía por litro de agua destilada con mayor
precisión.
En el capítulo -- se explicará en detalle cual fue la modificación que se le hizo al modelo
matemático para aproximarse más a la realidad.
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Debido a la necesidad de lograr el proceso de evaporación con una diferencia de
presiones mínima, hay que fijarse en los factores que intervienen en el proceso de
evaporación, lo más importante es la superficie de contacto entre el vapor y el agua, y
la temperatura de la superficie del agua.
La solución más económica y eficiente que se encontró fue una malla evaporativa
(Figura 2-4); esta malla lo que hace es aumentar la superficie de contacto agua-vapor.
Éste procedimiento funciona debido a que el agua cruda entra por la parte superior del
tanque, y después por la válvula de expansión permitiendo una caída en la presión; es
así como el agua se encuentra con la malla que la distribuye para que el vapor tenga el
mayor contacto posible, lo que genera un aumento en el flujo de vapor (Figura 2-5).
Figura 2-4 malla evaporatíva, cortesía Mauricio Boada.
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Figura 2-5 Modelo del tanque evaporador; cortesía Mauricio Boada.
Para el evaporador se uso un tanque de acero al carbono de 50 cm. de diámetro, y
lámina de 2 milímetros de espesor, este tanque es completamente hermético, la tapa
es asegurada con tuercas y tornillos, todo esto para facilitar el proceso de succión del
compresor; y trabajar correctamente en vacío. Figura 2-6.
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Figura 2-6 Tapa del tanque evaporador; cortesía Mauricio Boada.
Con el fin de evitar al máximo las pérdidas de calor, se forró el tanque con una capa de
poliuretano rígido de 10 centímetros de espesor. Figura 2-6.
En capítulos posteriores se explicara el modelo matemático con cada uno de los
componentes.
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2.5 Tanque Condensador.
Figura 2-7 tanque condensador
Como este tanque se encuentra a presión atmosférica, se hizo una selección de
materiales que puedan trabajar en un rango de temperaturas de 90°C a 110°C, por lo
que se utilizó una caneca con tapa de plástico común y corriente, de 40 centímetros de
diámetro y 50 centímetros de altura. Al tanque también se le hizo un recubrimiento en
poliuretano rígido; sin embargo, debido a la propiedad de retener calor que tiene el
plástico, que es mejor que la del acero, este recubrimiento es de 5 centímetros de
espesor.
Es muy importante que en este tanque se logre el máximo aprovechamiento del calor
perdido en el proceso de condensación, ya que de esto depende la cantidad de calor
adicional que requiera el sistema para lograr el calor latente de evaporación del agua;
(cabe anotar que lo ideal es que no se necesite ningún calor adicional).
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El diseño es simple, el vapor que viene del compresor llega por una manguera que
llega hasta el fondo del tanque condensador y le da una vuelta al fondo de este, la
sección de manguera que le da la vuelta al tanque condensador tiene unos pequeños
agujeros por los cuales va saliendo parcialmente el vapor que se condensa casi
instantáneamente. El propósito de estos huecos es aprovechar el calor perdido en la
condensación y trasmitírselo de la forma más uniforme al serpentín de recirculación
que se encuentra exactamente encima de le manguera.
Figura 2-8 vista interna del tanque condensador
El serpentín esta hecho de tubería flexible de cobre de 1/2in y 3/4in, (material escogido
por su buena conductividad); la entrada desde el compresor y la salida del serpentín de
recirculación están conectadas por una manguera negra de una pulgada.
2.6 Mecanismo. Para operar la maquina se usa un motor eléctrico de dos caballos de fuerza, que
proporciona una potencia a 1800 revoluciones por minuto. Sabemos que esas son
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demasiadas revoluciones, y que como está planteado el funcionamiento de la máquina,
estas deben ser disminuidas a mas o menos 55 revoluciones por minuto.
Para disminuir las revoluciones se usa un reductor comercial que se acopla a la salida
del motor por medio de una cadena y dos piñones; este trabajo nos proporciona las
revoluciones que queremos, pero el movimiento rotacional hay que volverlo lineal, por
lo cual se construyo un mecanismo de cuatro barras con un extremo deslizante, lo que
nos proporciona un movimiento lineal ideal para operar la bomba y el compresor.
Antes de construir el mecanismo se le calculó la ventaja mecánica, y se tuvo cuidado
con las inversiones geométricas y los mecanismos que no fueran grashoiff, ya que de
esto depende su correcto funcionamiento.
El mecanismo que se uso fue uno de tipo Crack-Slider, como ya se conoce la carrera
del compresor y la bomba, que en este caso es de 20 centímetros en las dos, con el fin
de usar el mismo eje para accionar bomba y compresor, y de esta manera tener mas
facilidad de construcción, y menos partes en la maquina.
En otras palabras lo que se hizo fue un disco que funciona como manivela, y un brazo
que en un extremo sigue el movimiento del disco, y en el otro tiene un movimiento
restringido lineal que finalmente se transmite al eje que acciona el compresor y la
bomba. Figura2-9.
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Figura 2-9 Foto mecanismo cuatro barras
El eje del mecanismo atraviesa completamente el compresor de desplazamiento
positivo, y en la punta de este se encuentra la bomba; el eje se divide exactamente en
el pistón del compresor, y cuando se ensamblan las dos puntas del eje sostienen el
pistón.
Figura 2-10 Máquina completa
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2.7 Rediseño del soporte del sistema.
Como producto de investigaciones anteriores, se menciona que para competir con los
demás métodos de purificación de agua, el proceso de potabilización por destilación
por compresión de vapor es viable en la medida en que se disminuya al máximo su
fricción, y la energía requerida sea racionalmente baja.
Lo que se realizó en este proyecto fue analizar el funcionamiento del sistema, detectar
los problemas que tiene e intentar resolverlos.
Uno de los problemas que se encontró, y que es de mucha importancia, tiene que ver
con la energía que se invierte en superar la fricción del sistema.
El problema consiste en que el soporte del sistema que sostiene perfectamente el
mecanismo de cuatro barras y el compresor, pero cuando se trata de sostener la
bomba las reacciones están localizadas en los empaques, y como el eje de la bomba y
el compresor es el mismo, ésto genera una carga sobre los empaques del compresor.
Este problema además de generar un aumento en la fricción, también es la fuente de
un enemigo del proceso, los escapes; estos dos inconvenientes inicialmente fueron
atacados de la siguiente manera:
Lo primero que se hizo fue mejorar el sellamiento del compresor y la bomba, probando
con diferentes empaques, pero el resultado no fue satisfactorio, ya que a medida que
se mejoraban los empaques la fricción aumentaba considerablemente, aumentando así
el requerimiento energético del sistema. El aumento fue tan severo que generó el
fundimiento (fundir) de cuatro motores de dos caballos de potencia.
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Después de examinar el sistema se observó que el problema de los apoyos podría
solucionar en parte la excesiva fricción y los escapes; se encontró que la mejor forma
de eliminar la mayoría de cargas verticales sobre los empaques era levantar la bomba
para garantizar que el eje permaneciera perfectamente horizontal, y esto se lograba
apoyándose en la mitad de la bomba. Posteriormente, aunque se le puso el apoyo al
cilindro de la bomba de tal forma que las cargas sobre los empaques fueran mínimas,
la fricción excesiva continuaba, lo cual hace evidente la conclusión que los escapes y la
fricción son inversamente proporcionales.
Más adelante se explicará detalladamente la medida de la fricción, y su efecto en la
energía necesaria y los escapes del sistema.
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CAPÍTULO 3: INTERCAMBIADORES DE CALOR:
En este capítulo se muestra uno de los mayores aportes de este proyecto de grado al
mejoramiento del prototipo, que consiste en el diseño y análisis del intercambiador de
calor que sin lugar a duda juega un papel muy importante en el proceso de
potabilización de agua, ya que éste es el encargado de usar el calor del agua destilada
(limpia), que sale aproximadamente a 92 grados centígrados, y transmitirlo al agua
cruda que viene a temperatura ambiente, mas o menos a 25 grados centígrados, o es
precalentada por un calentador solar que eleva su temperatura aproximadamente a 58
grados centígrados. El efecto que tiene el calentador solar es hacer más eficiente la
transferencia de calor entre aguas, ya que como se menciona anteriormente, entre más
pequeña sea la diferencia de temperaturas más eficiente es la transferencia de calor.
Independientemente de las condiciones del agua cruda, es necesaria una configuración
de un intercambiador con una máxima eficiencia a pesar de las limitaciones de espacio,
ya que este no puede ser demasiado extenso debido al diseño del sistema.
Además de buscar una máxima eficiencia, es importante que no sea un intercambiador
que genere muchas perdidas por fricción, ya que si estas pérdidas son muy altas se
podría necesitar de otro dispositivo, como una bomba, lo cual representaría una mayor
demanda de energía.
La cabeza de prisión con la que se cuenta para operar el intercambiador es la
generada por el vació que produce el compresor en el tanque evaporador. Teniendo en
cuenta que el intercambiador va directamente conectado a la válvula de expansión, es
importante tener en cuenta factores como la posición del intercambiador, haciendo
referencia específicamente a la diferencia de altura entre el tanque condensador, el
evaporador y el intercambiador.
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Es posible encontrar la existencia de una inmensa gama de intercambiadores para
diferentes propósitos. Sin embargo, en el caso de recuperación de calor de desecho
trabajando con agua como fluido, las opciones de elección se ven reducidas y es
necesario fijarse en sus pros y sus contras.
Al analizar las diferentes opciones, con base en la simplicidad, practicidad y eficiencia
del intercambiador de calor, se seleccionan, un intercambiador de tubos concéntricos
con flujo paralelo y a contraflujo, y un intercambiador de calor de tubos y coraza, esto,
para lograr una máxima eficiencia.
Previo a este proyecto, se diseñó un intercambiador de calor de flujo paralelo de tres
tubos concéntricos obteniendo buenos resultados teóricos, pero el intercambiador no
se materializó, y no se tienen registros de su comportamiento real.
En este capítulo se hace una comparación teórica entre los tres posibles diseños de
intercambiador (el de tres tubos concéntricos, el de dos tubos concéntricos y el de
tubos y coraza), para así seleccionar el de mayor rendimiento. El intercambiador
seleccionado se construye y sobre éste se hace un análisis entre lo teórico y práctico
para explicar de la mejor manera las diferencias entre los comportamientos.
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Propuesta Intercambiador a Contraflujo de tres tubos concéntricos.
Figura 3-1Intercambiador de calor tres tubos concéntricos, cortesía MB.
Esta propuesta es muy interesante, ya que además de basarse en la simplicidad del
diseño de tubos concéntricos, se encarga de aprovechar, de la mejor manera, el calor
de desecho que produce el sistema.
Como se mencionó anteriormente, el proceso de condensación libera una gran
cantidad de calor, el cual debe ser aprovechado eficientemente para tratar de lograr la
cantidad necesaria en el proceso de evaporación.
El sistema potabilizador tiene otras fugas de calor importantes; una de ellas es la
pérdida de calor con el exterior que se da en el compresor y la bomba, problema que
se solucionará y será explicado en detalle posteriormente. Otra fuga de calor es el calor
de desecho que se encuentra en el agua saturada de contaminantes.
