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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 13, NO. 10, OCTOBER 2015
Monolithic Solar Stills: A New Approach for
Manufacturing of Water Desalination Products
E. Rubio, Senior Member, IEEE
Abstract— A solar still is a device that uses solar radiation to
produce drinkable water by distillation of salt or brackish water.
The basin-type is the most common among conventional solar
stills, and it is usually found with single slope or double slope
condenser covers. Although there is a lot of research on its
thermal performance, manufacturing technologies have not been
used for mass production of the solar still proposed in this paper.
Some works reported in the literature that use these
methodologies are reviewed in this paper and an industrial
process for obtaining a solar still with advantages over existing
manufacturing technologies is proposed. Among these
advantages are a monolithic lightweight still, hollow basin ready
for thermal insulation injection, integral solar collector and
collection trough, glass condenser or plastic film condenser, and
integral distilled water tank collector. Some designs of monolithic
solar stills that show these characteristics are proposed. The
industrial process examined permits mass production of this kind
of solar products without degrading its thermal performance.
Keywords—
production.
solar
still,
industrial
technologies,
mass
NOMECLATURA
A Área (m2);
Cp Calor específico (Jkg-1K-1);
h Coeficiente de transferencia de calor (Wm-2K-1);
hfg Entalpía de evaporación del agua (Jkg-1);
m Producción instantánea de destilado (Kgm-2s-1);
M Masa (kg);
P Presión parcial del vapor de agua (Nm-2);
q Flujo de calor (Wm-2);
Q Fracción de la energía recibida por el sol (W);
t Tiempo (s);
T Temperatura (°C);
U Coeficiente global de transferencia de calor (Wm-2K-1);
Subíndices
b Fondo;
c Convectivo;
e Evaporativo;
g Condensador;
w Agua;
L
I. INTRODUCCIÓN
A GRAN cantidad de energía solar que se recibe en
regiones áridas, en donde la producción de agua potable
representa un serio problema, ha contribuido al desarrollo de
tecnologías para obtener agua dulce a partir de aguas salobres
o de mar. La desalinización de agua con energía solar es una
E. Rubio, Universidad Autónoma de Aguascalientes
Aguascalientes, Ags., Mexico, [email protected]
(UAA),
técnica viable para purificación de agua, y se logra con
equipos denominados destiladores solares. Estos equipos
reproducen el ciclo hidrológico natural del agua que consiste
en procesos de evaporación-condensación. Un equipo de
destilación solar está integrado por una charola que contiene el
agua salobre y una cubierta transparente inclinada que actúa
como condensador para el agua en evaporación. La
orientación del destilador, latitud y hora del día son
parámetros que influyen de manera importante en el
desempeño térmico de estos equipos.
Los equipos de destilación solar que se encuentran en el
mercado son poco atractivos para el usuario final debido a la
falta de practicidad en su fabricación. La gran mayoría de
ellos se construye de manera artesanal, lo que hace su
producción impráctica y dificulta su producción en masa. La
literatura especializada en el tema muestra que se encuentran
en desarrollo nuevas metodologías aplicables a estos equipos
solares. Toyama y Murase [1] reportan el uso de materiales
reciclables en la fabricación de destiladores solares. Se utilizó
una charola de PET en su interior, y un recipiente de mayores
dimensiones en el exterior utilizado como superficie
condensadora. Los resultados indican la necesidad de realizar
más investigación debido a las bajas tasas de producción de
destilado. El proceso de termoformado también se ha utilizado
en los procesos de fabricación de destiladores, tal y como lo
muestran Flendrig et al. [2]. En este proceso se da forma a un
destilador a partir de una hoja negra de polietileno de alta
densidad, lo que permitió la incorporación de detalles de
manufactura, tales como refuerzos estructurales, un canal de
recolección, y una charola corrugada para crear una capa de
aire aislante. Se encontró que estos equipos producen 3.0 litros
de agua dulce por día, lo que se considera una baja tasa de
producción, ya que los destiladores de un solo efecto más
eficientes producen aproximadamente 6 lt/m2 por día.
