UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA

FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

PRÁCTICA N°1

TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN DESTILADOR SOLAR

Curso : Costos y Presupuestos

Docente : Ing. MSc. Paredes Salazar, José Luis

Alumnos : Huata Espinoza, Janela

Jara Vigo, Mark Antoni

Laurencio Ichpas, Caleb

Tarazona Matos, Vladimir

Tolentino Masgo, Ana

Ciclo académico : 2019-II

Fecha de entrega : 20/09/2019

Tingo María-Perú
23 de septiembre
 I. INTRODUCCIÓN

Existe una problemática a nivel global sobre el aprovechamiento del

recurso hidrológico para la subsistencia y las actividades humanas. Según el Programa

de Aguas de las Naciones Unidas (UNESCO), en el 2012 casi 800 millones de

personas alrededor del mundo no tienen acceso a agua potable y cerca de 3.000

millones no cuentan con servicios de sanitación básicos, resultado directo de la

problemática del agua.

Esto ha conllevado a la búsqueda de nuevas tecnologías para la obtención

de dicho recurso. Las industrias que son afectadas directamente se han visto obligadas

a implementar determinadas tecnologías para la obtención de agua dulce a partir de

agua no potable o salada, y este ha sido el caso de algunas industrias asentadas en

las zonas costeras o agrícolas. (OLIVA, 2001)

Estas industrias deben optar por un método eficiente, de bajo costo y

menos contaminante para satisfacer sus requerimientos, tanto industrial como para el

consumo humano. Existen varios métodos de destilación desarrollados para la

tecnología de la desalinización del agua, el método de la destilación solar aparece

como uno de los más prácticos y económicos, especialmente para la producción

masiva de agua dulce de alta salinidad como el agua de mar.

 El principio básico de la desalinización solar es el efecto invernadero,

dependiendo de la radiación solar y la velocidad del viento, una fracción del agua

salada se condensa en la cara interior y por medio de una determinada inclinación, el

agua libre de sales cae en un recipiente para ser almacenada. (CERVANTES, 2013)

1.1. Objetivos

 Medir paralelamente el volumen del agua que se genera con una probeta

cada hora de exposición solar, por hora, por un periodo de 6 horas.

 Calcular el coeficiente de transferencia de calor por evaporación del agua, en

el destilador solar, por hora, por un periodo de 6 horas.

 Graficar, comparar e interpretar, la temperatura del valor con el coeficiente

de transferencia calor obtenidos en la practica

 II. REVISION DE LITERATURA

2.1. Radiación solar (Transferencia De Calor)

La energía solar resulta del proceso de fusión nuclear que tiene lugar en

el sol. La energía solar es el motor que mueve nuestro medio ambiente, llega a la

superficie terrestre 10.000 veces mayor que la energía consumida actualmente por

toda la humanidad. La radiación solar es la trasferencia de energía por ondas

electromagnéticas y se produce directamente desde la fuente hacia fuera en todas las

direcciones. Estas ondas no necesitan un medio material para propagarse, pueden

atravesar el espacio interplanetario y llegar a la Tierra desde el Sol (MINISTERIO DEL

AMBIENTE DE ESPAÑA, 2015)

2.2. Evaporación

Es el proceso por el cual el agua pasa del estado líquido o sólido al estado

gaseoso mediante la transferencia de energía calórica. En el ciclo hidrológico la

evaporación es un proceso importante, hasta el punto de que, a nivel continental, entre

un 70% y un 75% de la precipitación anual total retorna a la atmósfera por evaporación

y transpiración. En climas cálidos, la pérdida de agua por evaporación en ríos, canales

y equipos de almacenamiento de agua a cielo abierto es de vital importancia, ya que

la evaporación detrae una proporción considerable del suministro total de agua

(INTRIAGO, J. ZAMBRANO, D. 2017).

2.3. Destilación

Es un procedimiento de purificación de agua de alta efectividad que se ha

comprobado durante mucho tiempo y que consiste en tratar el agua hasta su

evaporación, y una vez que el vapor se ha condensado, se lo recoge obteniendo agua

pura (MONTOYA P, 2009).

2.4. Destilador solar

Es un dispositivo que usa la energía de sol para purificar el agua.

Eliminando microorganismos, sales, bacterias, metales pesados e impurezas. Este

proceso consiste en evaporar el agua del recipiente y luego lo condensa, donde se

obtiene el agua purificada (INTRIAGO, J. ZAMBRANO, D. 2017).