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Teniendo en cuenta los desperdicios de calor se hace el diseño del intercambiador con
tres fluidos de trabajo: el agua destilada, el agua cruda, y el agua saturada de
desechos.
Debido a la solución planteada para los desechos, es mejor cambiar los fluidos de
trabajo con el fin de facilitar los cálculos y proveer una solución realmente aplicable al
sistema. Aunque la idea de usar el calor del agua saturada de desechos es buena,
probablemente generaría una demanda de energía que en un balance general nos
daría pérdida, y para ahorrar calor tendríamos que gastar energía en otro elemento
como una bomba o un sistema complejo de dosificación. Por esta razón se hace una
aproximación al intercambiador de tres tubos concéntricos alimentado únicamente por
el agua destilada y el agua cruda.
El sistema funciona de la siguiente manera:
Como la idea es transmitir la mayor cantidad de calor posible evitando las pérdidas al
máximo, lo que se propone es que por el tubo exterior y el del centro pase el agua
cruda, y que el tubo que va entre esos dos contenga el agua destilada. Esto con la idea
de minimizar las pérdidas hacia el exterior, ya que el agua cruda entra a temperatura
ambiente, haciendo que el intercambio con el exterior sea insignificante.
Para disminuir aun más la pérdida de calor con el exterior, el intercambiador deberá
tener un recubrimiento en poliuretano rígido; éste lo aísla y mejora su eficiencia.
Para conocer teóricamente el comportamiento de este intercambiador se hace una
iteración, en la cual debemos conocer las temperaturas iniciales de los fluidos de
trabajo para así llegar a un punto en el que se estabiliza y poder conocer las
temperaturas finales.
Para el agua destilada se asume una temperatura de 92°C, y se determina que el agua
cruda llega a condiciones estándar, es decir a 25°C. La longitud efectiva del
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intercambiador es 1.9 metros. Los diámetros de las tuberías concentricas son de ½, ¾,
y 1 pulgadas respectivamente.
Con los datos anteriores se hace la siguiente iteración:
Para conocer las propiedades de los fluidos, es necesario conocer las temperaturas
promedio de los mismos las cuales se calculan asumiendo temperaturas finales.
Teniendo estas propiedades se usan las formulas del modelo matemático del
intercambiador obteniendo temperaturas finales nuevas; con éstas volvemos a calcular
temperaturas promedio y nuevas propiedades promedio, haciendo así la iteración hasta
tener un comportamiento estable.
Algunos datos relevantes antes de comenzar con los cálculos son:
Se Determina el área de transferencia As, y el área transversal At para cada fluido, los
subíndices h y c corresponden a caliente y frío respectivamente:
kTkT
Tk
sftlb
RlbCBTUCp
ftlb
kTkT
T
RhrftCBTUk
sftlb
RlbCBTU
Cpftlb
hrcm
CaudalkTkT
mLinDinDinD
hmhi
mhhhc
hh
hhh
mcci
mc
ccc
cc
ccc
cihi
482.332,2
099.318,087.3Pr10696.376,
.10231.323,
.9718.0,438.61
269.311,2
387.324
378.4Pr,..
10905.363,
.10843.444,
.052.1,313.62
7440,15.298,866.346
9.1,1,43
,21
3
63
3
63
3
321
=+
==×==
×===
=+
=
=×==
×===
===
====
−
−
−
−
ρµ
υ
µρ
ρµ
υ
µρ
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)..()..( 2 LDLDAh ππ += )(4
21
22 DDAth −=
π 241058.1 mAth
−×=
)(44
22
23
21 DDDAtc −×+×=
ππ 241014.3 mAtc
−×=
Se calculan los diámetros hidráulicos para cada uno de los fluidos:
π4
×= thh AD cmDh 42.1=
π4
×= tcc AD cmDc 06.2=
Como una simplificación del modelo se toma el grosor y la resistividad térmica de la
tubería de cobre como despreciable, esto facilita el cálculo del coeficiente global de
transferencia de calor U.
Tenemos que:
hhhcU111
+=
Ahora se calculan los coeficientes de convección hhhc, :
thh A
CaudalV = s
mVh 013.0=
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tcc A
CaudalV = s
mVc310933.5 −×=
Como podemos ver se obtienen velocidades muy bajas, lo que sugiere un flujo laminar
a lo largo de las tuberías; en forma de comprobación, si se usa la velocidad mas alta
0.013m/s, y el mayor diámetro: 2.06cm, calculamos Re con la siguiente formula:
υDV ×
=Re
Se tiene como resultado aproximado 385, y el limite de laminaridad en tuberías es de
2100, entonces tenemos flujo laminar.
Esto facilita el uso de una correlación para calcular el número de nusselt, correlación
que exige flujo laminar a través de la superficie de contacto.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛×⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ××
=ch
LDD
N hhhUh µ
µ31
PrRe86.1 , 798.2=UhN
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛×⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ××
=hc
LDD
N cccUc µ
µ31
PrRe86.1 , 352.5=UcN
Sabiendo que:
kDh
NU×
=
c
Uc
DkcN
hc×
= km
Whc 2001.160=
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h
Uh
DkhN
hh×
= km
Whh 241.128=
hhhc
U11
1
+=
kmW
U 2238.71=
Se calcula Qmax, relacionándolo con rC asumiendo que las condiciones son
constantes a través del intercambiador, y se deduce que 1=rC debido a que ch CC = .
hhh CpCaudalC ××= ρ min272.8 CkWCh ==
ccc CpCaudalC ××= ρ max030.9 CkWCc ==
911.0max
min ==CC
Cr
Ahora calculamos el número de unidad de transferencia con el que se puede estimar la
eficiencia y las temperaturas finales de los fluidos de trabajo.
minCAsU
NTU×
= 632.1=NTU
( ) ( )[ ][ ]⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−×⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= 1exp
1exp1 78.022.0 NTUCNTU
C rr
ε 594.0=ε
( )cihi TTCQ −×= minmax
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maxQQ ×= ε WQ 294.239=
hhhiho CpCaudal
QTT
××−=
ρ kTho 937.317= kThi 866.346=
cccico CpCaudal
QTT
××+=
ρ kTco 498.324= kTci 15.298=
Con estas temperaturas se calculan nuevas temperaturas promedio, y así mismo
nuevas propiedades para seguir con las iteraciones.
3.2 Intercambiador de Calor de Tubos y Coraza.
Este tipo de intercambiador es un arreglo de tubos dentro de una coraza que tiene
huecos de entrada y salida en la coraza y en los tubos, y funciona transfiriendo calor
entre los fluidos que pasan por los tubos y el fluido que pasa por la coraza.
En algunos casos se adaptan deflectores que aumentan la turbulencia, esto, con el fin
de aumentar el coeficiente de convección del fluido que pasa por la coraza. La forma
más simple para este intercambiador es la que implica un solo paso por tubos y coraza.
Como ya se conocen las temperaturas logradas con el intercambiador de calor de tres
tubos concéntricos, se usan estas temperaturas y se observa la longitud de los tubos;
teniendo en cuenta que éste es un factor determinante en la selección del
intercambiador.
Entonces se hace necesario calentar agua de 25°C aproximadamente a 58°C con un
intercambiador de diez tubos con dos pasos por la coraza.
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Inicialmente se calcula el flujo de agua destilada para el calentamiento, luego se
determina la longitud necesaria de los tubos.
Antes de entrar en materia es preciso suponer que las pérdidas de calor con los
alrededores, la resistencia térmica de la pared del tubo, las impurezas y los cambios
de energía cinética y potencial son insignificantes. También se asume que las
propiedades a través del intercambiador son constantes y que el flujo es
completamente desarrollado en los tubos.
Para efectuar los cálculos se determinan las temperaturas medias, y se usan las
propiedades a éstas temperaturas.
CkkkTT
T hohimh °==
+=
+= 47.6862.341
215.31815.365
2
CkkkTT
T cicomc °==
+=
+= 5.4165.314
215.29815.331
2
Entonces tenemos que:
16.4Pr,10634.10631,179.4
66.2Pr,10660,10420,188.4
32
6
32
6
=×=×==
=×=×==
−−
−−
KmW
Km
sKkgkJ
Cp
KmW
Km
sKkgkJ
Cp
ccc
hhh
µ
µ
Después de hacer el balance de energía, la transferencia de calor necesaria es:
)(.
cicocc TTCpmq −×=•
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Para calcular el flujo de agua usamos la densidad, la velocidad y el área transversal del
tubo
skgm
mkg
smmVAm cctc
00172.0
15.9981093.51014.3 3324
=
××××=××=
•
−−•
ρ
Obtenemos que:
( )
Wq
KkgJ
skg
q
240
2558417900172.0
=
−××=
El flujo de agua destilada necesario es de:
( ) ( ) skg
CKkgJW
TTCpq
mhohih
00121.04592.4188
240=
°−×=
−=
•
Como obtenemos velocidades tan bajas, contamos con flujo laminar en los tubos,
además, el resultado obtenido en el cálculo del número de Re realizado en el
intercambiador anterior es similar debido a que las velocidades no cambian y los
diámetros de los tubos son similares.
La longitud de los tubos se puede calcular con:
CFmlTUAFq ,∆=
( ) ( ) KmW
hhU
oi2238.71
111
=+
=
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El factor de corrección F se puede observar en la grafica 11.10 del libro fundamentos
de transferencia de calor Frank P. Incropera, David P. De Witt; donde
42.125584592
=−−
=R 49.025922558
=−−
=P
De lo anterior tenemos que 99.0≈F ; ahora calculamos FCmlT ,∆
( ) ( )( ) ( )[ ] ( ) C
LnTTTTLnTTTT
Tcihocohi
cihocohiFCml °=
−=
−−−−−
=Λ 38.2620342034
/,
Por consiguiente, como DLNA π= , donde 10=N es el numero de tubos,
( ) ( )CmKm
WW
TDFUNq
LFCml °×
=∆
=38.2699.0025.010238.71
240
2, ππ
mL 2.0=
Bosquejo del intercambiador:
Figura 3-2. Intercambiador de tubos y coraza de 10 tubos.
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Página 51
3.3 Intercambiador a Contraflujo de Dos Tubos Concéntricos.
Teniendo en cuenta las pérdidas por fricción del Intercambiador a contraflujo de tres
tubos concéntricos, según la solución propuesta para el problema de desechos, no se
cuenta con una cabeza de prisión para poder vencer dichas pérdidas. Por lo cual se
propone un sistema que trabaja únicamente con agua destilada y agua cruda, estas
dependen de la prisión generada por la altura del agua limpia en el tanque
condensador y el vacío en el tanque evaporador.
Los diámetros que se usan son de ½, y 1 pulgadas, en tubos de cobre y PVC
respectivamente, y conocemos el flujo del fluido y temperaturas de entrada y salida. La
metodología a seguir es averiguar cual debe ser la longitud del intercambiador para que
entregue las mismas temperaturas que el de tres tubos concéntricos.
Inicialmente, se asume que las pérdidas de calor con los alrededores son
insignificantes así como los cambios de energía potencial y cinética; adicionalmente,
las propiedades son constantes a través del intercambiador; igualmente, la resistencia
térmica de las paredes de los tubos y de las impurezas son despreciables.