También se pueden encontrar destiladores tubulares como
el reportado por Ahsan y Fukuhara [3]. En este equipo se
utilizó un marco estructural, una cubierta tubular y un canal
recolector rectangular. Dos tubos metálicos soportaron el
canal, y el marco incluyó un alambre en espiral que corre de
manera longitudinal y transversal. Una película tubular de
polietileno se utilizó como cubierta. El vapor de agua se
condensa en la superficie interna de la cubierta. En este trabajo
se propone un nuevo modelo de transferencia de calor y masa,
y se reportan resultados experimentales, en los que se
comparan las producciones horarias medias teóricas y
modeladas para dos días en particular, que mantienen buena
correlación con el trabajo de modelado. En estos resultados
RUBIO : MONOLITHIC SOLAR STILLS: A NEW APPROACH
destacan las tasas bajas de producción ligeramente mayores a 3
lt/m2 por día.
En el trabajo desarrollado por Wassour et al. [4] se
proponen técnicas para fabricación en masa y a gran escala de
destiladores solares. Una de sus propuestas consiste en un
destilador piramidal que puede ser fabricado por moldeo por
inyección, mientras que una segunda propuesta se refiere a un
destilador tipo pirámide triangular diseñado de tal forma que
puede ser fabricado por la técnica de extrusión de plásticos. Se
reporta que ambos diseños son ligeros y flexibles, e incluyen
un tubo inflable y cubierta transparente de PVC. Sin embargo,
los procesos de moldeo por inyección y extrusión de plásticos
no ofrecen las ventajas que se obtienen con la producción en
masa de destiladores solares bajo el proceso de moldeo
rotacional.
Adicionalmente, es posible encontrar reportes sobre nuevos
conceptos para equipos de destilación solar. En los trabajos
desarrollados por Panchal y Shah [5] se propone un destilador
solar hemisférico que se simula con ANSYS CFD, que es un
programa de distribución comercial utilizado para la solución
numérica de ecuaciones diferenciales mediante el método de
volúmenes finitos. En este trabajo el equipo consiste en una
cubierta hemisférica acrílica, charola circular y una placa de
color negro que opera como colector solar, dentro de un
contenedor de forma cónica. La charola y el colector solar son
de acero y se reportan resultados en los que se pueden observar
temperaturas máximas de aproximadamente 65°C, con datos
experimentales que coinciden con las predicciones de las
temperaturas y producciones de destilado.
Existen destiladores solares personales portátiles (80 cm de
diámetro) llamados Watercone, con un condensador en forma
de cono, auto-soportados y apilables, hechos de plástico
termoformado transparente, y una base rígida de plástico
negro en donde se deposita agua de mar o salobre. La
producción que se obtiene bajo condiciones ideales llega a 1.7
litros en 24 horas. Otro diseño que se puede encontrar es el
Solarball, que es una unidad esférica, resistente a la
intemperie, capaz de producir hasta tres litros de agua dulce
por día.
II. DESTILADOR SOLAR
Un destilador solar típico se muestra en la Fig. 1. Éste
consiste de un marco rígido que forma la charola y las paredes
del equipo. La base se encuentra térmicamente aislada,
fabricada de un material compuesto, por lo general de madera
y poliestireno para evitar pérdidas de calor hacia el medio
ambiente. La superficie interior de la charola se pinta de negro
para incrementar la eficiencia en el proceso de recolección
solar.
La base opera como charola contenedora del agua a destilar,
y una membrana impermeable negra se coloca en su interior
para evitar fugas de agua por penetración del líquido en la
estructura de la base. La parte superior del equipo se encuentra
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cubierta con una placa transparente inclinada, que
normalmente es de vidrio, que actúa como condensador del
vapor de agua. El agua condensada fluye por la superficie
interior del condensador hacia un canal recolector que
transporta el agua dulce hacia un tanque externo de
almacenamiento. El canal recolector y el tanque son
componentes adicionales que deben incorporarse al destilador.
Por lo general, un destilador es una estructura fabricada con
múltiples elementos.
Figura 1. Destilador solar.
