diseño del prototipo de un desalinizador solar por proceso
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Universidad de los Andes
Ingeniería Mecánica Proyecto de grado 2020-10
Pregrado
Diseño del prototipo de un desalinizador solar por
proceso de osmosis inversa para familias Wayuu en la Guajira.
Estudiante: Pedro Felipe Rubiano Pérez
Profesor Asesor: PhD Andrés Leonardo González Mancera
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RESUMEN
El propósito principal de este proyecto de grado es proponer las bases del diseño de dos dispositivos que utilizan energía solar para convertir agua de mar o subterránea en agua potable, pensado para el núcleo familiar típico de comunidades de la Guajira. Dentro de los requerimientos técnicos principales de los sistemas están el poder suplir agua potable a familias de tamaños cercanos a 20 personas, ser portátiles, robustos y económicos. Por otro lado, el proyecto queda abierto para cumplir requerimientos socio-culturales que se identifiquen en posteriores estudios hechos a cada comunidad que se quiera trabajar.
En cuanto a la parte técnica del proyecto se presentará el trabajo realizado en el diseño y selección del sistema de filtración, bombeo, alimentación por energía solar y un modelo en 3D del sistema como un producto, así como su costo aproximado y vida útil. Para estos fines se hace una revisión detallada de la bibliografía asociada a cada temática. También se hace un estudio de la radiación solar en la Guajira que, junto con el estudio del agua marina de la Guajira hecho por Esteban Nieves (exestudiante que trabajo en versiones pasadas de este proyecto), contribuye a seguir construyendo una base bibliográfica y de material relevante para la continuidad de este proyecto.
En cuanto a la parte social del proyecto, se logra hacer contacto con la fundación Baylor Colombia, residente en la Guajira y enfocada a ayudar a las comunidades Wayuu. Este vínculo se logra gracias al enfoque social del proyecto y la necesidad de este tipo de soluciones en la Guajira. El proyecto queda abierto a seguir evolucionando con base a los pilares técnicos y sociales descritos a continuación y al trabajo que se pueda lograr a futuro en campo con las comunidades y la fundación.
En la penúltima sección del documento se hace un recuento de varios programas de apoyo, financiamiento o patrocinio que se ofrecen a nivel nacional e internacional para proyectos de ingeniería con enfoques sociales e innovadores. Esto se hace con el fin de tener una guía de las opciones que tiene el proyecto para seguir adelante e ir más allá de un ejercicio académico.
Finalmente, se culmina el documento con una reflexión alrededor del ejercicio de la ingeniería como una disciplina que, ante todo, debe tener una responsabilidad social, debe ser humana y que cuenta con enormes potenciales transformadores al juntarse con el arte.
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AGRADECIMIENTOS
Por encima de todo le doy las gracias a mi familia, mi mamá, mi papá, mis hermanos y mis amigos. Y las gracias son, principalmente, por sus enseñanzas, apoyo, por escuchar y compartir. Durante este proceso educativo que hasta ahora comienza siempre han sido el pilar de mi inspiración, motivación y perseverancia, cada uno jugando un papel único de respaldo.
Gracias a mis maestros, a todos aquellos que se han tomado el tiempo y la energía de enseñarme, corregirme y guiarme. Sobre todo, a mi profesor asesor en este proyecto, Andres Leonardo González, por escuchar, confiar y apoyarme a pesar de todas las ideas inusuales que le propuse en este proceso.
Finalmente, gracias a todas las personas que creen en la belleza, la humanidad y la vida.
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Contenido
NOMENCLATURA ........................................................................................................... 5
LISTA DE TABLAS .......................................................................................................... 6
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ 7
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 9
1.1 Avances Previos ....................................................................................................... 9
2. OBJETIVOS ................................................................................................................. 10
2.1 Objetivo General .................................................................................................... 10
2.2 Objetivos Específicos............................................................................................. 10
3. CONTEXTO ................................................................................................................. 11
3.1 Acotación del Problema ......................................................................................... 12
4. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 14
4.1 Filtración ................................................................................................................ 14
4.2 Bombeo .................................................................................................................. 22
4.3 Sistemas de Energía Solar ...................................................................................... 23
5. PARÁMETROS CLIMATOLÓGICOS ....................................................................... 26
6. DIMENSIONAMIENTO, DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA ............................................................................................................................. 29
6.1 Esquema General Del Sistema ............................................................................... 29
6.2 Selección De Etapa De Filtración .......................................................................... 30
6.3 Dimensionamiento Y Selección del Sistema de Bombeo ...................................... 45
6.4 Dimensionamiento, Diseño Y Selección del Sistema de Abastecimiento Energético Solar……………………………………………………………………………………..53
7. MODELO 3D, CONFIGURACIÓN Y COSTOS DE LOS SISTEMAS ..................... 61
7.1 Modelo 3d y Configuración ................................................................................... 61
7.2 Costos de las Unidades .......................................................................................... 65
8. PROGRAMAS DE APOYO, FINANCIAMIENTO O PATROCINIO ...................... 66
9. LA INGENIERIA Y EL ARTE.................................................................................... 68
10. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 70
11. TRABAJOS FUTUROS Y RECOMENDACIONES ............................................... 71
Referencias ........................................................................................................................... 73
Anexos .................................................................................................................................. 80
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NOMENCLATURA
Variable Unidad Descripción
∆𝑃𝑃 Pa Presión diferencial entre dos puntos de interés 𝑃𝑃1 Pa Presión al comienzo de la torta del prefiltro 𝑃𝑃3 Pa Presión justo al final del prefiltro 𝑄𝑄 𝑚𝑚3/𝑠𝑠 Caudal. 𝜇𝜇 Pa s Viscosidad dinámica| 𝜌𝜌 kg/𝑚𝑚3 Densidad del fluido 𝑆𝑆0 n.a. Fracción másica de solido en la suspensión que se filtra 𝛼𝛼𝑠𝑠 m/kg Resistencia especifica media de la torta. 𝑀𝑀 n.a. Fracción másica de solido seco y húmedo 𝐴𝐴 𝑚𝑚2 Área 𝑅𝑅𝑓𝑓 𝑚𝑚−1 Resistencia del medio filtrante
𝐶𝐶𝑏𝑏 kg/𝑚𝑚3 Masa de partículas que se deposita por unidad de superficie 𝐼𝐼 𝑚𝑚2 Índice de resistencia de un fluido-
𝑅𝑅𝑅𝑅_𝐶𝐶𝐶𝐶𝑡𝑡10−𝑡𝑡60 𝑚𝑚−2 Resistencia por volumen específico permeado 𝑢𝑢 m/s Velocidad del fluido t s Tiempo R % Porcentaje de retención de sal 𝑸𝑸𝑝𝑝 L/min Caudal permeado 𝐶𝐶 n.a. Constante de membrana de osmosis inversa ∆𝜋𝜋 Bar Presión osmótica del fluido 𝑸𝑸𝑖𝑖𝑖𝑖 L/min Caudal de entrada 𝐼𝐼𝑎𝑎 A Corriente V V Voltaje P W Potencia h horas tiempo E Wh Energía
Wp W Potencia pico 𝛾𝛾 % Porcentaje de recuperación