Las temperaturas medias en este caso son las mismas, por lo que las propiedades
medidas a estas temperaturas serán las mismas para este intercambiador.
16.4Pr,10634.10631,179.4
66.2Pr,10660,10420,188.4
32
6
32
6
=×=×==
=×=×==
−−
−−
KmW
Km
sKkgkJ
Cp
KmW
Km
sKkgkJ
Cp
ccc
hhh
µ
µ
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Página 52
El calor que debe ser transferido puede ser obtenido por medio de un balance de
energía
)(.
cicocc TTCpmq −×=•
En este caso ya tenemos los flujos y solo queda remplazar los valores en la ecuación
( ) WCKkgJ
skg
q 2402558418800172.0 =°−××=
Así la longitud del intercambiador puede obtenerse de mlTUAq ∆= , en donde LDA iπ= ,
y el valor de mlT∆ lo obtenemos de
( ) ( )( ) ( )[ ] ( ) C
LnTTTTLnTTTT
Tcihocohi
cihocohiml °=
−=
−−−−−
=Λ 38.2620342034
/
Se calcula el coeficiente global de transferencia U:
( ) ( ) KmW
hhU
oi2238.71
111
=+
=
Los coeficientes de convección calculados anteriormente teniendo en cuenta un
número bajo de Re, se usan en la correlación correspondiente y se despejan los
coeficientes.
Finalmente la longitud se obtiene con:
CKm
WW
TDUq
Lmli °××
=∆
=38.26025.0238.71
240
2 ππ
mL 3.2= .
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Página 53
El resultado anterior es definitivo, ya que antes de construir cualquier intercambiador
hay que pensar en costos y complejidad de construcción.
3.4 Selección del intercambiador final.
Después de realizar cálculos para los tres tipos de intercambiadores, donde los 3
deben los mismos resultados, se buscará el presente la mayor sencillez y economía.
Es fácil darse cuenta que el intercambiador de dos tubos concéntricos a contraflujo es
más fácil de construir, los materiales usados en su construcción son un tubo de cobre
de media pulgada de diámetro, y un tubo de PVC para agua caliente de una pulgada de
diámetro; esto con el fin de disminuir las perdidas de calor con los alrededores. El
aislamiento del intercambiador, que se hizo con poliuretano rígido, minimiza las
pérdidas y se acerca al modelo matemático en el que se supone que las perdidas con
los alrededores son insignificantes.
3.5 Construcción del intercambiador.
Para solucionar el problema de mantener la distancia entre los dos tubos, se propone
una rueda con orificios que permite el paso de agua hacia el tubo exterior, la rueda
rodea el tubo de cobre por la parte externa, y hace contacto con la parte interna del
tubo exterior. Figura 3-3
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Página 54
Figura 3-3 Rueda separadora de los tubos del intercambiador.
El recubrimiento con poliuretano se hace cuidadosamente por capas, aprovechando
que ésta reacción química ocurre rápidamente, luego es posible pulirla para que sea
mas agradable a la vista.
El acople a los tubos del intercambiador se hace con mangueras negras flexibles, estas
son sujetadas por medio de abrazaderas de cable calibre 10 y tienen la función de
eliminar las fugas en los empalmes.
3.6 Pruebas del intercambiador construido.
El montaje para la toma de datos del intercambiador se realiza aparte del sistema, ya
que todavía no están construidas las salidas y entradas en el tanque evaporador y en el
tanque condensador; éstas son necesarias para adaptar el intercambiador.
En este caso usamos la diferencia de alturas para hacer fluir el agua a través del
intercambiador usando 4 baldes y dos mangueras.
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Página 55
El agua es precalentada en dos de los baldes usando una resistencia eléctrica; éste
calentamiento es monitoreado con termocuplas hasta llegar de manera uniforme a la
temperatura de 92°C equivalente a la temperatura del agua destilada, y a 25°C que es
la temperatura a la que llega el agua cruda, según lo asumido anteriormente.
Como el balde a 92°C tiende a enfriarse mas rápido, es posible mantenerlo estable
gracias a la ayuda de una resistencia eléctrica para evitar su descenso.
El procedimiento a seguir es monitorear el calentamiento en los baldes. Cuando se
tienen las temperaturas deseadas, se genera un vació en los baldes succionando las
mangueras con la boca con cuidado de no quemarse. Cuando cae el agua que fluye
por diferencia de altura, se conectan las mangueras a los tubos (este procedimiento
debe hacerse con guantes para proteger las manos del agua caliente), haciendo
posible medir la temperatura de salida del agua en ambos extremos del intercambiador
con una termocupla. Se toman datos cada 10 segundos hasta que se desocupen los
baldes, los resultados obtenidos son:
tanque a
92°C
tubo de
cobre
tubo
PVC
tanque
25°C
92 78 38 25
91 76 38 25
90 76 39 25
91 77 40 24
92 76 42 24
92 79 41 24
93 78 41 24
91 78 40 23
90 79 42 23
89 78 41 23
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Página 56
Tabla. Resultados prueba intercambiador
Es importante notar que en uno de los extremos es necesario hacer un cruce de
mangueras, este problema se soluciona con un acople en forma de T, lo cual permite
que el agua que viene por la manguera de una pulgada de diámetro haga una curva de
90 grados y el agua que sale por la tubería de cobre se descargue al balde que está en
el suelo.
En el otro extremo no es necesario realizar dicho procedimiento, ya que la entrada es
por el tubo de cobre, y la medida de temperatura se hace directamente del agua que
sale por el tubo de una pulgada descargando el agua directamente al balde que está en
el suelo.
3.7 Análisis de resultados.
La diferencia notada entre la teoría y la practica se debe a que no se puede tener un
control adecuado del caudal, lo cual causa una velocidad mucho mayor que la que se
maneja en el modelo matemático; de todas maneras queda la duda de saber como
varia éste factor con las otras configuraciones de intercambiador que no fueron
construidas, aunque se podría afirmar que los resultados no son muy distintos.
En total se hacen 5 tomas de datos, y en la figura anterior se muestra la tabla con los
resultados más estables que se pueden obtener. En los otros casos se presentan
saltos abruptos de temperatura que se deben a que la resistencia no calienta de una
manera uniforme el agua en el balde al ocupar un pequeño espacio dentro de éste. La
resistencia se encuentra a muy alta temperatura, y al sacarla y meterla al agua para
tratar de mantener el equilibrio, se calientan diferentes zonas del agua, sin poder tener
un dato más amplio al ser fija la termocupla. Las zonas frías son las que generan
cambios abruptos en los resultados.
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En el balde a 25°C. no se tiene mayor problema, ya que se calienta a una temperatura
mayor que la deseada, y se espera su enfriamiento normal, luego, aunque casi no es
necesario, se sumerge la resistencia para que se comporte más estable.
Después de hacer el montaje para probar el intercambiador resalta la importancia de
controlar el caudal, este problema es complicado, ya que la cantidad de agua destilada
que sale, debe estar equilibrada con la de agua cruda, de lo contrario podría causar
que cualquiera de los dos tanques se desocupe antes de tiempo, o que se llenen
demasiado.
Para que el sistema pueda ensamblarse completamente, es necesario levantar más el
tanque de condensación para tener más cabeza de prisión e inclinar el intercambiador
de forma que favorezca el flujo hacia el tanque evaporador, ya que la prisión de succión
con la que contamos es muy baja, siendo aproximadamente 1.8 metros de agua.
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Página 58
CAPÍTULO 4: DESCRIPCION Y AJUSTES AL MODELO
MATEMATICO
En este capítulo se muestra al modelo matemático que describe el funcionamiento de
cada uno de los componentes del prototipo, y se presentan los ajustes pertinentes para
que éste se acerque al funcionamiento real de las partes.
El modelo matemático inicial fue desarrollado por Mauricio Boada, y el análisis que se
hace en este capítulo se basa en éste.
El ajuste que se le hace al modelo matemático inicial tiene que ver con el manejo de las
presiones parciales en el tanque condensador, estos cambios serán explicados en
detalle a lo largo del desarrollo de este capítulo.
Los datos arrojados por los experimentos y su variación debido a los cambios físicos en
el sistema también son presentados en este capítulo.
4.1 Válvula de Expansión.
Para representar una válvula de expansión con un modelo matemático se debe tener
en cuenta que la entalpía es constante. Y se definen las condiciones de frontera que en
este caso son conocidas.
El estado antes de la válvula es conocido ya que es la salida del intercambiador de
calor que transfiere el calor del agua destilada al agua cruda; en este caso se asume la
presión atmosférica, y dependiendo de la temperatura se conoce el estado.
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Página 59
Para la salida de la válvula de expansión se mantiene una entalpía constante, y debido
a que la presión dentro del tanque evaporador es de vació, OHm2
8.1 por debajo de la
presión atmosférica, se conoce completamente el estado.
Antes de la válvula:
PsiPaP 692.14300.101 == Presión atmosférica.
La temperatura es la de salida del intercambiador de calor. KT 335.324=
lbCBTU
H 127.92=, Rlb
CBTUS
⋅= 17168.0
, lbft 3
016221.0=υ, %0=χ
Después de la válvula:
Ahora es la presión atmosférica menos la presión de vació del evaporador.
PsiP 301.13= , lbCBTU
H 127.92= Con estos dos datos se conoce el estado.
RlbCBTU
S⋅
= 17168.0, lb
ft 3
016221.0=υ, KT 335.324= .
4.2 Tanque Condensador.
El condensador es sin duda el componente más importante del prototipo; de su
funcionamiento depende el éxito del ciclo. Todos los demás componentes están
enfocados en retornar la mayor cantidad de calor al evaporador, y por eso se hace un
análisis matemático detallado de su funcionamiento.
Los flujos que intervienen en el funcionamiento son: La entrada de agua cruda que se
da por la válvula de expansión; la salida del vapor succionado por el compresor; y la
salida y entrada del agua recirculada por el serpentín que esta en el tanque
condensador, ésta es recirculada gracias a la bomba de desplazamiento positivo.
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Página 60
El estado del agua cruda que entre ya se conoce por el análisis de la válvula de
expansión. Para definir el estado del vapor que sale es necesario hacer el modelo de la
malla evaporativa para poder establecer el flujo y las condiciones del salida; se asume
que el vapor que se desprende de la malla es el que tiene la energía suficiente de
evaporación, por lo que se define como vapor saturado a la presión del tanque
evaporador.
Ya que la primera ley de la termodinámica y la información que tenemos no es
suficiente para determinar completamente el funcionamiento del evaporador, es
necesario utilizar un método iterativo.
Agua recirculada:
Es el agua succionada por la bomba y que pasa a través del serpentín del
condensador. Como no se conocen las condiciones, lo que se hace es asumir una
temperatura de precalentamiento del tanque de 90°C, y así se hace el siguiente
análisis.
Estado en la succión de la bomba de recirculación:
La presión es la misma del tanque evaporador PsiP 301.13= , y la temperatura de
precalentamiento para que el prototipo funcione correctamente es de KC 077.35390 =° .