El destilador solar requiere un elemento que transforme la energía solar

en un incremento de temperatura del agua para poder evaporarla, la radiación solar es

absorbida por cualquier superficie de color oscuro de preferencia negro, se lo usa para

lograr una mejor absorción. Para evitar pérdidas de calor, es importante que el

alambique este aislado térmicamente por la parte inferior (INTRIAGO, J. ZAMBRANO,

D. 2017).
 2.4.1 Tipos de destiladores

Una gran variedad de diseños de destiladores solares, aunque en todos

ellos opera el mismo principio. A continuación, se describen algunos tipos:

2.4.1.1 Destilador tipo caseta

Este destilador consiste en una pila hermética de forma rectangular, poco

profunda y con el fondo color negro. La cubierta superior es transparente para la

energía solar y generalmente es de vidrio. La radiación que llega a la superficie negra

se transforma en calor, aumentando la temperatura del agua salobre hasta llegar a la

evaporación, el vapor formado queda en el dispositivo (INTRIAGO, J. ZAMBRANO, D.

2017).

La energía solar convertida en calorífica queda atrapada en el interior del

destilador debido a que impide la salida de la emisión infrarroja del agua caliente; y

también evita que salga el aire húmedo atrapado en el destilador. El transporte de

masa entre el evaporador y el condensador en principalmente por difusión del vapor

de agua en el aire, la cubierta tiene una inclinación hacia uno o varios canales

recolectores (INTRIAGO, J. ZAMBRANO, D. 2017).

 a) funcionamiento de un destilador

El empleo de los destiladores supone en esencia reproducir en pequeñas

escalas el ciclo natural del agua. El principal funcionamiento del destilador solar es una

caja contenedora con fondo de color negro donde se vierte el agua contaminada que

se va a destilar cerrando este espacio se coloca una superficie transparente que de

paso a la radiación solar esto provoca el efecto invernadero al tiempo que también

retiene la humedad (INTRIAGO, J. ZAMBRANO, D. 2017).

La radiación solar hace contacto con el recipiente negro así logrando

elevar la temperatura del recipiente de agua en su interior y del aire favoreciendo la

evaporación. De esta manera en el interior del destilador se crea una atmosfera muy

calidad y saturada de humada. El vapor de agua asciende entonces por convección

hasta topar con la superficie transparente, que por estar en contacto con el exterior

está a una temperatura más fría que el resto del destilador. En esta superficie se
condensa el agua formando pequeñas gotas. La superficie transparente está dispuesta

de manera adecuada para favorecer que las gotas, conforme continúa el proceso y

van aumentando de tamaño, fluyan hacia un recipiente donde se recoge toda el agua

destilada (INTRIAGO, J. ZAMBRANO, D. 2017).

b) Diseño

colectores solares para potabilización PERALES, T. 2008 son: cajas de

efecto invernadero, colectores de placa plana y concentradores solares. Los

procedimientos utilizados para potabilizar realizan el siguiente proceso: se toma un

fluido con contaminantes y se le genera un aumento de temperatura que hace que el

fluido cambie de fase y se vaporice, en este caso el agua; este proceso deja los

contaminantes más pesados en el recipiente, el líquido vuelve posteriormente a su

fase liquida debido a que esta cede calor en una región de transferencia,

posteriormente este fluido es recolectado en un depósito de almacenamiento donde al

condensarse presenta condiciones para el consumo humano.

Este proceso se puede entender como el ciclo del agua, en una escala

reducida (Fernández, 2008).

2.5. Factores de los que depende la velocidad de evaporación

2.5.1 Diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido

a evaporar
 La temperatura de ebullición del líquido a evaporar va aumentando a

medida que se va concentrando. No obstante, al operar en condiciones de vacío, la

diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el líquido a evaporar se amplía,

ya que la temperatura de ebullición de la mezcla es muy inferior a la correspondiente

a presión atmosférica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la

velocidad de evaporación.

2.5.2 Área de intercambio

El área de intercambio efectiva depende de la geometría del equipo y de

fenómenos inherentes a la concentración de la disolución, como es el caso de la

deposición de sólidos o de incrustaciones sobre la superficie de intercambio. A mayor

área, mayor capacidad de intercambio de calor y mayor velocidad de evaporación.

2.5.2.1 Cama Empacada

La cama encamada opera bajo dos modos básicos

 en el primero toda la energía se utilizó en calentar el aire y este a

su vez proporciona la anergia necesaria para evaporar el agua

unificándose sin afectar la temperatura del agua.

 en segundo la energía se utilizó para calentar el agua y esta

proporciona la energía de evaporación funcionando en forma

idéntica a la de una torre de enfriamiento.