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Requerimientos Generales de la Unidad de Desalinización. ................................... 13 Tabla 2 Resumen de presiones y caudales requeridos para el bombeo ................................ 23 Tabla 3 Propiedades para distinguir y entender diferentes baterías recargables .................. 25 Tabla 4 Ubicación, velocidad de viento y temperatura promedio de la ubicación de estudio .............................................................................................................................................. 27 Tabla 5 Meses de menor radiación desde el 2016 al 2018 ................................................... 28 Tabla 6 Etapas y descripción del esquema del sistema de desalinización. .......................... 30 Tabla 7 Suposiciones y aspectos relevantes en el modelo planteado para la vida útil del filtro de pretratamiento. ................................................................................................................. 33 Tabla 8 Valores numéricos para los parámetros utilizados en el modelo de vida útil del prefiltro ................................................................................................................................. 35 Tabla 9 Presiones osmóticas calculadas para el fluido de pruebas de Dow y el agua de mar de la Guajira.......................................................................................................................... 40 Tabla 10 Requerimientos necesarios para el filtro de rayos UV .......................................... 43 Tabla 11 Propiedades específicas del agua de mar para cálculos hidráulicos ...................... 46 Tabla 12 Cálculo de pérdidas hidráulicas asociadas a los elementos del sistema ................ 47 Tabla 13 Criterios de selección de la bomba para la unidad de agua de mar ....................... 47 Tabla 14 Diferentes puntos de operación para la bomba de desalinización de agua de mar 49 Tabla 15 Especificaciones técnicas motor eléctrico de unidad para agua de mar ................ 50 Tabla 16 Criterios de selección de la bomba para la unidad de agua subterránea ............... 51 Tabla 17 Especificaciones técnicas motor eléctrico de unidad para agua subterránea......... 52 Tabla 18 Especificaciones técnicas de la bomba manual para ambas unidades ................... 53 Tabla 19 Datos de consumo energético asociado a la unidad de desalinización de agua de mar ........................................................................................................................................ 53 Tabla 20 Datos de consumo energético asociado a la unidad de desalinización de agua subterránea ............................................................................................................................ 54 Tabla 21 Especificaciones técnicas de los controladores de carga seleccionados para las dos unidades. [47] ....................................................................................................................... 58 Tabla 22 Cálculos de energía total y el tamaño del arreglo para cada unidad ..................... 59 Tabla 23 Precio y vida útil para los elementos de la unidad para agua de mar .................... 66 Tabla 24 Precio y vida útil de la unidad para agua subterránea ........................................... 66
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Los habitantes de la guajira día a día luchan para conseguir el agua. [2] ................ 9 Figura 2 Ejecución recursos SGP APSB 2017 – Departamento de la Guajira (cifras en millones de pesos) [5] ........................................................................................................... 11 Figura 3Enfermedades asociadas a deficiente calidad del agua [5] ..................................... 12 Figura 4 Diámetros de diferentes tipos de partículas comunes en el agua [11] ................... 14 Figura 5 Paso a paso para la potabilización de agua marina [12] ......................................... 15 Figura 6 Cubierta para prefiltros desechables [16] ............................................................... 17 Figura 7 Flujo sin salida y cruzado. [11] .............................................................................. 17 Figura 8 Fenómeno de acumulación o "cake formation" [11] .............................................. 18 Figura 9 Factores que influyen en el ensuciamiento de filtros. [14] .................................... 18 Figura 10 Potenciales químicos del agua pura y agua salobre [18] ...................................... 19 Figura 11 Potenciales químicos en la osmosis inversa [18] ................................................. 20 Figura 12 Tipos de bombas solares utilizadas dependiendo del caudal requerido. [23] ...... 22 Figura 13 Configuraciones más comunes para un sistema de energía solar independiente [24] .............................................................................................................................................. 24 Figura 14 Celdas solas y baterías como agrupaciones de celdas. [25] ................................. 25 Figura 15 Perfil de radiación GHI en la Guajira para el 2018 .............................................. 27 Figura 16 Perfil de radiación del día típico del mes menos soleado entre el 2016-2018 ..... 29 Figura 17. Esquema general del sistema de desalinización. ................................................. 29 Figura 18 Caídas de presión para diferentes caudales de operación. [30] ............................ 31 Figura 19 Cartucho Claris correspondiente al prefiltro de tratamiento. [30] ....................... 32 Figura 20 Características de operación y mantenimiento del prefiltro. [30] ........................ 32 Figura 21 Secciones relevantes para modelaje de ensuciamiento de medios filtrantes [17] .............................................................................................................................................. 34 Figura 22 Comportamiento de la vida útil del prefiltro en meses con respecto al caudal de operación. ............................................................................................................................. 36 Figura 23 Comportamiento de la vida útil del prefiltro en meses con respecto al área del filtro. .............................................................................................................................................. 36 Figura 24 Relación entre la temperatura del fluido y la presión diferencial soportable por el prefiltro ................................................................................................................................. 37 Figura 25 Comportamiento de la vida útil del prefiltro en meses con respecto a la temperatura del fluido. .............................................................................................................................. 38 Figura 26 Especificaciones técnicas de membranas de ósmosis inversa especiales para agua de mar [32]............................................................................................................................ 39 Figura 27 Especificaciones técnicas de membranas de ósmosis inversa de baja energía [35] .............................................................................................................................................. 42 Figura 28 Filtro de rayos UV de la marca Puriplus [36] ...................................................... 44 Figura 29 Regulador de presión comercial [37] ................................................................... 44 Figura 30 Filtro de carbón activado marca Atlas con su respectiva carcasa [38] [39] ......... 45 Figura 31 Bomba seleccionada para la unidad desalinizadora de agua de mar [41] ............ 48