Ésta temperatura varia a medida que se toman los datos, y se asume de C°90 para ver
si el prototipo es capaz de estabilizarse a medida que trabaja.
lbCBTU
H 87.143=, Rlb
CBTUS
⋅= 25661.0
, lbft 3
016485.0=υ, %0=χ .
El paso a seguir es usar la primera ley de la termodinámica y hacer el análisis del
tanque evaporador como un volumen de control, y así conocer los flujos de entrada y
salida del tanque.
Los flujos de entrada son, el agua cruda, y la salida al serpentín de recirculación; y los
de entrada son el vapor hacia el compresor, y la llegada del serpentín de recirculación.
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pentinllegadaseraguacrudaentinsalidaserp
hmhmvaporhmhm ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
••••
Por simplicidad los flujos se van a enumerar (1, 2, 3, 4 respectivamente) respecto la
primera ley.
Para determinar los flujos se asume una velocidad del prototipo de rpm55 , y se usan
los caudales previamente calculados.
Caudal Vapor min105.0
l=
, Caudal serpentín 6.VaporCaudal
=
Esta relación de caudales se debe a la relación volumétrica previamente establecida.
Para determinar los flujos básicos se divide el caudal entre el volumen específico del
estado correspondiente.
vaporvapor
VaporCaudalm
υ.
=•
, serpentinserpentin
SerpentinCaudalm
υ.
=•
Se asume que el flujo succionado por la bomba es el mismo que entrega, lo que nos
permite afirmar que los flujos de salida y entrada del serpentín de recirculación son
iguales; por consiguiente el flujo másico de vapor debe ser igual al flujo másico de agua
cruda.
crudaaguavapor mm .
••
= , serpentinllegadaserpentinsalida mm ..
••
= .
Pero aun no se conoce el estado del vapor para poder determinar el flujo másico de
éste, por lo que se hacen pequeños volúmenes de control dentro del evaporador.
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Como lo definimos anteriormente el estado de vapor se define como las partículas
capaces de separarse de la tela evaporativa, esto para asumirlo como vapor saturado.
El estado de vapor queda definido como:
PsiP 301.13= , KT 377.370= , lbCBTU
H 1148=, Rlb
CBTUS
⋅= 7648.1
lbft 3
42.29=υ, %100=χ .
4.3 Volumen de Control Malla Evaporativa.
El análisis sobre la tela evaporativa es importante ya que esta representa la
optimización del proceso evaporador. En este punto se presentas los ajustes al modelo
matemático que se hicieron con la idea de aproximarse más al comportamiento del
prototipo. Ajuste que tiene que ver con el manejo de las presiones parciales.
Se debe hacer un análisis que determine la taza de perdida de calor por el proceso de
evaporación que se da en la malla, para lo cual usamos la siguiente ecuación:
PKeLq OHmalla ∆••=2 , en donde:
=mallaq Calor de evaporación liberado por la malla evaporatíva.
=OHL2 Calor latente de evaporación del agua = 1050 lb
BTU
.
=Ke Coeficiente de transferencia de masa en 2fthr
lb⋅ .
=∆P Diferencia de presiones parciales.
El coeficiente de transferencia de masa se puede definir como:
hcvKe ⋅= 19.0
En donde hcv corresponde al coeficiente de convección de la superficie con respecto a
la velocidad del medio. Asumimos cero (0) la velocidad del vapor, por lo que se puede
calcular Ke así:
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25.0fthr
CBTUhcv
⋅=
, lbCBTU
L OH 10502
=,
hcvCBTU
lbKe ⋅= 19.0
.1084.2 24
mslb
Ke⋅
×= −
4.4 Cálculo de las presiones parciales (Ajuste al modelo matemático inicial). Con el objetivo de hacer que el modelo matemático se aproxime más a la realidad del
funcionamiento del prototipo, se hace un estudio más detallado de la variación de las
presiones parciales a medida que cambia la temperatura.
Esta diferencia de presiones es la que indica si hay o no flujo de vapor. Antes se
determino que éste delta era constante y aproximadamente de Psi3.0 , ya que el rango
de temperaturas de la tabla psicrometrica va máximo hasta 60°C, y claramente se ve
que las temperaturas a las que trabaja el prototipo se salen de el rango. La variación de
esta diferencia de presiones se pudo comprobar gracias a una relación de datos
tomada de los apuntes sobre refrigeración y aire acondicionado, del profesor Rafael
Beltrán.
Se tabulan los datos de presión de vapor a altas temperaturas y se llega a la siguiente
grafica que muestra su comportamiento y tendencia.
KTsatKPaPLn vapor °
−=,
7.52648.18),(
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Figura 4 -1 Comportamiento de la presión de vapor a altas temperaturas.
Finalmente el P∆ se calcula con la diferencia entre la presión de vapor y la presión que
tenemos en el tanque. Con este ajuste se debe hacer otra iteración para saber el calor
liberado en el proceso de evaporación en la malla evaporativa.
El valor del calor liberado por la malla cambia a medida que la temperatura del tanque
evaporador varia. El objetivo de calcular este calor, es que al multiplicarlo por el área
de la malla se tiene la energía liberada en el proceso, esta energía se puede expresar
en términos de flujo, por lo que ya se conoce el flujo correcto de vapor a cualquier
temperatura.
23mAmalla = , entonces la energía liberada es igual a mallamallamalla qAE ×= , y al mismo
tiempo se tiene que vaporvapormalla hmE ⋅=•
, entonces ya se sabe el flujo másico de vapor.
Con la información obtenida se puede hacer el análisis de los flujos del tanque
evaporador de una forma mas detallada. Existe un porcentaje del agua cruda que no se
evapora y recorre la malla cayendo en el tanque, este flujo que no se evapora es igual
a la resta entre el flujo total de agua cruda y el flujo de vapor.
Presiones de vapor
0.0000
20.0000
40.0000
60.0000
80.0000
100.0000
120.0000
0 20 40 60 80 100 120
T °C
Pva
p K
Pa
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Entonces para determinar el flujo de agua cruda tenemos:
serpentinllegada
aguacrudavaporentinsalidaserpserpentinllegada
serpentinsalidaserpentinsalida
vaporcrudaaguaevaporadanocrudaagua
pentinllegadaseraguacrudaentinsalidaserp
m
hmhmhmh
serpentinCaudalm
mmm
hmhmvaporhmhm
.
.
..
....
.
•
•••
•
•••
••••
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
=
=
−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
υ
Con esta información se obtiene el estado del agua cruda; éste depende directamente
del flujo de vapor, por lo que depende de la diferencia de presiones.
Cuando se conoce el estado de llegada del serpentín se puede determinar el estado
del agua cruda que no se evapora y cae en el tanque evaporador.
evaporadanocrudapentinllegadaser
avaporadanocruda
vaporpentinllegadaserevaporadanocruda
hmhmE
m
hmhmh
..
..
..
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅
=
••
•
••
Entonces se puede hallar el flujo de agua cruda que no se evapora, ya que conocemos
el flujo de vapor y el flujo de salida del serpentín.
...
.
...
.evaporadanocruda
serpentinsalida
evaporadanocrudacrudaagua
entinsalidaserp
crudaaguaentinsalidaserp T
m
mT
m
mT ⋅+⋅= •
•
•
•
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Página 66
Y con esta información ya se tienen completamente determinados los estados del
evaporador.
4.5 Compresor.
El compresor se encarga de succionar el vapor del tanque evaporador y hacerle
trabajo, este trabajo se transforma en calor convirtiendo al vapor en vapor
sobrecalentado; finalmente es descargado al tanque condensador a presión
atmosférica. El proceso se asume isentrópico.
Es fácil determinar el estado del compresor, ya que tenemos el flujo de vapor, la
temperatura y la presión a la que trabaja.
4.6 Bomba de Recirculación.
La función de ésta es recircular el agua cruda por un serpentín que se encuentra en el
tanque condensador, con la idea de aprovechar el calor liberado en el proceso de
condensación.
El cálculo del estado de la bomba de recirculación es de la misma forma que el del
compresor, la diferencia radica en que hay que tener en cuenta las perdidas por fricción
que genera el serpentín. Esta caída de presión es medida directamente en el prototipo
y su valor es de OH hm2 por encima de la presión atmosférica.
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4.7 Tanque condensador.
El vapor sobrecalentado que viene del compresor llega al tanque condensador por una
manguera que esta llena de huecos, y que descarga el vapor en la parte inferior del
tanque para provocar condensación instantánea y así evitar las perdidas de vapor con
el exterior.
Para conocer su estado solo hace falta el flujo de salida de agua destilada, éste se
puede determinar usando primera ley, ya que conocemos el resto de flujos y estados
del tanque.
El modelo matemático es:
destiladaagua
entinsalidaserptadosobrecalenvaporpemtinentradaserdestiladaagua
vaportadosobrecalenvapor
destiladaaguaentinsalidaserptadosobrecalenvaporpemtinentradaser
m
hmhmhmh
Tenemosmm
hmhmhmhm
.
..
.
..
:
•
•••
••
••••
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅−⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅
=
=
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅=⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅+⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅
La presión a la que sale el agua destilada es presión atmosférica, por lo que ya se tiene
el estado definido.
4.8 Análisis General del Sistema.
En este segmento se pretende mostrar el modelo matemático de una manera más
general, y explicar como se deben hacer las iteraciones para llegar a los resultados
obtenidos.
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Para empezar hay que seleccionar un punto (estado) de partida que en este caso es el
estado del agua destilada, se usa éste ya que su presión es la presión atmosférica, y
su temperatura se asume de 92°C.
Figura 4–2 Diagrama funcionamiento prototipo.
El agua destilada pasa por el intercambiador y le cede calor al agua cruda que entra;
luego pasa por la válvula de expansión que permite una caída en la presión en un
proceso de entalpía constante; luego viene el evaporador, en éste lo primero que se
encuentra es la malla evaporativa, en la que debido a las presiones parciales se
generan dos flujos, el primero es el vapor que se desprende de la malla, y el segundo
es el agua que no se alcanza a evaporar y cae en el tanque evaporador; el vapor es
succionado por el compresor que le hace trabajo y lo conduce al tanque condensador
donde libera calor en el proceso de condensación y por último sale el agua destilada y
comienza nuevamente el ciclo, el agua en el evaporador es succionada por la bomba
recircularte y conducida a través de un serpentín de cobre dentro del tanque
Destilada
In te r.C alor
Vál.Expansión .
EvaporadorMa llaEvapora
Vapor Agua noEvaporo
PresionesParciales
Bom ba
C om presor Condensador DestiladaDestilada
In te r.C alor
Vál.Expansión .
Vál.Expansión .
EvaporadorEvaporadorMa llaEvapora
Ma llaEvapora
VaporVapor Agua noEvaporoAgua noEvaporo
PresionesParcialesPresionesParciales
Bom baBom ba
C om presorC om presor CondensadorCondensador
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condensador, este serpentín transmite el calor liberado en la condensación del vapor al
agua cruda, y luego ésta es devuelta al tanque evaporador con el calor suficiente para
evaporarse y hacer todo el ciclo hasta convertirse en agua destilada.