 2.5.2.2 El proceso de humidificación

La transferencia de masa y calor desde el aire hacia la superficie del vidrio

y la transferencia de calor de la pared del vidrio hacia el agua en evaporación dentro

de ellos.

2.5.3 Coeficiente global de transferencia de calor (U)

Este coeficiente depende de las propiedades físicas de los fluidos que

intervienen (agente calefactor y líquido a evaporar), del material de la pared en la que

se produce el intercambio de calor, del diseño y geometría del equipo, así como de los

parámetros de flujo (velocidades de circulación de los fluidos, etc.). Cuanto más grande

sea este coeficiente, mayor facilidad tiene el equipo para intercambiar calor.

2.5.4 Propiedades del líquido a evaporar

La viscosidad, la posibilidad de formación de espumas, su capacidad de

corroer, etc. influyen a la práctica en la velocidad de transferencia de calor.

 III. MATERIALES Y METODOS

3.1 Materiales.
Termómetro de columna liquida de mercurio con intervalo de 0 oC a 100 oC
- Termómetro de columna liquida de mercurio con intervalo de 0 oC a 70 oC
- Reloj
- Medidor de radiación (app)
- Probeta graduada
- Destilador solar tipo invernadero
- Cuaderno de apuntes

3.1.1 Diseño del Destilador Solar

3.2 Metodología
- Echar 64L de agua limpia al Destilador Solar.
- Exponerlo lo más directo posible a la radiación solar
- Realizar las mediciones respectivas cada 60 minutos de la To del agua, To de
vapor y Volumen de agua destilada.
 IV. RESULTADOS

4.1. Parámetros de diseño del destilador solar

Área total = 6615.6 cm2 = 0.66156 m2

volumen agua = 64 L

Pendiente del destilador = 35 %

4.2. Datos obtenidos en practica

El destilador solar fue evaluado durante un periodo de siete horas con 7 mediciones

en cada hora, los resultados se presentan en el cuadro 2.

Cuadro 1. temperatura y volumen destilado

temperatura del temperatura del volumen

Hora N° control agua (Ta °C) vapor (Tv °C) destilado

9.00-10.00 am 1 26 26 0

10.00-11.00 am 2 29 32 0

11.00-12.00 pm 3 34 40 0

12.00-1.00 pm 4 38 45 10

1.00-2.00 pm 5 43 49 15
2.00-3.00 pm 6 47 53 15

3.00-4.00 pm 7 46 61 15

También se evaluaron el volumen del agua destilada durante un tiempo de 8 y 24

horas.

Cuadro 2. temperatura y volumen destilado

volumen de agua volumen de agua

volumen de agua inicial (L) destilada (8 h) destilada (24 h)

64 L 0.05 L 0.3 L

4.3. Análisis de datos

Con los datos obtenidos calcularemos el coeficiente de transferencia de calor,

mediante la siguiente expresión.

 0.66156 𝑚2 ∗ ℎ𝑒𝑣 ∗ (47 °𝐶 − 53°𝐶)
1.5 ∗ 10−5 𝑚3 =
𝑘𝑔
989.36 𝑚3 ∗ 2283.517 𝑘𝐽/𝑘𝑔

Calor latente de vaporización del agua =2283.517 𝑘𝐽/𝑘𝑔

Cuadro 3. Coeficiente de transferencia de calor por evaporación

temperatura temperatura densidad volumen calor latente

agua °C vapor °C kg/m3 destilado kJ/kg hev kJ /h. m2°.C

26 26 996.86 0 2283.517 0

29 32 995.09 0 2283.517 0

34 40 992.25 0 2283.517 0

38 45 990.22 0 2283.517 0

43 49 988.47 0.00001 2283.517 -5.687044719

47 53 986.62 0.000015 2283.517 -8.514601446

46 61 982.62 0.000015 2283.517 -3.392032463

 V. DISCUSIONES

CAPACIDA DE ABSORCION DE CALOR POR LA SUPERFICIE DEL

DESTILADOR

Según INTRIAGO. J, SAMBRANO, D. 2017 El destilador solar requiere un

elemento que transforme la energía solar en un incremento de temperatura del agua

para poder evaporarla, la radiación solar es absorbida por cualquier superficie de color

oscuro de preferencia negro, se lo usa para lograr una mejor absorción. Para evitar

pérdidas de calor, es importante que el alambique este aislado térmicamente por la

parte inferior. La evaporación más adecuada se hubiese obtenido mediante el fondo

negro del evaporador por su capacidad de absorción obteniendo mayor a los 50 ml de

agua destilada obtenidos en la práctica desarrollada.