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Figura 32 Comportamiento de la presión con respecto a la potencia aplicada de la bomba para desalinización de agua de mar ...................................................................................... 49 Figura 33 Aspecto físico motor Leeson para unidad de agua de mar [42] ........................... 50 Figura 34 Bomba seleccionada para la unidad desalinizadora de agua subterránea ............ 51 Figura 35 Aspecto físico de bomba manual para las unidades ............................................. 52 Figura 36 Especificaciones técnicas de la batería seleccionada para las unidades [44] ....... 55 Figura 37 Relación de capacidad energética, porcentaje de descarga DOD y vida útil de la batería [45] ............................................................................................................................ 56 Figura 38 Controlador de carga de 12/24V y 40 A para unidad de agua de mar [47].......... 57 Figura 39 Controlador de carga de 12/24V y 20 A para unidad de agua subterránea [48] . 57 Figura 40 Esquema de conexión de los controladores de carga. [47] .................................. 58 Figura 41 Especificaciones técnicas del panel solar para la unidad de agua subterránea [50] .............................................................................................................................................. 60 Figura 42 Carretilla de carga de referencia y diseñada. [50] ................................................ 61 Figura 43 Sección del plano general donde se puede evidenciar la distribución de la mayoría de las piezas de las unidades................................................................................................. 62 Figura 44 Vistas frontales, isométrica y trasera de unidad para agua de mar ...................... 63 Figura 45 Vistas frontales, isométrica y trasera de unidad para agua subterránea ............... 64 Figura 46 Vista de la configuración para movilizar la unidad. ............................................ 65 Figura 47 Theo Jansen artista ingeniero y sus animales. [61] .............................................. 69 Figura 48 Arthur Ganson y sus esculturas mecánicas [63] .................................................. 70
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1. INTRODUCCIÓN
La escasez de agua potable siempre ha sido un reto a nivel mundial en toda la historia de la humanidad. Hoy en día lo sigue siendo y se están haciendo innumerables esfuerzos globales para combatir esta problemática, tanto así que es el sexto objetivo de los ODS (Objetivos de Desarrollo Sostenible). Este objetivo busca garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos. [1]
Centrándonos en el contexto colombiano, siendo la realidad más cercana y que más nos compete contemplar, la crisis de agua en toda la costa caribe es una realidad nacional. [2] El departamento de la Guajira es uno de los más afectados por esta crisis debido a su mala planeación de suministro y reserva hídrica. Actualmente la única fuente de agua que tiene sus comunidades es el rio Ranchería y este tiene dos problemas principales: no alcanza a abastecer a toda la comunidad y su ciclo hidrológico se ha afectado debido a la deforestación y desaparición de muchos arroyos, consecuencia de 35 años de explotación minera. Frente a esta crisis el estado colombiano no ha mostrado efectividad en las soluciones planteadas (que se han planteado desde principios de los 2000´s) y hoy en día sigue siendo un problema sin solución definitiva. [3]
Figura 1 Los habitantes de la guajira día a día luchan para conseguir el agua. [2]
Por este motivo y teniendo presentes las condiciones geográficas de la Guajira, como lo son su alta radiación solar, cercanía al mar y presencia de aguas subterráneas, este departamento representa un escenario muy interesante para el desarrollo de una solución de abastecimiento de agua potable a sus comunidades por medio de la desalinización de agua marina o subterránea utilizando energía solar.
1.1 Avances Previos
Versiones similares a este proyecto se han venido trabajando hace un tiempo atrás por lo cual resulta importante tener muy claros los objetivos, obstáculos y recomendaciones que
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se han venido gestando desde un principio. Se comenzó con una investigación sobre los diferentes métodos que existen para la desalinización de agua de mar y planteando el proyecto alrededor de la problemática presente en la Guajira. Después continuo con la idea de desarrollar un desalinizador solar basado en el proceso de humidificación-deshumidificación y de este primer intento no se obtuvieron los resultados esperados al momento de construir el prototipo. Debido a las exigencias de manufactura para elaborar un prototipo funcional basado en este proceso, se optó por dejar a un lado esta solución.
Desde el semestre pasado Esteban Nieves viene trabajando una nueva solución basada en el proceso de osmosis inversa. Se opto por esta opción ya que simplifica la construcción del sistema, pues se compone de dispositivos comerciales que no requieren un trabajo muy elaborado en temas de manufactura. Adicionalmente, para esta opción se tienen como referentes varios trabajos previos que han desarrollado sistemas de desalinización de agua de este tipo, alimentados por otras energías renovables, pero que sirven como unas guías relevantes. [4] Siendo esta tecnología la más usada alrededor del mundo para desalinizar agua, hoy por hoy se mantiene como la opción más viable para el proyecto.
2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General
Diseñar el prototipo de un sistema de desalinización de agua de mar y uno para agua subterránea, alimentados con energía solar, capaces de suministrar 100 litros de agua potable diario o más. El diseño de las unidades debe ser robusto, portátil y pensado para un núcleo familiar Wayuu.
2.2 Objetivos Específicos
1. Seleccionar las piezas más importantes, necesarias y por etapas (filtración, bombeo y alimentación energética) para el funcionamiento teórico de los sistemas diseñados.
2. Proponer un primer diseño de la estructura y configuración de la unidad en un modelo 3D.
3. Vincular el proyecto a alguna entidad privada o pública que esté interesado en él y lo guie con un enfoque socio-cultural que le permita encaminarse a ser una solución viable y funcional.
4. Estudiar opciones de apoyos, fondos o patrocinios para proyectos de interés social a nivel nacional e internacional.
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3. CONTEXTO
Como se vio en la introducción, la crisis del agua en la Guajira ha sido una problemática difícil con una alta trayectoria y poca efectividad en las soluciones planteadas. Existen dos obstáculos principales que no han permitido solucionar esta crisis y son la falta de investigación/comprensión de la problemática y la poca ejecución de los recursos. Según el boletín macro sectorial del 2018, que hace una revisión detallada de la situación en agua potable y saneamiento básico de la Guajira, esta región presenta grandes deficiencias de cobertura en la zona rural donde únicamente el 22% cuenta con cobertura de acueducto y 7% con alcantarillado. Estas cifras son alarmantes por sí solas, pero lo son aún más cuando se evidencia que no se han hecho avances en esta materia dese hace 7 años. Este fenómeno de estancamiento va de la mano con la disminución año a año de los recursos otorgados las diferentes regiones del país SGP (en el año 2000 era del 40 % del presupuesto nacional y para el 2018 es del 26%) y la disminución del porcentaje de estos recursos que lograron ser ejecutados en la Guajira. En la Figura 2 se puede ver el comportamiento de ejecución de recursos que se tuvo el año 2016 y el 2017. [5]
Figura 2 Ejecución recursos SGP APSB 2017 – Departamento de la Guajira (cifras en millones de pesos) [5]
En la última fila de la Figura 2 se puede evidenciar como para ninguno de los dos años se ejecutan el total de los recursos y en el 2017 es menor al 40%. Es importante aclarar que estas cifras solo hablan sobre los recursos gastados y no sobre su efectividad o impacto. El crecimiento desenfrenado del número de casos anuales de enfermedades como colera, gastroenteritis y fiebre tifoidea, hablan más de la calidad de las inversiones en acueducto que se han hecho con estos recursos. La tendencia presentada en la Figura 3 demuestra que año tras año, a medida que crece el acueducto lentamente, también crece la cantidad de enfermos. Esto sin duda habla sobre la bajísima calidad de las obras de acueducto que se están ejecutando.