Al observar los resultados de las iteraciones teóricas, se observa que el modelo no se
estabiliza; ésto se debe a las perdidas de calor, ya que el sistema no es capaz de
entregar el calor necesario para la evaporación al agua cruda que está en el
evaporador. Por ejemplo las pérdidas de calor en el compresor son tan altas que en el
proceso de recirculación de la bomba el tanque evaporador es el que le cede calor al
evaporador.
Para solucionar lo anterior, se aísla el compresor con poliuretano rígido y se hacen
tomas de datos para ver el comportamiento real.
Para observar la robustez del sistema se le hace una adición de calor que eleva la
temperatura del agua antes de entrar al evaporador. Lo que se puede observar es que
el prototipo mantiene temperaturas altas por más tiempo, pero igual el evaporador se
vuelve la fuente de calor del proceso y no se cumple el objetivo de suministrarle el calor
necesario para la evaporación.
4.9 Comportamiento real del prototipo.
Antes de hacer la toma de datos se modificaron algunas partes del prototipo, que se
explican a continuación:
4.9.1 Modificación tapa del compresor.
En la tapa del compresor se presentan dos problemas. Las fugas que generan perdidas
de calor y de flujo, y problemas de fricción que desafortunadamente se relacionan con
las fugas de manera inversamente proporcional.
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Para reducir las fugas se maquino la tapa agrandando el espacio para el empaque,
ésto con el objetivo de usar un o`ring mas grande y confiable.
Figura 4–3 Forma inicial de la tapa del compresor.
Figura 4–4 Forma final de la tapa del compresor.
Con el objetivo de mejorar el sellamiento se adapto a la tapa un buje de bronce; éste
además cumple la función de apoyar mejor el prototipo, ya que las cargas de los
apoyos están ubicadas en los empaques del prototipo.
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Para hacer la selección del empaque se pueden tener en cuenta las velocidades, las
temperaturas, o bien, las dimensiones en las que va a trabajar. En este caso la
selección se hace por las dimensiones ya que las velocidades son relativamente bajas,
y la totalidad de los empaques soportan las temperaturas del proceso.
Figura 4–5 esquema de funcionamiento de un empaque.
El o`ring seleccionado fue:
Tabla– datos empaque seleccionado.
En los datos anteriores se caracteriza el empaque seleccionado, los números que
aparecen se refieren de izquierda a derecha; al material y al número de archivo, luego
a la función que van a desempeñar, luego se refiere a la dureza, y por ultimo el color.
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4.9.2 Aislamiento térmico del compresor
Figura 4–6 aislamiento del compresor.
Para minimizar las perdidas de calor con los alrededores y con el objetivo de evitar la
caída de temperatura que se presenta en el compresor, se le hace un recubrimiento en
poliuretano rígido de cm2 de espesor.
El proceso de recubrimiento se hace construyendo un recipiente para contener el
poliueratano que antes de reaccionar está en estado liquido, y luego crece ocupando el
espacio por el que esta limitado.
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Figura 4–7 Molde para aislamiento del compresor.
El recipiente es una caja de cartón en la que se vierte la mezcla liquida; esta mezcla
antes de reaccionar tiene una densidad aproximada de 3900
mkg
, y después de su
reacción, y dependiendo de la libertad que se le de para si crecimiento, puede llegar a
tener valores de densidad entre 35 y 365
mkg
.
4.9.3 Motor definitivo.
Con los motores se presentó un problema y es que no son lo suficientemente
poderosos para vencer los niveles de fricción que maneja el prototipo. Después de
desarmar el sistema y hacerle mantenimiento se presentó aumento en la fricción,
aumento que posiblemente se debe a la alineación del prototipo. Con el aumento en
fricción aumenta el requerimiento energético, requerimiento que el motor de 2 HP no
fue capaz de suministrar y se fundió. En las pruebas se fundieron 3 motores de este
estilo, por lo que se uso un motor de 3 HP asincrónico que suministró la potencia
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necesaria para el funcionamiento del prototipo. El acoplamiento del motor al prototipo
se hace de la misma forma que con los otros motores.
Figura 4–8 Acoplamiento del nuevo motor al prototipo.
4.10 Diseño del banco para la toma de datos.
El banco de pruebas se diseño para poder medir las propiedades que se necesitan en
el modelo matemático, y hacer una comparación entre el funcionamiento real y el
teórico.
Como el especto más relevante es la relación de transferencia de calores entre los dos
tanques, para hacer esta toma de datos se omiten los flujos de agua cruda y agua
destilada.
Las presiones son medidas directamente en metros de agua, y las temperaturas con
termocuplas.
4.11 Toma de datos.
Para tomar los datos fue necesario preparar el prototipo; realizando un
precalentamiento del agua en el evaporador; para lograrlo, lo que se hace es llenar de
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Página 75
agua fría el tanque condensador y el evaporador; cuando se cubre la totalidad del
serpentín de recirculación en el tanque condensador se introduce una resistencia
eléctrica que trabaja con 110V; se pone a calentar y al mismo tiempo se conecta la
bomba recircularte para que transfiera calor al tanque evaporador.
En este proceso el compresor esta desconectado ya que no queremos generar vació
en el evaporador, ni un desgaste innecesario en el compresor.
La bomba recircularte que se uso para hacer las pruebas es una bomba de 3.5 metros
de cabeza con el fin de evitar las cargas que la bomba de desplazamiento positivo le
genera al prototipo.
Figura 4–9 bomba utilizada en la toma de datos.
Cuando las temperaturas de los tanques superan los C°95 , se desconecta la
resistencia y se conecta el compresor dándole inicio al proceso y a la toma de datos
(Éstos datos se presentan más adelante, en este capítulo).
Como no podemos medir las propiedades dentro de los tanques tenemos que trabajar
con un delta de temperaturas ya que tenemos las temperaturas de las entradas y
salidas.
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4.12 Datos teóricos y prácticos
4.12.1 Datos teóricos:
Resultados teóricos para la primera iteración, sin adición de calor.
1 T3=92ºCIntercambiador de Calor#Iterac. IC Tho Tco Thi Tci Tavec Taveh Eficiencia
1 329.42 343.74 365.15 298.15 45.12 75.63 55.40%2 327.47 344.65 365.15 298.15 45.96 76.05 56.02%
Iteracion genera l
Valvula de ExpansionEstado P T H S v xantes de válvula 14.692 344.215 126.7 0.21784 0.01832 0después de válvula 13.301 344.215 126.7 0.21784 0.01832 0
EvaporadorDelta P Parciales Estado P T H S v x
0.8 Vapor 13.301 376.214 1945.32 1.954 29.89 100 # Iterac. EVAP
1 Estado P T H S v xserpentin out 13.301 365.451 161.154 0.27945 0.016987 0serpentin in 13.301 372.25 546.989 0.86984 12.123 39.87
cruda no evap 13.301 372.25 187.325 0.33654 0.30587 0.96322 Estado P T H S v x
serpentin out 13.301 360.784 158.256 0.28321 0.017564 0serpentin in 13.301 371.852 542.975 0.87465 11.981 36.369
cruda no evap 13.301 370.958 176.943 0.33254 0.16931 0.6544 Condensador
Estado P T H S v xCompresor 14.692 380.978 1549 1.897 27.984 100Serpentin 19.575 362.47 160.321 0.365 0.017123 0
Agua destilada 14.692 349.866 134.587 0.24897 0.016998 0 Para la segunda iteración se toma la temperatura del agua destilada 349.866K, y se
hace de nuevo toda la iteración, los resultados son: # iteración
2 T3=76.716ºCIntercambiador de Calor#Iterac. IC Tho Tco Thi Tci Tavec Taveh Eficiencia
1 344.321 322.894 349.866 298.15 309.5 345.196 58%2 318.012 323.756 349.866 298.15 311.021 331.729 56%3 317.652 323.874 349.866 298.15 310.456 331.694 56.34%
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Valvula de ExpansionEstado P T H S v x
Antes Válvula 14.692 325.258 94.65 0.18456 0.016987 0Después Valvula 13.301 325.258 94.65 0.18456 0.016987 0
EvaporadorDelta P Parciales Estado P T H S v x
0.74 Vapor 13.301 373.458 1548.3 18.245 30.04 100 # Iterac. EVAP
1 Estado P T H S v xserpentin out 13.301 360.465 158.632 0.28135 0.017945 0serpent in in 13.301 372.104 612.354 0.87985 11.929 37.524
cruda no evapo 13.301 372.104 235.124 0.33781 0.68412 2.8742 Estado P T H S v x
serpentin out 13.301 356.549 145.625 0.26125 0.016.987 0serpent in in 13.301 370.894 598.647 0.85973 11.991 38.514
cruda no evapo 13.301 370.894 175.039 0.31011 0.017214 0 Condensador
Estado P T H S v xCompresor 14.692 380.25 1645 1.987 28.198 100Serpentin 19.575 355.05 156.85 0.312 0.01764 0
Agua desti lada 14.692 331.125 102.065 0.1954 0.016946 0 Para la tercera y última iteración se hace lo mismo.
3 T3=57.975ºCIntercambiador de Calor# Iterac.IC Tho Tco Thi Tci Tavec Taveh Eficiencia
1 310.854 314.656 331.125 298.15 306.403 320.989 64.23%2 309.101 315.032 331.125 298.15 306.591 320.113 62.84%
Valvula de ExpansionEstado P T H S v x
Antes Válvula 14.692 314.987 75.369 0.14356 0.016758 0Después Válvula 14.692 314.987 75.369 0.14356 0.016758 0
EvaporadorDelta P Parciales Estado P T H S v x
0.2 Vapor 13.301 372.158 1.478 19.874 29.89 100 # Iterac EVAP
1 Estado P T H S v xSerpentin out 13.301 353.784 144.214 0.2654 0.0165 0Serpentin in 13.301 370.989 545.854 0.87 11.457 37.75
cruda no evapo 13.301 370.894 185.964 0.32021 0.3198 10.2312 Estado P T H S v x
Serpentin out 13.301 350.123 138.254 0.2541 0.01649 0Serpentin in 13.301 370.989 538.971 0.85259 11.213 37.67
cruda no evapo 13.301 370.778 175.364 0.3097 0.016712 0 Condesador
Estado P T H S v xCompresor 14.692 380.97 1384 1.985 28.12 100Serpentin 17.434 348.85 136.7 0.213 0.016012 0
Agua desti lada 14.692 316.45 80.54 0.142 0.015987 0
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A estas alturas de la iteración la temperatura del agua destilada es demasiado baja,
43.3ºC, por lo que no vale la pena seguir haciendo cálculos.
Para la parte de adición de calor, se cálcula la energía necesaria para calentar el agua
a aproximadamente 88.6ºC el agua que esta llegando al tanque evaporador. Después
de la respectiva transferencia de calor con el agua destilada, se hacen nuevamente los
cálculos con el modelo matemático para probar su coherencia, suponiendo esta
temperatura constante.