El desempeño térmico de estos sistemas solares se analiza
con modelación numérica, tomando en cuenta las interacciones
de transferencia de calor y masa. Para este propósito, se aplica
un balance energético en parámetros concentrados basado en
la primera ley de la termodinámica, tomando en consideración
cada uno de los elementos principales del destilador: agua,
fondo recolector de la energía solar, y cubierta condensadora.
Entre las variables fundamentales que influyen en la
producción de un destilador solar se encuentran la cantidad de
energía solar que absorbe el colector solar, y la diferencia de
temperaturas entre el agua salobre y el vidrio condensador, ya
que se ha encontrado que a mayor diferencia de temperaturas
mayor tasa de producción de destilado. Estas temperaturas se
pueden calcular a partir de la solución de las ecuaciones de
balance de energía desarrolladas.
La ecuación de balance de energía para el agua calentada,
que intercambia energía con el colector solar y la cubierta
condensadora se puede expresar de la siguiente manera:
ΔTw
=
Δt
Q1 + U wb A w (Tb − T w ) − U wg A w (T w − T g )
M w Cp w
(1)
Para el vidrio condensador, el intercambio de calor
correspondiente es entre el agua y el medio ambiente de tal
forma que:
ΔT g
=
Δt
Q 2 + U wg Ag (Tw − T g ) − U ge Ag (T g − Te )
M g Cp g
(2)
Finalmente, el colector solar, que representa el principal
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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 13, NO. 10, OCTOBER 2015
aporte de energía en este sistema térmico, intercambia calor
con el agua y con el medio ambiente a través de la base:
Δ Tb
=
Δt
Q 3 − U bw Ab (Tb − T w ) − U be Ab (Tb − Te )
M b Cp b
(3)
Estas ecuaciones describen las interacciones energéticas
entre los elementos del destilador a través de la fracción de la
energía almacenada que se puede identificar del lado izquierdo
de las ecuaciones, la energía recibida por el sol a través del
término “Q”, y las ganancias o pérdidas de energía a través de
coeficientes globales de transferencia de calor “U” que son
dependientes del área de estos elementos y de sus
temperaturas.
La energía solar que alcanza el colector solar a través de la
cubierta condensadora y el agua en la charola de destilación,
dependerá de las características ópticas de los materiales tales
como la transmitancia, absortancia y reflectancia, y de la
operación del destilador. Adicionalmente, en estas ecuaciones
se utilizan relaciones empíricas para modelar la radiación
solar, en donde se toma en consideración la latitud del lugar,
las características locales de incidencia de la radiación solar
propias del sitio, y la posición del sol con respecto del
destilador a lo largo del día, tal y como lo sugieren Fernández
y Chargoy [6].
Una vez conocidas las temperaturas de cada uno de los
elementos del destilador es posible aplicar relaciones
matemáticas aplicables a la destilación solar para determinar
las fracciones evaportiva y convectiva en procesos en los que
existe transferencia simultánea de calor y masa durante el
proceso de evaporación-condensación:
Pw − Pg


hc = 0.884 Tw − Tg +
Tw 
3
268
.
9
10
−
x
P
w


he = 16.276x10−3 hc
Pw − Pg
Tw − Tg
13
(4)
(5)
De donde la producción de destilado puede encontrarse
con:
m" = qe h fg
(6)
En donde
qe = 16.276 x10 −3 hc ( Pw − Pg )
(7)
Las ecuaciones detalladas para el modelado de destiladores
solares se pueden consultar en los trabajos de Dunkle [7] y
Rubio y Fernández [8].
III. PROCESO INDUSTRIAL DE MOLDEO ROTACIONAL
El proceso de moldeo de plásticos por moldeo rotacional es
un método industrial utilizado para fabricar productos huecos
de una sola pieza. La Fig. 2 muestra un diagrama simplificado
del proceso. Se utiliza en el sector manufacturero para
producir en masa productos plásticos tales como tanques,
juguetes, muebles, entre otros. El proceso de fabricación se
basa en la deposición de una película de plástico fundido en la
superficie interior de un molde de acero que se encuentra en
rotación dentro de un horno. Durante este proceso, un plástico
en polvo, granular, se introduce en un molde de dos piezas
tipo concha. La cantidad de plástico en polvo dependerá del
tamaño, forma y espesor del producto deseado. El molde se
calienta y se rota biaxialmente de tal forma que el plástico en
el molde se funde y deposita una película uniforme sobre la
superficie interior del molde. Después de una fase de fusión, el
molde continúa rotando mientras se enfría con agua a presión
o aire por convección forzada. Al final del proceso el plástico
se solidifica y retiene la forma deseada.