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Figura 3Enfermedades asociadas a deficiente calidad del agua [5]
Este último punto hace referencia al segundo obstáculo que no ha permitido llegar a una solución a la crisis del agua en la Guajira. La falta de profundización en la comprensión verdadera de la problemática ha dado lugar a soluciones mediocres como la mencionada anteriormente (que suministra agua sin hacerle un tratamiento adecuado), o a macro proyectos como la represa del rio ranchería. Para contextualizar, la represa del rio ranchería fue un macro proyecto que puso en marcha su construcción en el 2005 como un esfuerzo nacional para subsanar la crisis del agua en la Guajira. Este proyecto se hizo con el objetivo de suministrar agua a la población del departamento, a cultivos y que además iba a suministrar energía a más de 3000 hogares. Hoy en día, el proyecto no ha sido acabado ni funciona, todo por una mala planeación, ejecución y administración. [6]
En la Guajira se da un fenómeno aún más preocupante a esta crisis: existe una desinformación casi total alrededor de abastecimiento de agua de las comunidades indígenas. Esto nos deja en una situación que ni siquiera es cuantificable. Alrededor del 38 % de la población de la Guajira hace parte de una comunidad indígena [7] y de ellos no se sabe cuántos tienen esta necesidad vital. Por este motivo principal, en este proyecto de grado se decide trabajar esta población.
3.1 Acotación del Problema
Para este proyecto se pudo hacer contacto con una importante fundación que acompaña, apoya y vela por garantizar día a día una vida más digna a las comunidades indígenas habitantes de la Guajira, esta es la fundación Baylor Colombia. Junto con ellos se pudo determinar el alcance y requerimientos mínimos necesarios que debería cumplir la unidad. El punto más importante de donde se parte es que la necesidad más urgente por suplir es el agua de consumo humano. Esto quiere decir que el proyecto no se rige por los lineamientos planteados por la WHO de la cantidad de agua que consume una persona al día que es de
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alrededor de 40 litros, sino únicamente por la cantidad de agua que debería tomar una persona saludable al día. Según diversos estudios de medicina, un adulto saludable consume alrededor de 4 litros de agua al día. [8] Por motivos prácticos y para garantizar un diseño conservador, se estima un consumo de 5 litros de agua potable por persona al día
El criterio para decidir cuanto debía ser el total de agua producida al día por los sistemas, está directamente ligado al tamaño de las familias Wayuu, pues esta comunidad indígena es la más común en la Guajira. Según la Caracterización de los Pueblos Indígenas hecha por el gobierno nacional, las familias Wayuu pueden extenderse a ser de hasta 300 miembros distribuidos en 6 u 8 casas. [9] Por este motivo se decide diseñar los sistemas para suministrar agua a 20 personas, pues se podría proporcionar el agua necesaria para una casa utilizando dos unidades. Finalmente, con ayuda de la fundación se pudo determinar la ubicación de dos comunidades indígenas con los que ellos trabajan, una en la ranchería de Buena Vista y la otra en la ranchería de Raya. Esta información fue clave para hacer el análisis climatológico en la sección 5
Otros requerimientos igualmente importantes de los sistemas diseñados y propuestos por la fundación son la fácil operación y mantenimiento. Adicionalmente también se agrega el requerimiento de movilidad y portabilidad de los sistemas, para aumentar su accesibilidad. En la Tabla 1 se resumen los requerimientos generales del sistema o la unidad (nombre práctico para cada sistema completo)
Tabla 1 Requerimientos Generales de las unidades de desalinización.
Requerimiento Descripción Capacidad de suministro de agua diaria ≥100 (L/día)
Calidad de agua Deben cumplir con los parámetros
establecidos en la Resolución 2115 de 2007 – Agua Potable [10]
Tamaño: alto, largo y ancho 1.3, 0.5, 1 (m)
Baja demanda energética Deben ser capaces de funcionar con un
arreglo de paneles solares coherente con el tamaño de cada unidad.
Movilidad y fácil instalación Las unidades se deben poder mover e instalar fácilmente.
Robustez y resistencia Las unidades deben ser resistentes a las
condiciones del ambiente de la Guajira y con un diseño robusto.
Diseño orgánico El diseño de la unidad debe ser acorde a la cultura Wayú para garantizar su aceptación
y uso.
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4. MARCO TEÓRICO Este marco teórico se redactó pensándolo como una introducción a lo que sería la teoría básica para abordar cada uno de los objetivos específicos planteados anteriormente.
4.1 Filtración
La filtración es el primer concepto que se debe tener claro para entender los sistemas planteados posteriormente, ya que se basa en este para desalinizar el agua. Filtración se refiere al acto de separar una o más fases de la materia de sí mismas usando “diferencias” físicas entre las fases, ya sean tamaño de partículas, densidades, cargas eléctricas, etc. [11] En este trabajo se utiliza el tamaño de partículas y la exposición de rayos ultra violeta como principales agentes de filtración. Sin embargo, para realizar la filtración por tamaño de partículas se utilizan 3 filtros que cumplen diferentes funciones en el filtrado total del agua. La razón por la cual se utilizan 3 filtros en lugar de 2 o 1, se encuentra en la siguiente figura:
Figura 4 Diámetros de diferentes tipos de partículas comunes en el agua [11]
En la Figura 4 se puede ver el rango de los diámetros de las partículas más comunes encontradas en el agua. Se puede notar que van desde diámetros de 0.001 µm hasta 100 µm. De igual manera, para cada tamaño de partículas, existen filtros comerciales que se enfocan en retener partículas de tamaños mayores a su valor nominal.
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Es por este motivo que el éxito de un sistema está en el diseño y selección de las etapas necesarias para la filtración deseada. Para el caso específico que se trata en este proyecto, el agua de mar y subterránea es el objeto de estudio y su desalinización, el resultado esperado. Comúnmente se cree que la desalinización del agua recae únicamente en la utilización de filtros de osmosis inversa (que se encarga de retirar la concentración salina), sin embargo, no es suficiente esta etapa para garantizar un agua salubre y segura para el consumo humano. Lenntech, una reconocida empresa de diseño y manufactura de soluciones de filtración, sostiene que el proceso de desalinización de agua se basa en el proceso de osmosis inversa pero que este por su cuenta no provee agua potable. Para poder obtener agua potable de las características deseadas, Lenntech, propone la siguiente guía:
Figura 5 Paso a paso para la potabilización de agua marina [12]
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De la Figura 5 se pueden identificar 3 pasos principales para lograr una desalinización efectiva del agua que son: pretratamiento, osmosis inversa y postratamiento. Este esquema general muestra los pasos rigurosos necesarios en una planta a gran escala para garantizar un tratamiento muy eficiente y efectivo. Sin embargo, conocer la constitución del agua tratada es crucial para elegir un diseño efectivo y eficiente para la planta que se quiere construir. El procedimiento adecuado para determinar esta composición es por medio de varias pruebas, esencialmente químicas, que determinan las concentraciones de diferentes agentes como elementos químicos o biológicos en el agua, esto lo hacen laboratorios certificados siguiendo directrices nacionales o internacionales. [13]
4.1.1. Pretratamiento
La etapa de pretratamiento tiene dos funciones principales cruciales para el sistema. En primer lugar, está la filtración de bacterias y partículas que por lo general tienen diámetros nominales mayores a 1µm. Por otro lado, esta garantizar una larga vida útil para el resto del sistema.