Datos primera iteración: 2 T3=85,43ºC
Intercambiador de Calor# Iterac. IC Tho Tco Thi Tci Tav ec Taveh Eficiencia
1 318.254 325.631 358.58 298.15 313.574 339.125 61.21%2 318.647 325.587 358.58 298.15 312.877 338.882 60.89%
Válvula de ExpansiónEstado P T H S v x
Salida I.C. 14.692 325.678 95.864 0.18145 0.016741 0Antes de Válvula 14.692 341.253 121.8 0.22533 0.016936 0Después Válvula 14.692 341.253 121.8 0.22533 0.016936 0
EvaporadorDelta P Parciales Estado P T H S v x
0.81 Vapor 13.301 371.259 1372 19.854 29.54 100 # Iterac. EVAP
1 Estado P T H S v xserpentin out 13.301 355.164 144.115 0.2528 0.01693 0serpentin in 13.301 370.893 528.36 0.83495 11.027 36.61
cruda no ev apo 13.301 360.747 157.664 0.28013 0.01679 02 Estado P T H S v x
serpentin out 13.301 353.681 144.124 0.2584 0.01653 0serpentin in 13.301 369.451 501 0.8432 0.1064 35.84
cruda no ev apo 13.301 360.028 156.632 0.2851 0.01616 0 Condensador
Estado P T H S v xCompresor 14.692 380.251 1352 1.945 27.84 100Serpentin 19.234 350.21 144.6 1.297 0.01712 0
Agua Destilada 14.692 344.71 128.1 0.22841 0.01673 0
Segunda iteración:
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1 T3=92,6ºCIntercambiador de Calor# Iterac. IC Tho Tco Thi Tci Tav ec Taveh Eficiencia
1 324.8 344.144 366.02 298.15 316.147 345.615 60.21%2 324.72 334.243 366.02 298.15 316.21 345.203 59.74%
Válvula de ExpansiónEstado P T H S v x
Salida I.C. 14.692 333.457 109.95 0.2054 0.01648 0Antes de Válvula 14.692 355.011 145.215 0.2613 0.01691 0Después Válvula 13.301 355.011 145.215 0.2613 0.01691 0
EvaporadorDelta P Parciales Estado P T H S v x
0.75 Vapor 13.301 370.377 1148.6 1.7648 29.54 100 # Iterac. EVAP
1 Estado P T H S v xserpentin out 13.301 353.867 144.12 0.2524 0.016783 0serpentin in 13.301 3.693.254 520.02 0.8196 10.415 35.363
cruda no ev apo 13.301 352.85 143.88 0.2577 0.016483 02 Estado P T H S v x
serpentin out 13.301 353.021 143.99 0.2524 0.016484 0serpentin in 13.301 369.451 501 0.8196 0.1064 35.84
cruda no ev apo 13.301 354.324 144.223 0.2577 0.01616 0 Condensador
Estado P T H S v xCompresor 14.692 379.5 1352 27.297 26.41 100Serpentin 19.234 352.866 144.6 0.016482 0.01712 0
Agua Destilada 14.692 356.99 128.1 0.016572 0.01673 0 Con los datos anteriores se puede observar el comportamiento del modelo matemático
con adición de calor
4.12.2 Datos prácticos:
A continuación se muestran tablas de la toma de datos reales del funcionamiento del
prototipo, las temperaturas de los tanques se determinan como el promedio de las
temperaturas que se miden en sus respectivas entradas y salidas de los diferentes
flujos.
Los datos del calentamiento no son verdaderamente importantes razón por la cual se
omiten.
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Ensayos mt agua mt agua centigr. centigr. centigr. centigr. centigr. centigr.1 Pbomba Pevap Tevap Tcond Tin Serp Tout Serp Tin Compr Tout Compr
3.5 1.7 92 95 90 92 90 903.5 1.8 91 95 88 91.5 89 89.53.5 1.8 91.5 94.5 89.5 92.3 90 90.53.5 1.7 91 95.2 90 92 91 903.5 1.8 90.5 95 90.1 91.6 90.2 89.53.5 1.8 90.7 94 90 91.5 89 893.5 1.8 91 93 89.7 91.3 90 903.5 1.8 90 93.5 88.9 91 89 883.5 1.8 89 92 88.3 90.5 89.5 883.5 0 87 90 87 89 88 73
2 Pbomba Pevap Tevap Tcond Tin Serp Tout Serp Tin Compr Tout Compr3.5 1.7 93 96 92 93 90 903.5 1.7 92 94 91.6 92 91.3 913.5 1.6 91.8 94.9 91.3 91.5 91.3 90.83.5 1.7 91.3 95 91 91 91 90.23.5 1.7 91 94.6 90 90.9 90.7 903.5 1.6 89 94 88.7 90.3 90.5 903.5 1.6 88.9 93.7 88.2 90 903.5 1.7 88.5 93.2 88 89.7 88 893.5 1.8 88 91 86.9 88 86.7 853.5 0 86 89 86 87.4 85 76
3 Pbomba Pevap Tevap Tcond Tin Serp Tout Serp Tin Compr Tout Compr3.5 1.8 94 96 90 92 94 943.5 1.85 93 95 91 92.5 93 93.73.5 1.8 92.5 94 91 91 91 933.5 1.9 89.3 93 89.7 91.4 91 933.5 1.8 89.1 92.5 89 89.8 91.5 92.63.5 1.7 88 92.3 88.1 89.2 90 923.5 1.7 87.7 91.9 87 88.5 89.7 91.53.5 1.8 87.5 92 87.1 88 88 90.83.5 1.8 87 92.5 89.9 87 87.9 903.5 0 83.2 87 82 83 86 78
4.13 Análisis de Datos.
Haciendo una comparación con los datos que ya existian del prototipo,
satisfactoriamente podemos darnos cuenta que las perdidas de calor han disminuido
considerablemente. Este hecho es atribuido al aislamiento del compresor que logró
minimizar la perdida con los alrededores.
También se puede apreciar que el ajuste al modelo teórico en el que se hace un
estudio mas profundo del comportamiento de las presiones parciales en el tanque
evaporador, hace que el valor del flujo másico de vapor varié a medida que hay
cambios en la temperatura, y aunque este flujo disminuye con la caída de la
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Página 81
temperatura, también presenta valores mayores cuando se manejan altas
temperaturas; lo que se ve reflejado en un enfriamiento más lento, y por consiguiente la
fuente de calor externa que es necesaria para el funcionamiento del prototipo se ve
reducida a W5.25 (se ve reducida ya que se necesita menos energía para llegar a
88.6ºC, porque la temperatura que se obtiene es mayor), además de un aumento en la
eficiencia que será mostrado mas adelante.
En los datos de las pruebas reales se puede observar un comportamiento razonable,
debido a las mejoras físicas del prototipo; el aspecto más relevante es el aumento en
las temperaturas, aunque no se le suministra agua a temperaturas menores a las que
esta el evaporador, razón por la cual el sistema es estable, siempre y cuando
permanezca conectada la resistencia. En el momento en que se retira la fuente externa
de calor, el prototipo se desestabiliza y se presenta una caída en las temperaturas.
La presión de la bomba en este caso es constante y su valor es OHm2
5.3 ; mientras que
la presión de vació es aproximadamente OHm2
8.1 .
4.14 Eficiencias Termodinámicas.
Le eficiencia se puede obtener estableciendo una relación entre la energía que se le
entrega al sistema y la energía que entrega el sistema. Esto quiere decir que se
pueden expresar tanto la eficiencia del modelo matemático, como la eficiencia del
funcionamiento real del prototipo.
Para referenciar la eficiencia únicamente a la diferencia de temperaturas en los tanques
es necesario asumir que los procesos son adiabáticos y reversibles.
La eficiencia de Carnot para el modelo matemático se define:
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Página 82
%501
6.88
17.84
=−=
°=
°=
rcondensado
evaporador
rcondensado
evaporador
TT
tc
CT
CT
η
La eficiencia de Carnot para el funcionamiento real del prototipo se define:
%411
92
228.88
=−=
°=
°=
rcondensado
evaporador
rcondensado
evaporador
TT
tc
CT
CT
η
4.15 Cuantificación de la fricción del prototipo.
Para determinar la fricción lo que se hace es basarnos en la energía consumida por el
sistema.
Para que el proceso de medición sea lo más aproximado posible, se debe humedeció
un poco el sistema ya que con esto se suaviza y disminuye la fricción; luego se
desconectaron los tanques para medir la medida de la energía que consume única y
exclusivamente en mover el prototipo.
Esta medida de energía se hace con unas pinzas que miden la corriente que pasa por
el cable del motor, y sabiendo el voltaje al que trabaja éste entonces podemos hacer
una estimación de la potencia, ya que IVPot ×= .
Este análisis se repitió tanto para el prototipo sin tanques ni fluidos, como para el
prototipo funcionando completamente, y los resultados obtenidos fueron:
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Página 83
AfriccionporcorrientelaWfriccionsoloeninvertidaPotencia
9.6....828....
==
De lo anterior se puede ver que se está gastando aproximadamente 1.1HP en solo
fricción. Es imperativo disminuir la fricción del prototipo ya que idealmente debe trabajar
con un motor de 0.25HP. Mientras no se disminuya la fricción este proceso requerirá
demasiada energía, razón por la cual no es competitivo con los demás métodos de
potabilizacion de agua.
El consumo de la energía del prototipo funcionando con todas sus partes activas es.
ACorrienteWtotalconsumidaPot
4.7888..
==
De lo anterior se puede concluir que si usamos un tiempo de segundos864 , que es el
tiempo necesario para producir un litro de agua destilada; y hacemos la resta de las
potencias anteriores, la energía necesaria por litro de agua destilada es:
litroWprocesoPot /60. = Es interesante ver que la mayor parte de la energía, el 93.24% se invierte
exclusivamente en fricción. Definitivamente la investigación en este proceso debe
hacerse enfocada en la reducción de la fricción del sistema para poder ser
competitivos.
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Página 84
CAPÍTULO 5: ACCIONAMIENTO CON ENERGÍA EÓLICA.
Antes de hablar de las diferentes opciones que se tienen de accionar el sistema
propuesto con energía eólica, quisiera hacer una breve introducción en lo que a
energía eólica se refiere.
La energía eólica o del viento, utilizada por cientos de años, es preferiblemente usada
en labores agrícolas como la molienda de grano, bombeo de agua y otras aplicaciones
mecánicas.
En la actualidad, existe alrededor del mundo, un número apreciable de equipos eólicos
instalados y en operación para labores de extracción y bombeo de agua.
Mientras el viento seguirá siendo utilizado para labores agrícolas, el uso de la energía
eólica como fuente energética, libre de polución para suministro de electricidad, es una
alternativa atractiva que en los últimos años ha tenido un enorme crecimiento a escala
mundial.
La idea de usar energía eólica para accionar el sistema, viene de la necesidad de
obtener un proceso que use única y exclusivamente energías renovables; para proveer
a ciertas poblaciones el servicio de agua potable en donde normalmente esto no es
posible y en donde no se cuenta con un uso adecuado del recurso eólico.
Este caso, es por ejemplo el de la Costa Atlántica Colombiana, más exactamente la
guajira, en donde el recurso hídrico potable es escaso, los recursos eólico y solar son
buenos.
Apoyados en lo anterior, los cálculos que se van a realizar en este capítulo se harán
con base en la información que se tiene acerca de los vientos en esta zona para así
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Página 85
evaluar las diferente opciones que tenemos de accionar el mecanismo usando energía
eólica.