Figura 2. Proceso de moldeo rotacional.
IV. PROPUESTA DE DESTILADOR SOLAR
MONOLÍTICO
La incorporación de aislante térmico en el interior de las
paredes estructurales del destilador mejora su desempeño.
Estos elementos deben ser lo suficientemente gruesos para
bloquear eficientemente las pérdidas de calor al ambiente.
Este hecho hace relevante el proceso de rotomoldeo para la
fabricación del destilador solar, ya que la estructura se puede
fabricar como un producto monolítico (una pieza), y hueca en
su interior tal y como se muestra en las Figs. 3-4. Es
relativamente sencillo inyectar aislante térmico en el interior
de esta estructura para incrementar su eficiencia térmica. Esta
figura también muestra la cubierta transparente, que es el
segundo componente necesario para completar un equipo de
destilación solar.
Con esta propuesta se obtiene un equipo con ventajas sobre
los existentes. El destilador es ligero, ya que se fabrica con
polietileno como materia prima; la estructura hueca permite la
inyección de aislante térmico para mejorar su eficiencia
térmica; y se puede fabricar en plástico de color negro, de tal
forma que no se requiere la membrana adicional para el
RUBIO : MONOLITHIC SOLAR STILLS: A NEW APPROACH
colector solar, que normalmente es un elemento adicional en
el equipo. Finalmente, y dada la naturaleza de sus materiales,
es impermeable por lo que no hay fugas de agua al exterior del
equipo.
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Es común encontrar destiladores con cubierta condensadora
de doble pendiente, también conocidos como de tipo
invernadero. El proceso industrial propuesto también se adapta
a la fabricación de este tipo de destiladores. Este diseño se
caracteriza porque tiene una superficie de evaporación, dos
placas condensadoras colocadas con alta inclinación, y dos
canales para recolección de destilado. La Fig. 6 muestra el
diseño de un destilador solar monolítico de esta naturaleza.
Figura 3. Destilador solar monolítico.
Figura 6. Destilador solar con cubierta condensadora de doble pendiente.
Figura 4. Destilador solar monolítico seccionado que muestra la estructura
hueca para el aislante térmico.
Una ventaja adicional es que el canal recolector de
destilado es parte integral de la estructura monolítica, y no un
elemento separado. Además, se puede utilizar una película
transparente de plástico para el condensador, en lugar de
materiales de vidrio. Para esto, el diseño del molde incluye
una ranura que se conforma a lo largo del borde superior de
las paredes verticales del equipo, tal y como se muestra en la
Fig. 5. La película plástica se sujeta al marco superior con la
ayuda de un sello de goma que se introduce en la ranura del
destilador.
El proceso de moldeo rotacional, aplicado a la fabricación
de equipos de destilación solar, permite explorar nuevos
diseños que sólo con este proceso se pueden obtener. Por
ejemplo, la Fig. 7 muestra la propuesta de un destilador solar
de condenador extendido de alta temperatura. Este diseño
incluye una cámara de destilación de alta temperatura
integrada por una placa condensadora interna y la charola de
evaporación. Las altas temperaturas se logran por el hecho de
ser un destilador solar dentro de otro destilador. También
cuenta con cámaras de destilación de mediana y baja
temperatura, tal y como se aprecia en la figura, y se puede
notar que los tres condensadores contribuyen a la producción
total del destilado.
Figura 7. Destilador solar de alta temperatura con condensador extendido.
Figura 5. Detalles del canal recolector de destilado y de la ranura para el
condensador de película de polietileno.