Por lo general, en el pretratamiento se utiliza el método de cloración del agua para deshacerse de bacterias y virus, sin embargo se ha ido comprobando que este método no es el más eficiente para eliminar estos agentes ya que requiere muy altas concentraciones de cloro para lograrlo y además disminuye la calidad del agua tratada, dejando residuos de cloro presentes. [11] Hoy en día se han reemplazado muchos pretratamientos químicos por el uso de diferentes tipos de membranas de filtración (como microfiltración o nanofiltración) ya que disminuyen el tamaño del sistema y producen un agua de mejor calidad. La utilización de un pretratamiento de membranas, químico o híbrido depende del tamaño de la planta de tratamiento, entre más grande sea esta se vuelve óptimo utilizar pretratamientos químicos o híbridos. [14] También se ha comenzado a hacer uso de filtros de rayos UV que han demostrado una gran eficiencia eliminando los virus y bacterias en el tratamiento de agua para consumo humano. Este tipo de filtros normalmente se ubican en el post tratamiento del agua y son una alternativa a la cloración. [15] En la sección 4.1.3 de este documento puede encontrar información más técnica de este método de filtración.
Los filtros utilizados en la etapa de pretratamiento dependen del agua de alimentación del sistema. Para el agua de mar o subterránea se utilizan prefiltros que vienen especificados por el diámetro de los poros del filtro en micrómetros o nanómetros. Su presentación viene en mallas o en tubos que necesitan de una cubierta (housing) de su mismo tamaño para poder ser acoplado al sistema (ver Figura 6). Antiguamente se utilizaban materiales de origen natural como la celulosa, sin embargo, hoy en día se utilizan materiales poliméricos debido a su alta duración y confiabilidad en el tamaño nominal del poro. [11] Cuando se extrae agua directamente del mar, también es recomendable utilizar un filtro que cubra la punta de la tubería de succión y evite la obstrucción del sistema por elementos grandes (bolsas, peces, basura, etc.)
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Figura 6 Cubierta para prefiltros desechables [16]
En la filtración de gases y líquidos existen dos tipos de flujos principales que se utilizan, el cruzado “cross flow” y el sin salida “dead-end” (Figura 7). En el flujo sin salida el medio filtrante es perpendicular al flujo, en el cruzado el medio filtrante es paralelo a la dirección del flujo. Los filtros de pretratamiento son de flujo sin salida ya que buscan retener todos los sólidos sin sacrificar parte del fluido, cosa que si pasa en los filtros de osmosis inversa que funcionan con flujos cruzados. Cuando un flujo con una concentración de sal pasa por una membrana de osmosis inversa se obtienen dos flujos, uno concentrado y uno permeado. Esto se debe a la naturaleza del fenómeno por el cual funciona la membrana.
Figura 7 Flujo sin salida y cruzado. [11]
La vida útil de estos prefiltros se acaba una vez la presión diferencial que genera el dispositivo alcanza el límite especificado en su ficha técnica. Cada filtro en un sistema, y en general cualquier dispositivo en este, genera una caída de presión al fluido a medida que este avanza por cada etapa. Dentro de las especificaciones técnicas de cada filtro se puede encontrar la caída de presión que generara el filtro en su operación normal, que depende del caudal
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aplicado, el fluido utilizado y la temperatura. A medida que el filtro se va utilizando, la caída de presión que genera al sistema se va incrementando debido al fenómeno de acumulación o “cake formation” que se puede ver en la Figura 8. Este fenómeno es más evidente en los filtros de flujo sin salida debido a que permite la acumulación de las partículas filtradas. Cuando la caída de presión del filtro sobrepasa un valor especificado por el proveedor, quiere decir que ya es necesario reemplazar, lavar o hacerle mantenimiento.
Figura 8 Fenómeno de acumulación o "cake formation" [11]
La predicción y modelamiento de la operación y vida útil de un filtro ha sido un tema de mucho estudio debido a las diferentes variables que influyen su operación como lo son: materiales del filtro, fluido trabajado, temperatura, presión, caudal, compresibilidad, etc. En la Figura 9 se pueden evidenciar todos los diferentes factores que influyen en el ensuciamiento de los filtros.
Figura 9 Factores que influyen en el ensuciamiento de filtros. [14]
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Los modelos que existen para predecir la vida útil de un filtro, entre otras variables, son varios. Para este proyecto de grado se harán los cálculos para modelar la vida útil del filtro de pretratamiento, ya que es el filtro que va primero en el tratamiento del agua y por lo tanto es el que recibe mayor cantidad de sólidos, convirtiéndolo en el más vulnerable y posiblemente el que requerirá un reemplazo o lavado más frecuente. Para este propósito se utilizan los resultados obtenidos por la tesis doctoral de M.H. Navarro “Caracterización del ensuciamiento en membranas de ultrafiltración mediante parámetros de medida de resistencia en operación de flujo cruzado” [14] y la teoría expuesta en el capítulo 5 del libro de mecánica de fluidos de la Universidad de Alicante. [17]. Para una mayor comprensión del tema y la modelación hecha se recomienda leer estas referencias y ver la sección 6.2.1.
4.1.2. Osmosis Inversa La osmosis inversa es uno de los fenómenos más utilizados a nivel mundial como proceso base para la desalinización de agua. Este fenómeno se encuentra en la naturaleza como osmosis directa y es muy común en seres vivos y ecosistemas.
La osmosis se puede entender como la búsqueda del equilibrio energético entre dos regiones de agua con diferentes concentraciones de sal. Para explicar este punto es necesario definir el concepto de potencial químico como la energía libre que poseen las sustancias por cada mol. También es importante saber que el agua pura tiene un mayor potencial químico que el agua salada y esto es debido al calor liberado cuando se mezcla agua con sal. Sabiendo esto, se puede entender por qué cuando se juntan dos soluciones de agua con sal a diferentes concentraciones, separadas por una membrana semipermeable, el agua perteneciente a la menor concentración tiende a ir al lado de mayor concentración para equilibrar los potenciales químicos-energéticos. A continuación, se puede ver una gráfica que representa los potenciales químicos del agua con sal y el agua pura (Figura 10).