Según MARCHESI, 2006 el destilador debe posee una cubierta colocada

con una determinada inclinación (de 15° a 30°) respecto de las paredes del destilador.

Esta inclinación debe ser tal que permita fluir hasta el colector a la totalidad del

condensado, sin que nada caiga dentro del compartimiento. un destilador solar de una

vertiente en funcionamiento, con una inclinación de 35% qie equivale a 19.29 ° lo que

permitió que el proceso sea eficiente.

 Según ROTH,2013 La eliminación del aire dentro de una bandeja de

destilación hace que la transferencia de calor por convección de dicho aire se reduzca

a cero y permita altas eficiencias de destilación de agua en la bandeja. La alta

eficiencia es producto de los eficientes mecanismos de evaporación y condensación

que establecen bajas diferencias de temperaturas en la operación.

Si existe una alta razón de evaporación no significa que exista una alta

razón de condensación, ya que depende de otras variables como el equilibrio de fases.

Es conocido que después de cierto tiempo el aire dentro del sistema estará saturado

por la acción del vapor de agua liberado hasta obtener un cuasi equilibrio donde la

presión se mantendrá constante y la razón de condensación será relativamente

pequeña en términos de la razón de evaporación tal como su-cede en climas

desérticos (FONSECA, 2005).

El incremento en el volumen de agua a tratar genera una disminución en

el cambio de temperatura, como consecuencia la evaporación se ve afectada

disminuyendo la razón de producción de agua destilada (FONSECA, 2005).

 VI. CONCLUSIONES

El agua pura se genera a partir de la cuarta hora de exposición solar del

destilador, el cual va teniendo un incremento, debido a que el volumen de agua que

se genera y la temperatura de vapor tienen un comportamiento directamente

proporcional.

El volumen que se va generando es continuo hasta el final del día, debido

al incremento de temperatura que humedece el aire sobre la superficie del agua y esta

se va depositando sobre la lámina del vidrio transparente

 VII. BIBLIOGRAFIA

CERVANTES. J. 2013. Modelado de la destilación solar: experimentos y teoría. Pg.

32

FERNÁNDEZ, J. 2008. Compendio de energía solar: fotovoltaica, térmica y

termoeléctrica. Consultado en línea el 10 de julio del 2016. Formato PDF.

Disponible en: http://repositorio.uide.edu.ec/

FONSECA, S. 2005. Prototipo De Destilador Solar De Fibra De Vidrio, Centro de

Investigaciones de Energía Solar (CIES).

INTRIAGO, J. ZAMBRANO, D. 2017. Repotenciación De Un Destilador Solar Para

Agua Salina Por Medio De Transferencia De Calor Y Condensación

Fotovoltaica. Ecuador. Calceta. [En Linea]:

(http://repositorio.espam.edu.ec/xmlui/bitstream/handle/42000/628/TMA1

46.pdf?sequence=1&isAllowed=y pdf, documento 20 septiembre 2019)

MARCHESI. K. 2006. Termodinámica. Pg 70

MINISTERIO DEL AMBIENTE DE ESPAÑA. 2015. La radiación solar. España. [EN

LINEA]: (http://www.aemet.es/).

OLIVA. J. 2001. Generación de agua, dentro de un ciclo artificial tras la primera gota.

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PERALES, T. 2008. Instalación de paneles solares térmicos. . [EN LINEA]:

(http://www.redbiblioucacue.com/)

PÉREZ, J. MARTÍN, I. 1988. Modelado de los procesos de transferencia de Calor y

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https://cimav.repositorioinstitucional.mx/jspui/bitstream/1004/1211/1/Publ

%20Congreso%20-%20Transf%20Calor%20Masa%20Destilador%20-

%20ANES%20Mexicali%201998%20.pdf, Documento 20 septiembre

2019).

ROTH. 2013. Desalinización de agua de mar: Procesos de energía convencional y

renovable. Pg 257
ANEXOS
Figura 1. Llenado de 64 L de agua de caño al destilador

Figura 2. Destilador solar con 64 L de agua de caño

Figura 3. Termómetro para medir la temperatura del agua

Figura 4. Termómetro para medir la temperatura del vapor

 Figura 5. Recolección del agua destilada

Figura 6. Medición del volumen del agua destilada total