Al ser evaluadas tres alternativas viables para el accionamiento del sistema por energía
eólica; surgen requerimientos en el acoplamiento del rotor eólico y el movimiento
rotacional al sistema potabilizador.
La primera opción es usar un rotor lento. Estos rotores son los característicos del
bombeo de agua, y son ideales para nuestro propósito, ya que tienen un muy buen
torque y baja velocidad.
El problema que se tiene con la primera opción es que como este rotor es más pesado
porque el número de aspas es mucho mayor que el de alta velocidad, requiere de una
torre más elaborada, Esta puede ser copiada del diseño que usan los molinos para
bombeo de agua que normalmente se usan con un fin agrícola.
Si se hace una torre lo suficientemente resistente, el problema de transmitir el
movimiento se ve simplificado, ya que a la parte inferior de la torre se puede adaptar el
sistema potabilizador; claro está que ya no seria de forma horizontal sino vertical, y se
transmitiría directamente como se hace con los molinos de bombeo de agua; el único
aspecto relevante en este caso consiste en tener cuidado en proporcionar la carrera
necesaria para los pistones, (en este caso es de 20) centímetros, valor que se
encuentra dentro del rango de operación de estos molinos.
La segunda opción es la de generar la energía eléctrica necesaria para prender un
motor eléctrico que accione el mecanismo, y así el acople sería el mismo que se está
usando actualmente. En este caso el problema es el costo de los dispositivos
necesarios para el manejo y transformación de energía, debido a que hay que
garantizar que el proceso sea seguro, y que la energía que llegue sea estable, tambien
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que la corriente tenga una frecuencia establecida e invariante; esto se vera reflejado en
el costo del generador eólico. Aunque esta es una solución adecuada ya que el origen
de toda la energía usada en el proceso es la energía eólica, nos damos cuenta que el
hecho de encender un motor eléctrico rompe un poco con el encanto de hacer que todo
funcione de un manera netamente mecánica, y la idea de trabajar única y
exclusivamente con energías renovables se ve afectada.
5.1 El recurso Eólico.
El viento es aire en movimiento y es una forma indirecta de energía solar. La energía
eólica es entonces la energía cinética de las masas de aire en movimiento gracias al
calentamiento y la rotación de la tierra; el sol calienta el aire de manera que cambia su
densidad originando una reorganización de las masas de aire que acompañadas de la
humedad que toman de las diferentes fuentes en el planeta, conforman lo que se
puede denominar como el régimen climatológico del mundo.
Así como existe un análisis de las masas de aire a nivel macro, también es posible un
análisis más cercano a la superficie, en donde con la ayuda de anemómetros se puede
hacer un estudio estadístico del comportamiento de la velocidad y dirección del viento
en una zona, con un relieve y a una altura determinados.
Uno de estos estudios estadísticos del recurso eólico en zonas específicas es el que
vamos a emplear en la selección de los equipos eólicos. Estamos hablando de las
velocidades del viento en la Guajira Colombia; en donde se realizo un estudio con el
propósito de montar la granja eólica de Jepirachi que ya se encuentra en
funcionamiento y que tiene la capacidad de generar 19MW.
Existen tres componentes del viento que determinan la energía disponible en el viento,
la velocidad, la dirección y en menor grado la densidad.
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Antes de entrar en materia se ilustra al lector en algunos términos que se van a utilizar
a lo largo del capítulo.
Rotor eólico: dispositivo basado en alabes aerodinámicos, que accionado por el viento
transforma la energía eólica en energía mecánica rotacional.
Velocidad especifica de diseño ( )dλ : Velocidad a la cual el rotor eólico desarrolla su
máxima potencia, es decir que a esta velocidad extrae la máxima energía del viento.
Velocidad de diseño ( )λ : Relación entre la velocidad en la punta de las aspas y la
velocidad del viento.
Velocidad promedio anual del viento: el valor de velocidad resultante de calcular el
promedio horario anual medido por un anemómetro.
Velocidad de viento de diseño ( )dV : Velocidad del viento a la cual el generador opera a
su máxima eficiencia de conversión de energía.
Los datos esperados que se tienen de velocidad de viento son los siguientes:
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Tabla de velocidades promedio (tomada de. Guía para la utilización de energía eólica
para la generación de energía eléctrica).
Del libro texto guía del curso electivo “energía eólica”, (Notas de energía eólica – Álvaro
Pinilla, Departamento de ingeniería mecánica, Universidad de los Andes), se toma el
valor de velocidad promedio del viento a una altura de 10 metros la cual es
aproximadamente sm8.5
; este será el valor que usaremos para seleccionar los
equipos eólicos que vamos a examinar en este capítulo.
Todos los cálculos que se presentan a continuación se basan en los consumos
energéticos calculados anteriormente.
5.2 Uso de energía eólica para mover directamente el prototipo.
En este caso lo que se hace es una aproximación del cálculo usado para bombeo de
agua por medio de molinos de viento.
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Debido a los altos niveles de fricción que se manejan, se debe usar un molino que sea
capaz de mover el mecanismo sin problema.
El molino diseñado desarrollará un trabajo que sea capaz de bombear 503m de agua
diarios a una altura de 30 metros; esto equivale a una potencia de 1.6KW que es
pertinente ya que se esta usando un factor de seguridad de 2.
Las formulas y la teoría para hacer este diseño fueron sacadas de el libro (Apuntes de
Energía Eólica, Álvaro Pinilla), y se muestran a continuación:
Básicamente lo que se hace es averiguar cuanta energía es necesaria para suplir las
necesidades previamente establecidas, y luego se calcula el área del rotor que
depende entre otros factores de la velocidad del viento; ya cuando se tiene el área
entonces se hace una aproximación del costo por metro cuadrado de rotor.
El costo de los equipos eólicos es relativamente alto, pero las labores de
mantenimiento son económicas ya que el aire no se paga; y con el tiempo su costo es
recuperado mostrando un comportamiento favorable.
Si se logra reducir la fricción generada en el funcionamiento del prototipo, entonces
disminuyen los requisitos energéticos, esto hace que el área del rotor sea menor y
diahidrKWh
diamm
diam )(4150030*50
43
==
W166244
= =Pot hidraulica AVprom *)(1.0 3=
A= 8.5 2m , 450 dólares por 2m 3828 dólares.
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entonces su precio disminuye. Cada metro cuadrado de rotor cuesta aproximadamente
450 dólares.
Los costos de instalación ya están incluidos en los 450 dólares, y el acoplamiento se
hace en la misma torre.
5.2.1 Acople del molino con el prototipo.
Este molino transforma la energía del viento en energía mecánica rotacional, que
posteriormente gracias a un sistema biela manivela se convierte en un movimiento
reciprocante que es el ideal para nuestro prototipo.
La cuerda promedio que se usa en estos equipos es de 20cm, lo que nos permite
acoplar directamente el molino al prototipo. La idea es que se acopla el prototipo a la
torre del molino; es claro que el equipo va a estar vertical.
No se sabe que consecuencias traiga cambiar la posición del prototipo, pero seria
interesante hacer la investigación pertinente.
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5.3 Uso de la energía eólica para generar energía eléctrica y accionar el prototipo.
Figura 5–1 Rotor Whisper 175.
En este caso lo que se busca ya no es un molino que mueva de una manera mecánica
el prototipo. Los generadores eólicos son molinos que operan con el objetivo de
transformar energía eólica en energía eléctrica; esto se logra gracias a que su diseño
esta enfocado en lograr la máxima velocidad, y así, aprovechar al máximo la energía
que tiene el aire en movimiento.
La selección se hace estimando la potencia que se quiere generar, y se hace la
búsqueda de un equipo eólico que cumpla con las expectativas.
Ya que la eficiencia de estos equipos en el mejor de los casos se encuentra entre el
50% y 60%, la potencia requerida es de 3600W. También es necesario que el equipo
sea capaz de generar potencias de alto voltaje, porque va a ser el encargado de
alimentar el motor.
El equipo seleccionado es:
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Whisper 175 (alto voltaje), 3200w de potencia nominal, K=3,
Velocidad de diseño = 12m/s, Velocidad promedio Guajira = 5.8m/s.
Vr/Vprom = 2.15, FP=0.35, Pot real = 1120W.
El diámetro del rotor es de 4.5 metros, el peso de la torre es de 70Kg, y su vida útil es
de 20 años.
El costo de este equipo puede oscilar entre 6000 y 7200 dólares que dependen de la
calidad de los equipos necesarios para hacer la conversión y transmisión de energía.
5.3.1 Acople del generador con el prototipo.
En este caso el acople es relativamente sencillo ya que lo que se debe hacer después
de la instalación del equipo es conectar el motor eléctrico al generador.
Aunque esta solución parece viable, se sale del accionamiento mecánico que es uno
de los atractivos del prototipo.
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CAPÍTULO 6: PLANOS Y MANUAL DE ENSAMBLE.
6.1 Procedimiento de Ensamble. el proceso de ensamble junto con las anotaciones pertinentes para lograr un buen
funcionamiento del prototipo, se presentan en el anexo B.
6.2 Planos del Prototipo.
Los planos del prototipo se presentan en el anexo C.
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CAPUTILO 7: DISEÑO, RECOMENDACIONES Y
CONCLUSIONES.
En este capitulo se muestra el diseño de la válvula de desechos del tanque evaporador
y los cambios propuestos para el eje con el fin de facilitar su ensamble; se propone el
uso de un calentador solar como fuente de calor, y se presentan las conclusiones.
7.1 Diseño de válvula para desechos del evaporador.
Hasta el momento en el funcionamiento del tanque evaporador no se a mencionado
que se va a hacer con los desechos; cuando el proceso lleve un buen tiempo
funcionando es natural pensar que el agua del fondo va a tener altos niveles de
contaminación, o en el caso del agua de mar va a estar sobresaturada de sal; esto nos
indica que debe de existir un método de evacuación de desechos que evite que el
tanque evaporador se llene de contaminantes.
La solución que se plantea se basa en la estática de fluidos; tendrá en cuenta la
presión estática del agua cruda dentro del tanque evaporador que se da por la
siguiente ecuación:
ghPstat ρ=
El principio del accionamiento es relativamente simple; de antemano sabemos que a
medida que aumenta la sal en el agua, aumenta su densidad; esto garantiza que los
desechos se concentren en la parte inferior del tanque evaporador. La ubicación de la
válvula es en la parte inferior del tanque evaporador.
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Se utiliza la presión estática del agua; que depende directamente de la altura, la
densidad, y la gravedad. La densidad y la gravedad se asumen constantes y la altura
del nivel del agua va a ser nuestra variable importante.
Al mismo tiempo la presión estática del agua va a ser enfrentada a la presión que
genera un resorte sobre un tapón; que se rige por la ecuación:
kXF =
Esta fuerza dividida entre el área del tapón es la presión que ejerce el tapón sobre el
agua.
Con estos datos se igualan las ecuaciones, se escoge la altura a la que se quiere que
se mueva el resorte, la distancia que se quiere que se deslice, y se despeja la
constante k del resorte Esto con el objetivo de que cuando el agua alcance el nivel
deseado, la presión hidrostática se mayor que la generada por el resorte y el tapón,
causando así un desplazamiento en el resorte que permita la evacuación de desechos
por un hueco que cubre el tapón antes de deslizarse.