Figura 10 Potenciales químicos del agua pura y agua salobre [18]
20
En la osmosis inversa se cumplen los mismos principios de equilibrio energético solo que en este caso es necesario aplicar un trabajo al sistema (aumento de presión de flujo) para revertir el proceso natural y obtener como resultado un flujo del agua de menor concentración de sal. Este aumento de presión debe ser equivalente a la presión efectiva y osmótica del sistema (Figura 11). Esto quiere decir que la presión necesaria es directamente proporcional a la concentración de sal presente en el fluido.
Figura 11 Potenciales químicos en la osmosis inversa [18]
Existen diferentes tipos de modelos para calcular la presión osmótica de un fluido, pero para este proyecto de grado se utilizará una herramienta en línea desarrollada por Lenntech para estimar la presión osmótica de los fluidos de interés. [19] En esencia esta calculadora solicita como parámetros de entrada la concentración de diferentes tipos de solidos disueltos (somo cloruros, sodio, calcios, etc.) y por medio de una sumatoria y otras operaciones, primero calcula el SDT (Sólidos Disueltos Totales) del fluido y luego entrega el valor de la presión osmótica.
En la práctica los filtros de osmosis inversa son diseñados para operar a una presión de funcionamiento nominal que garantiza una retención de sal, una tasa de recuperación, caudal concentrado y un caudal permeado establecido en sus especificaciones técnicas. Sin embargo, todos estos parámetros varían si no se operan bajo las condiciones recomendadas como se verá en la sección 6.2.2.
A diferencia del filtro de pretratamiento expuesto en la sección anterior, el ensuciamiento de las membranas de ósmosis inversa se modela de maneras muy distintas. Esto se debe a que manejan un flujo cruzado, las membranas no se caracterizan por tamaño de poro y porque los agentes de ensuciamiento varían dependiendo de cada tipo de fluido. Por lo general es necesario hacer pruebas específicas al agua para poder determinar estos agentes de ensuciamiento como lo son la ASTM D4189-95. [14] Debido a la dificultad por la falta de conocimiento e información acerca del agua de mar trabajada, se tomará como tiempo de vida útil, 4 años, que es lo que DOW (el proveedor de la membrana seleccionada en la sección 6.2.2.) garantiza.
21
4.1.3 Filtración Biológica con Rayos UV
Las etapas de filtración con rayos UV en diferentes procesos de tratamiento de aguas, químicos y otros fluidos, empezó a tener gran acogida debido a su eficiencia eliminando virus y bacterias y al bajo impacto ambiental que genera lográndolo. En el ANSI 55 de los estándares establecidos en la NSF, se regulan los requerimientos mínimos necesarios para un sistema de desinfección por rayos UV en el tratamiento de aguas. [20] En este apartado establecen 2 tipos de sistemas disponibles, clase A y clase B:
Clase A: Son sistemas que deben garantizar una tasa de intensidad y saturación de al menos 40,000 uwsec/𝑐𝑐𝑚𝑚2. Son utilizados para aguas no turbias y contenidos moderados de bacterias y virus nocivos. Sin embargo, se recalca la importancia de usar este tipo de filtros únicamente como complemento de sistemas de tratamiento de aguas. También se establece la incapacidad de garantizar la desinfección efectiva de aguas residuales.
Clase B: Son sistemas garantizan una tasa mínima de intensidad y saturación de 16,000 uwsec/𝑐𝑐𝑚𝑚2. Son utilizados para el tratamiento de aguas potables, pero como tratamiento complementario y no principal. Son utilizados para desinfectar aguas con contenidos moderados de bacterias y virus. Una aproximación utilizada es, aguas con concentraciones menores a 500 colonias de Ecoli por cada ml de agua. La turbiedad del agua es un factor crítico en el rendimiento y confiabilidad en el tratamiento del agua con rayos UV. Si la turbiedad del agua es de 5 NTU o más, no se garantiza el buen funcionamiento del sistema. De igual manera ocurre con los SDT del agua, se recomienda manejar ordenes de magnitud de 10 ppm como un estándar de funcionamiento. Es muy importante mantener estos niveles de turbiedad y SDT ya que, si no se hace, los rayos UV no pueden penetrar el agua y por lo tanto no se logran destruir los agentes bio-contaminantes. El principio de funcionamiento detrás de la desinfección por rayos UV se basa en la capacidad que tiene la gama baja de rayos UV para inhabilitar la reproducción de estos pequeños microrganismos. Los rayos UV de longitud de onda tipo UV-C (250 nm) tienen propiedades germinicidas. Lo importante de tener en cuenta al momento de utilizar este método de desinfección son la intensidad y saturación de la lampara y el tiempo de exposición del agua (regulada directamente con el caudal permitido). [21]
4.1.4 Filtración con Carbón Activado
Cuando las diferentes etapas de filtración previamente mencionadas ocurren es común que el agua, a pesar de ser potable y apta para consumo, puede quedar con mal sabor, cierta turbiedad o simplemente inerte (sin ninguna vitamina, mineral o agente saludable). Es por este motivo principal que se utilizan filtros de carbón activado. La calidad del agua también es un requerimiento importante para garantizar el consumo del agua tratada y, además,
22
enriquecer el agua con minerales y vitaminas le da un valor agregado inmenso al agua suministrada.
Los filtros de carbón activado también pueden ser utilizados como medios de absorción de sustancias presentes en el agua o prefiltros, sin embargo, estas aplicaciones son más específicas y se salen del espectro de este proyecto de grado. [22] Para este proyecto se utilizará un filtro de carbón activado diseñado para enriquecer el agua, mejorar su sabor y color.
4.2 Bombeo
En la sección 4.1.2 se hace evidente la necesidad de inyectar a nuestro fluido de trabajo una energía superior a su presión osmótica para lograr satisfactoriamente una filtración por medio del fenómeno de ósmosis inversa. Esta presión, como se verá más adelante en la sección 6.2.2, depende directamente del tipo de fluido trabajado, su concentración de SDT y los requerimientos de caudal. Para el caso específico de este proyecto de grado las presiones necesarias rondan entre los 10 y 30 Bar para el agua subterránea y el agua de mar respectivamente.
Figura 12 Tipos de bombas solares utilizadas dependiendo del caudal requerido. [23]
En la Figura 12 se encuentra una clasificación hecha por el banco mundial en 1993 con base a las bombas impulsadas por energía solar disponibles en esa época. A pesar de que el año de la publicación fue hace bastante tiempo, es útil para identificar el rango de bombas que se
23
requieren para estas aplicaciones de bajo caudal y altas presiones. En la Tabla 2 se resumen los caudales requeridos y las presiones en metros de agua para poder ubicar el rango de bombas de la Figura 12 en donde corresponde este proyecto.