Por lo general el destilado se recolecta en un tanque
externo al equipo de destilación, que se conecta con una
manguera entre el canal recolector y el tanque. Este proceso
de moldeo permite obtener un equipo más práctico, ya que la
pieza monolítica incluye el tanque como parte integral del
destilador. La Fig. 8 muestra un diseño modificado que
permite incluir esta característica, en el que el vapor de agua
condensado se deposita directamente en un tanque de
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recolección de agua dulce. El tanque se encuentra colocado
directamente en el extremo inferior del condensador inclinado.
Una válvula de paso se puede instalar para drenar el agua
destilada cuando el tanque se llena.
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 13, NO. 10, OCTOBER 2015
V. CONCLUSIONES
Existen varios procesos industriales que se pueden utilizar
para fabricar destiladores solares, tales como el termoformado,
moldeo por inyección de plásticos, y extrusión de plásticos.
Sin embargo, el proceso de moldeo rotacional ofrece ventajas
constructivas únicas. Con este proceso se pueden hacer
destiladores monolíticos, ligeros, con estructura hueca lista
para la inyección de aislante térmico lo que incrementa su
eficiencia. Adicionalmente, se tiene de manera integral el
canal y el tanque de recolección de destilado, y el colector
solar. La placa condensadora puede ser de vidrio o de película
plástica. Adicionalmente, el proceso industrial permite la
producción en masa de una gran variedad de diseños de
equipos de destilación.
REFERENCIAS
[1]
Figura 8. Detalle del tanque integral para recolección de destilado.
[2]
[3]
El diseño de la Fig. 7 corresponde a un destilador solar con
cubierta condensadora de una pendiente, pero el tanque puede
fácilmente incorporarse a un diseño con condensador de doble
pendiente, así como al de alta temperatura, modificando el
diseño del molde.
[4]
[5]
[6]
Las relaciones de transferencia de calor y masa presentadas
con anterioridad aplican a los diferentes diseños mostrados. Se
tendrán que hacer consideraciones adicionales para tomar en
consideración las dimensiones particulares y los materiales en
la fabricación de estos destiladores. El intercambio de calor
entre los diferentes elementos que componen estos nuevos
destiladores tiene influencia en la producción de destilado, así
como otras propiedades tales como la conductividad térmica
del plástico utilizado y del material aislante. La energía solar
que alcanza la charola de evaporación se ve modificada por las
pérdidas debidas a la absorción, reflectancia y transmitancia
de las cubiertas condensadoras y del agua en evaporación.
[7]
[8]
S. Toyama, K. Murase, “Solar stills made from waste materials”,
Desalination, vol. 169, pp. 61-67, 2004.
L. Flendrig L, B. Shah, N. Subrahmaniam, V. Ramakrishnan, “Low cost
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P. Wassouf, T. Peska, R. Singh, A. Akbarzadeh. “Novel and low cost
designs of portable solar stills”, Desalination, vol. 276, pp. 294-302,
2011.
H. Panchal , P. Shah, “Modeling and verification of hemispherical solar
still using ANSYS CFD”, Internatinoal Journal of Energy and
Environment, vol. 4, pp. 427-440, 2013.
J. Fernández, N. Chargoy, “Multi-stage, indirectly heated solar still”,
Solar Energy, vol. 44, pp. 215-223, 1990.
R. Dunkle, “Solar water distillation: the roof type still and a multiple
effect diffussion still”, ASME International Developments in Heat
Transfer, Part 5, pp. 895-902, 1961.
E. Rubio, J. Fernández, “Parametric analysis of a solar still with inverted
V-shaped
glass
condenser”,
Thermal
Science,
DOI:
10.2298/TSCI121029067R, 2014.
Eduardo Rubio received his PhD and MS degrees in energy
from the Universidad Nacional Autónoma de México
(UNAM) in 2002 and 1996 respectively, and Engineering
degree in Communications and Electronics from the Instituto
Politécnico Nacional (IPN) in 1996. Currently, he is a
research professor at the Universidad Autónoma de
Aguascalientes (UAA). His current interests include basic research in solar
thermal systems, and technology research for industry.