Análisis de exergía en estado permanente

Análisis de exergía en estado permanente

de un destilador solar simple

INVESTIGACIÓN

ingería

Y TECNOLOGÍA

Steady-State Exergy Analysis of a Simple Solar Still

J.C. Torchia-Núñez

Departamento de Termoenergía, Facultad de Ingeniería,

Universidad Nacional Autónoma de México.

E-mail: maporta@cibnor.mx

M.A. Porta-Gándara

Centro de Investigaciones Biológicas del Noroeste, S.C.

La Paz, B.C.S.

E-mail: tadeo_isidoro_cruz@yahoo.com

J.G. Cervantes-de Gortari

Departamento de Termoenergía, Facultad de Ingeniería,

Universidad Nacional Autónoma de México.

E-mail: (autor para correspondencia): jgonzalo@servidor.unam.mx

(Recibido: febrero de 2007; aceptado: mayo de 2009)

Resumen

En este trabajo se presenta un análisis teórico de exergía de un destilador solar simple

en estado permanente. Mediante un balance de energía sobre los tres componentes

principales de un destilador solar –colector, salmuera y cubierta de vidrio- para un

conjunto de valores de parámetros –irradiancia solar, temperatura ambiente y

espesor de aislamiento–, se obtienen las temperaturas de los componentes para

distintas condiciones. Con estas temperaturas se pueden encontrar los flujos de

exergía y eficiencias de segunda ley en un destilador solar. Los resultados muestran

que la irradiancia solar es el parámetro más influyente en los procesos de transporte

dentro del destilador, seguido por el espesor del aislamiento térmico. Para una irra-

diancia solar de 1,000 W/m², el colector cede 13% del total de exergía que llega al

agua salada. El agua salada utiliza más del 6% de este total para la evaporación. Las

irreversibilidades alcanzan 86% de la exergía total. La relación energía/exergía

muestra que el componente más eficiente en el destilador solar es la masa de agua

salada con más de 90% para cualquier valor de los parámetros estudiados mientras

que el colector alcanza el 23% para un valor de 1,000 W/m² de irradiancia solar. El

destilador solar es un dispositivo que aprovecha el calentamiento de un colector con

alta eficiencia y la discusión sobre su uso, como todos los sistemas solares, no debe

ser por sus limitaciones termodinámicas.

Descriptores: exergía,eficiencia,destiladorsolar,irreversibilidades,termodinámica.

Abstract

This paper presents a steady-state, theoretical exergy analysis of a solar still, focused on

the exergy flows in the components of the still: collector plate, brine and glass cover. The

analytical approach states an energy balance for each component resulting in three cou-

pled equations where three parameters –solar irradiance, ambient temperature and

Introducción

Análisis de exergía en estado permanente de un destilador solar simple

insulation thickness– are studied. The energy balances are solved to find temperatures of each

component; these temperatures are used to compute energy and exergy flows. Results in the

steady-state regime show that the collector transports 13% of incident radiation exergy to the

heat the brine, while in the brine the evaporation exergy accounts for the 6% of total exergy.

Exergy/energy ratio shows that the most efficient component is the brine reaching more than

90% for almost any value of the parameters under study, while the collector has a 23%

exergy/energy ratio for a 1,000 W/m² solar energy input. The solar still is a device that uses

efficiently the heating of a collector and the general discussion about its promotion should not,

as it must be with almost every other solar device, be about thermodynamic limitations.

Keywords: Exergy, efficiency, solar still, irreversibilities, thermodynamics.

de temperaturas entre la superficie libre de la

salmuera caliente y la cubierta de vidrio a menor

Los destiladores solares simples se utilizan comúnmen-

te en zonas costeras áridas para la obtención de agua

fresca de bajo costo a partir del agua de mar. El diseño

más simple de un destilador solar consiste en una caja

rectangular con una cubierta de vidrio transparente co-

mo se muestra en la figura 1.

El proceso de destilación solar es el siguiente:

a) el destilador se llena parcialmente con salmuera en

el fondo del depósito, que es una superficie negra y

rugosa (colector) utilizada para absorber la ra-

diación incidente que cruza la cubierta de vidrio y

la masa de agua;

b) el colector incrementa su temperatura y transfiere

calor al agua;

c) ocurre evaporación de salmuera en la superficie

libre;

d)se produce un flujo de convección natural de aire

húmedo dentro del destilador debido a la diferencia

temperatura;

e) esta cubierta inclinada sirve como placa conden-

sadora donde se forma el agua destilada que fluye

por gravedad hacia un pequeño canal recolector en

la pared lateral menos alta del arreglo.

Se pueden lograr cerca de 5 litros/m² diarios de agua

destilada en La Paz, México (24° de latitud norte) en un

día de verano, haciendo al proceso económicamente

atractivo para aquéllas áreas donde existe escasez de

agua potable. Estudios económicos de destilación apun-

tan a que la destilación solar es viable cuando la produc-

ción no excede los 200 m³ de destilado al día (Malik et

al., 1982).

El fenómeno de destilación solar es un proceso ines-

table donde se tiene evaporación, convección de calor,

masa y condensación. Una descripción detallada del

equipo y su operación puede encontrarse en Porta et al.

(1997).

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