Tabla 2 Resumen de presiones y caudales requeridos para el bombeo
Tipo de fluido Presión requerida (m de agua) Caudal requerido (𝒎𝒎𝟑𝟑/día) Agua subterránea 102 1.3
Agua de mar 306 1.3
En este punto no debe ser claro para el lector de donde salen estos valores de presión y caudal, pues son referenciados directamente de las secciones posteriores 6.2 y 6.3 donde se hacen todos los cálculos para la selección de los filtros y se determinan los caudales y presiones necesarias, todo basado en los requerimientos iniciales planteados en la sección 3. Por el momento se evidencia que la región donde se ubica este proyecto es en el de las bombas de desplazamiento positivo.
Al realizar una revisión detallada de las bombas disponibles en el mercado se determina que efectivamente, las bombas de desplazamiento positivo son las más apropiadas para la aplicación que se requiere. La tendencia es clara: bajos caudales y altísimas presiones. La gran mayoría de estas bombas funcionan con arreglos de embolo pistón o cavidades de tamaño variable donde, una vez empiezan a funcionar, el fluido es forzado contra la cabeza total del sistema. Este hecho implica un umbral de potencia mínimo para que la bomba empiece a operar. [23] Más adelante (sección 6.4.1) se verán las implicaciones energéticas que tiene esto en el sistema de energía solar.
4.3 Sistemas de Energía Solar
Dependiendo de la aplicación que se desee analizar involucrando energía solar se deben incluir o pensar en diferentes elementos y configuraciones para lograr diseñar un sistema funcional. Cuando se trata de sistemas independientes (off grid) existen 3 configuraciones comunes que se resumen en Figura 13. Para este proyecto de grado se buscó utilizar la segunda configuración para evitar la necesidad de utilizar un inversor que suele complejizar significativamente la electrónica asociada y elevar los costos del sistema.
24
Figura 13 Configuraciones más comunes para un sistema de energía solar independiente [24]
4.3.1 Paneles Solares
Los paneles solares existen en todo tipo de tamaños y capacidades. La unidad universal para clasificarlos es la potencia pico (Wp) que es la potencia que suministra el panel en condiciones “estándar de sol” o 1000W por metro cuadrado. Los módulos por lo general producen corriente directa a un voltaje nominal de 12/24V y pueden ser configurados en serie o en paralelo para sumar sus voltajes o corrientes respectivamente, dependiendo de los requerimientos del sistema.
La potencia suministrada por los arreglos solares es directamente proporcional a la intensidad de la luz solar que reciben. Por esto es tan importante contar con datos meteorológicos confiables del lugar donde se desea instalar el sistema solar para poder diseñar un sistema fiable y a la vez eficiente. Una vez se tienen los datos meteorológicos de la zona, recopilados por lo menos de un par de años atrás, lo que se acostumbra hacer es buscar el día típico del mes con menor radiación y se utiliza ese valor multiplicado por un factor de error (0.85) como la base del diseño. Esta práctica garantiza un diseño conservador del sistema. [24]
4.3.2 Baterías Y Reguladores De Carga
Una batería en un sentido práctico es cualquier elemento que provee energía eléctrica por medio de reacciones químicas. Las baterías están compuestas de celdas, siendo esta el bloque electroquímico más básico. Cada celda tiene un voltaje que está determinado por sus
25
propiedades electro-químicas. Una batería, al ser la composición de un grupo de celdas, posee voltajes, corrientes y capacidades determinadas por la configuración de las celdas (si van en serie o en paralelo) y el volumen. En la Figura 14 se puede ver la lógica de cómo se arman baterías agrupando celdas.
Figura 14 Celdas solas y baterías como agrupaciones de celdas. [25]
Cada celda o batería cuentan con un polo positivo y uno negativo y existen dos maneras de juntarlas entre sí. La primera es cuando el polo positivo de una celda/batería se conecta al negativo de la siguiente y se logra una conexión en serie. La segunda forma es cuando se conecta el polo positivo de una celda/batería al positivo de la siguiente y se logra la configuración en paralelo. De manera análoga que, en los paneles solares, cuando se conectan celdas/baterías en serie se suman los voltajes y la capacidad permanece constante. Por otro lado, cuando se conectan en paralelo, las capacidades se suman y el voltaje permanece constante. [25]
Cuando se habla de baterías normalmente se diferencian unas de otras por las siguientes propiedades:
Tabla 3 Propiedades para distinguir y entender diferentes baterías recargables
Propiedad Unidad Descripción Voltaje nominal
V Es el voltaje al cual la batería entrega su energía y al que se encuentra cuando está totalmente cargada.
Voltaje de corte
V Es el voltaje mínimo permitido en la batería y donde se considera que está vacía.
C-rate N.A. Es un indicador de la tasa a la cual se descarga una batería relativa a su capacidad máxima. Cuando se habla de un 1C quiere decir que independientemente de la capacidad de la batería, se descarga en 1 hora. Por ejemplo, para una batería de 100 Ah, un 1C, significa descargar la batería a 100 Amperios. Para este mismo caso, un 5C se refiere a descargar la batería a 500 Amperios en un tiempo de 100/500 horas o 12 minutos.
Capacidad Ah Son el total de Amperios-Hora disponibles que puede suministrar una batería a un C-rate específico desde su carga total y hasta que alcanza su voltaje de corte. Su capacidad es calculada
26
multiplicando la corriente de descarga por el tiempo de descarga en horas y decrece cuando el C-rate crece.
DOD % Se refiere al porcentaje de descarga que se está manejando en una batería. A medida que se utilizan porcentajes de descarga más altos, menos vida útil presentara la batería. En general dependiendo del tipo de baterías también poseen curvas de vida útil vs DOD diferentes.
Para más información acerca de estos conceptos se recomienda revisar la siguiente referencia: [26]
Existen dos maneras principales de utilizar una batería, cíclicamente o en suspensión. En la primera forma la batería se carga y descarga hasta su DOD cíclicamente para suplir las aplicaciones deseadas, por ejemplo, suministrar energía a un edificio por las noches utilizando energía solar. La segunda manera de utilizarlas, por suspensión, utiliza las baterías como una base energética que garantiza un umbral de potencia requerido para que funcionen ciertos equipos electrónicos. La batería constantemente es cargada por la fuente de energía y descargada por el sistema, pero siempre se mantiene en su carga máxima o muy cerca. Este es el tipo de uso que se le quiere dar a las baterías en este proyecto de grado. Es importante distinguir esto porque permite elegir los paneles, baterías y reguladores de carga más adecuados para el sistema. [25]
La única manera en que puede funcionar un sistema de baterías en suspensión es si la fuente generadora de energía puede recargar completamente las baterías durante la operación y si la demanda de potencia, junto con las perdidas asociadas a las baterías y demás electrónica, son menores a las del generador. [27]
Los reguladores de carga son dispositivos electrónicos diseñados específicamente para tomar la energía proporcionada por la fuente de energía, en este caso paneles solares, y adecuarla para cargar las baterías. Generalmente el voltaje y la corriente que se obtiene de un panel no se obtienen en los valores adecuados para cargar la batería de una forma segura. Por este motivo se utilizan reguladores de carga que permiten establecer una corriente y voltaje de carga específico para la batería utilizada. También se acostumbra a utilizarlos ya que la energía obtenida por medio de paneles solares no es constante debido a la naturaleza del sol y el clima, el regulador se encarga de controlar estas variaciones energéticas para proporcionar un flujo de carga constante y estable a la batería.