Los cálculos pertinentes son:
31000m
kg=ρ , 28.9s
mg =
se plantea la siguiente igualdad
taponAreakXgh ./=ρ
El tubo cilindro de la válvula se selecciono de 2 in, por lo que el área del tapón es
( ) 22 00202.00508.04
mmA ==π
y asumimos que el desplazamiento debe ser de 15cm, se obtiene la constante k del
resorte necesario para la válvula. Usando la información anterior se tiene que:
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( )
( )m
msm
mkgh
km
sm
mkg
mkh
mmkhsm
mkg
mantieneseigualdadLa
1.0
00202.08.91000
00202.08.91000
1.0
00202.0/1.08.91000
.......
223
223
223
×××=⇒
××=
=××
El paso a seguir es definir un valor para h, y esto nos arroja la constate del resorte.
Como ejemplo, si se define un h de 30cm, la constante k del resorte debe ser de
40sm
kg2 . Esta constante debe ser menor ya que el sistema tiene friccion.
Figura 7–1 Válvula de desechos.
7.2 Diseño del eje para facilitar ensamble. El problema que se tiene al ensamblar el eje consiste en que este tiene rosca fina, y las
terminaciones de las partes se deterioran; además le hace falta una guía para conducir
las partes y es realmente tedioso lograr que encajen.
Por esta razón se diseño un nuevo tipo de acople entre las partes del eje que consiste
en una guía. Este esta diseñado pensando en la dificultad que tiene el operador de ver
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lo que esta haciendo, y simplemente con unir las puntas del eje, las cosas se le
facilitan.
Figura 7–2 Eje modificado.
7.3 Recomendaciones.
7.3.1 Número de serpentines en el condensador. Este cambio se hace con el objetivo de disminuir las pérdidas de energía generadas
por fricción en el serpentín del tanque condensador.
Basándose en un análisis de resistencias, es fácil concluir que si se aumenta el número
de serpentines y se ponen en paralelo, la resistencia equivalente es menor que las que
se tienen. Así se reducen requerimientos de energía en la bomba recircularte.
7.3.2 Uso de calentador solar. Pensando en la fuente de calor necesario para que el prototipo funcione, y sin olvidar
que uno de los objetivos del proyecto es el uso de energías renovables; se plantea el
uso de un calentador solar.
El ideal es el calentador solar de tubos al vació para lo cual hay muchos proveedores a
nivel internacional; estos básicamente consisten en tubos de vidrio de unas 3 o 4 in de
diámetro con un pequeño colector en su interior que consiste en un tubo con su aleta
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de superficie negra selectiva y vacío dentro del tubo de vidrio. Este tipo de colector
trabaja bien a temperaturas hasta de 130 ºC. También existen colectores con
reflectores internos a manera de concentradores fijos. Un buen diseño de calentador
podría operar entre 110 y 120°C, y tendría una eficiencia promedio de 35%. La
temperatura media durante el día a la que se podría elevar el agua seria de 42°C.
Lo anterior con el objetivo de hacer un precalentamiento del agua para que los
procesos de transferencia de calor sean más eficientes; y facilitar el funcionamiento del
prototipo.
7.4 Conclusiones. • Es necesario replantear el diseño del prototipo, en el sentido de evitar tanta fricción,
ya que demanda una gran cantidad de energía que no lo hace viable
económicamente. En el prototipo actual se invierte el 93% de la energía en fricción.
El pequeño porcentaje de energía necesario para el proceso sin accionamiento, es
de 62 W.
• El sistema de tratamiento de desechos que tiene el tanque evaporador debe estar
relacionado con la entrada de agua cruda al evaporador y la salida de agua
destilada en el condensador, ya que de esto depende el nivel de los tanques, y que
el proceso se pueda llevar a cabo pertinentemente.
• La investigación en procesos potabilizadores de agua es interesante ya que su
propósito es de interés mundial, debido a el agitación de recursos hídricos y el mal
uso que se hace del agua.
• Otro aspecto interesante es el desarrollo de mecanismos que funcionen con
energías renovables, ya que abre un mundo de posibilidades, y se ahorra energía.
• Los lugares para los cuales esta diseñado este prototipo son los que
preferiblemente se encuentran a nivel del mar; que el clima sea caliente, y el
régimen de vientos o el recurso eólico sea adecuado (de 6 m/s en adelante); en
este proyecto se asumieron valores climáticos referentes a la Guajira Colombia, ya
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que los datos climáticos son proporcionados por el IDEAM (Instituto de estudios
ambientales y meteorológicos).
• El modelo matemático ajustado hace una mejor descripción del proceso real, ya que
se hace un manejo más minucioso de las presiones parciales presentes en el
tanque evaporador.
• El aislamiento del compresor arrojó resultados satisfactorios ya que la taza de
disminución de temperatura cambio favorablemente, y con la adición de calor el
sistema se comporta estable, es decir, converge a un valor de operación adecuado.
• Los cambios físicos en le tapa del compresor y en el soporte del prototipo no
representaron una variación importante en los resultados que arrojaron los cálculos.
Ya.
• No es preciso pensar en mejorar este diseño, lo que hay que hacer es un
replanteamiento completo; la idea original funciona, lo que hay que cambiar son los
aparatos con los que se pretende hacer el proceso.
• Debido a los altos niveles de fricción del prototipo, un motor eléctrico de 2 HP no es
suficiente, se conectaron 3 motores eléctricos de 2 HP y todos se fundieron. Se
conecta entonces un motor eléctrico de 3 HP, y con este se toman los datos. El
objetivo es que el prototipo funcione con un motor de ¼ HP para que sea eficiente.
Lo que concluye que se debe rediseñar el prototipo.
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BIBLIOGRAFIA
Marks. (1991) Manual del Ingeniero Mecánico tomo 1.
Rafael G. Beltran P. Principios de Aire Acondicionado.
Álvaro Pinilla. (2004). Notas del curso Energía Eólica.
J.L. Meriam and L.G. Kraige. (2000). Dynamics.
Frank P. Incropera y David P. De Witt. (1999). Fundamentos de Transferencia de Calor.
Sonntag. Borgnakke. Van Mylen. (1998). Fundamentals of Thermodynamics.
Robert L. Street. (1996). Elementary Fluid Mechanics.
http://www.excelwater.com/spa/b2c/about.php
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Página 101
ANEXOS Tabla tomada de http://www.excelwater.com/spa/b2c/about.php.
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Estándares de Calidad del Agua Potable Estándares del Reglamento Nacional Primario de Agua Potable
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
Contaminante MNMC 1
(mg/l) 4 NMC 2
o TT 3(mg/l)4 Posibles efectos sobre la salud por exposición que
supere el NMC
Fuentes de contaminación
comunes en agua potable
Químicos Inorgánicos A ntimonio 0 .006 0 .006 A umento de coles terol en
sangre; descenso de azúcaren sangre (aumento de coles terolhemia; hipoglucemia).
E fluentes de refineríasde petróleo; retardadores de fuego;cerámicas; productoselec trónicos; soldaduras .
A rsénico ninguno5 0 .05 Les iones en la piel; tras tornos c irculatorios; altoriesgo de cáncer.
E ros ión de depós itosnaturales ; agua de escorrentía de huertos;aguas con res iduos defabricac ión de vidrio yproduc tos electrónicos.
A sbes tos (fibras >10 mic rómetros)
7 millonesde fibraspor litro(MFL)
7 MFL A lto riesgo de desarrollar pólipos intestinales benignos.
Deterioro de cementoamiantado (fibrocemento) en cañerías principales deagua; eros ión de depós itos naturales .
Bario 2 2 A umento de pres ión arterial. A guas con residuos deperforac iones; efluentesde refinerías de metales ; eros ión de depós itos naturales .
Berilio 0 .004 0 .004 Les iones intes tinales . E fluentes de refineríasde metales y fábricasque emplean carbón; efluentes de industriaseléc tricas , aeroespac iales y de defensa.
C admio 0 .005 0 .005 Les iones renales . C orros ión de tubos galvanizados; erosiónde depós itos naturales;efluentes de refineríasde metales ; líquidos deescorrentía de bateríasusadas y de pinturas.
C romo (total) 0 .1 0 .1 Dermatitis alérgica. E fluentes de fábricas deacero y papel; erosiónde depós itos naturales.
C obre 1 .3 N ivel de acc ión=1.3; TT 6
Expos ic ión a corto plazo: moles tias gastrointestinales.Expos ic ión a largo plazo: les iones hepáticas o renales.A quellos con enfermedad deWilson deben consultar a sumédico s i la cantidad de cobre en el agua superara elnivel de acc ión.
C orros ión de cañeríasen el hogar; erosión dedepós itos naturales ; percolado de conservantes de madera.
C ianuro (como c ianuro libre)
0 .2 0 .2 Les iones en sistema nerviosoo problemas de tiroides
E fluentes de fábricas deacero y metales ; efluentes de fábricas deplás ticos y fertilizantes
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ANEXO 2. Manual de Ensamble:
A continuación se presenten las consideraciones para hacer un ensamble correcto del
prototipo.
Los pasos para ensamblar el compresor son:
• Colocar los empaques en las ranuras del pistón del compresor.
• Insertar el pistón en el cilindro.
• Asegurar el cilindro con las dos tapas.
• Introducir los 4 espárragos y asegurarlos de tal forma que las tapas queden
paralelas.
• Enroscar el acople con los empaques.
• Y finalmente conectar la tubería usando la manguera negra.
Lo anterior se puede ver claramente en la siguiente figura:
El resultado debe ser el siguiente:
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El paso a seguir es ensamblar la bomba:
• Coloque los empaques en el pistón.
• Inserte el pistón en el cilindro de la bomba; tenga cuidado ya que el eje y el pistón
vienen previamente pegados. No intente despegarlos.
• Acople el cilindro con las tapas.
• Inserte los espárragos y asegure la bomba de tal forma que las tapas queden
paralelas.
• Una las tuberías enroscándolas.
El proceso se puede apreciar en la siguiente figura:
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El resultado debe ser el siguiente:
El prototipo tiene un soporte en el cual están acoplados el motor, el reductor, y el
mecanismo.
Ahora ponga el compresor sobre la base e introduzca el eje por el acople que contiene
los empaques. Asegure el compresor con los 4 tornillos inferiores.
Acople la pieza que sostiene la bomba con la bomba como se ve en la siguiente figura.
Antes de unir la bomba y el compresor hay que unir el eje. Se toma el eje que sale de
la bomba y se introduce en el compresor; cuando se siente contacto entre las puntas
del eje se gira el que viene de la bomba con el fin de enroscarlo en la otra mitad. Estas
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dos partes del eje tienen como función ajustar el pistón dentro del compresor de la
siguiente manera:
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Acople la bomba con base con el compresor, usando los 2 tornillos así:
Ahora prenda el motor y compruebe la succión y la descarga tanto de la bomba como
del compresor, con el fin de conectar los tanques adecuadamente.
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ANEXO 3. PLANOS. Ahora se presentan los planos de la bomba.
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Ahora se presentan las piezas del compresor:
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