5. PARÁMETROS METEOROLÓGICOS Como se mencionó en la sección 3, las comunidades que se decidieron trabajar para este proyecto de grado se encuentran en las rancherías de Buena vista y Raya. En principio se quería hacer un análisis solar de ambas ubicaciones, pero siendo tan cercanas la una de la otra, se decidió hacer solo una investigación para las dos utilizando la ubicación presente en la Tabla 4. En esta tabla también se pueden encontrar algunos datos relevantes como velocidad del viento y temperatura, promediados del año 2018.
27
Tabla 4 Ubicación, velocidad de viento y temperatura promedio de la ubicación de estudio
Ubicación geográfica (latitud y longitud) 11°30'46.6"N 72°59'23.0"W Velocidad del viento (m/s) 4.1
Temperatura (C°) 27
Todos los datos de la tabla anterior y los que se presentaran en este proyecto de grado, relacionados con el tema climatológico, fueron adquiridos de la página de la NREL (National Renewable Energy Laboratory) que ofrece bases de datos completas de mediciones climatológicas alrededor de todo el mundo. [28] Los datos fueron analizados por medio del software gratuito que ofrece la NREL que se llama SAM [29] y por medio de Excel.
Como base de datos para hacer el análisis solar de este proyecto se tomaron los datos recopilados en los años 2016, 2017 y 2018. Las variables de interés fueron las fechas y la GHI (radiación global) asociadas a las 24 horas del día. Teniendo esto, se procedió a organizar los datos de tal manera que fuera sencillo determinar el mes con menor GHI como se puede evidenciar en la Figura 13 (en el anexo 2 se pueden encontrar la distribución de radiación anual del 2016-2018)
Figura 15 Perfil de radiación GHI en la Guajira para el 2018
28
En la Figura 15 se clasifican los datos utilizando una escala de color que permite diferenciar entre días de alta y baja radiación, siendo rojo y azul mayor y menor radiación respectivamente. En la fila inferior se encuentra el promedio de radiación mensual y es allí donde se obtiene el mes de menor radiación al año.
Para garantizar un análisis más confiable, se repitió este mismo proceso para el 2016 y 2017. Se determinaron los meses de menor radiación solar para cada uno de estos años (Tabla 5) y se calculó un mes hipotético basado en el promedio de las radiaciones obtenidas día a día de estos meses. Finalmente, se procedió a calcular la radiación solar del día típico en este mes hipotético. En la Figura 16 se puede ver el perfil de GHI del día típico de menor radiación de los años 2016-2018:
Tabla 5 Meses de menor radiación desde el 2016 al 2018
2016 (mes 12) 2017 (mes 11) 2018 (mes 05) Mes hipotético Hora Promedio (W/𝑚𝑚2) Promedio (W/𝑚𝑚2) Promedio (W/𝑚𝑚2) Promedio (W/𝑚𝑚2)
0 0,00 0,00 0,00 0,00 1 0,00 0,00 0,00 0,00 2 0,00 0,00 0,00 0,00 3 0,00 0,00 0,00 0,00 4 0,00 0,00 0,00 0,00 5 0,00 0,00 5,26 1,75 6 45,74 83,97 104,26 77,99 7 239,39 275,70 270,94 262,01 8 416,77 449,33 439,03 435,05 9 552,71 591,80 579,84 574,78
10 668,16 682,00 642,77 664,31 11 754,26 764,77 697,90 738,98 12 745,13 703,47 763,06 737,22 13 669,26 672,17 699,94 680,45 14 532,94 493,70 572,29 532,98 15 348,81 307,50 398,03 351,45 16 150,13 120,67 207,90 159,57 17 0,61 0,00 56,32 18,98 18 0,00 0,00 0,00 0,00 19 0,00 0,00 0,00 0,00 20 0,00 0,00 0,00 0,00 21 0,00 0,00 0,00 0,00 22 0,00 0,00 0,00 0,00 23 0,00 0,00 0,00 0,00
Total (Wh/𝑚𝑚2) 5123,90 5145,07 5437,55 5235,51
29
Figura 16 Perfil de radiación del día típico del mes menos soleado entre el 2016-2018
6. DIMENSIONAMIENTO, DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA
En esta sección se encuentran los principales procesos de selección, cálculos y decisiones que se siguieron para llegar a la propuesta final de los sistemas de desalinización. Primero se muestra un esquema general del sistema (Figura 17). En la sección 6.2 se presentan los filtros seleccionados, en la 6.3 se encuentran todos los cálculos hidráulicos y la selección de las bombas y la 6.4 abarca todo lo que es el diseño del sistema de alimentación eléctrica por energía solar.
6.1 Esquema General
Figura 17. Esquema general del sistema de desalinización.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
RADI
ACIÓ
N P
OR
UN
IDAD
DE
ÁREA
(W/M
^2)
HORA DEL DÍA
Día Típico Mes Menos Soleado
30
De la figura anterior se pueden identificar 5 etapas principales que se explican en la siguiente tabla:
Tabla 6 Etapas y descripción del esquema del sistema de desalinización.
Etapas Nombre Descripción
1 Succión
El extremo de la manguera de succión se ubica directamente fuente de agua ya sea un reservorio o el mar. Debe tener una malla/colador para evitar la succión de objetos grandes y un flotador para evitar succión de arena del fondo de la orilla, en el caso del mar.
2 Tubería de succión
Consta de una manguera flexible de 1'' de 15 metros de largo que va desde el punto de succión al sistema de desalinización. En el caso de desalinizador de agua de mar, por seguridad el sistema debe estar ubicado mínimo a 10 metros de la orilla.
3 Bomba Un sistema de bombeo alimentado por energía fotovoltaica capaz de generar un caudal superior a 4.2 L/h a presiones de 28 y 8 bar para las unidades de agua marina y subterránea respectivamente.
4
4.1 Prefiltro de 1µ
Este filtro se encarga de retener sedimentos, una gran parte de bacterias y químicos que son perjudiciales para la salud y pueden dañar el filtro de osmosis inversa. Se utiliza en ambas unidades.
4.2 Filtro de osmosis inversa
Este filtro se encarga de retener la gran mayoría de las sales que contiene el agua del mar o subterránea. En ambos casos se utiliza un filtro diferente.
4.3 Filtro de rayos UV Filtro biológico que elimina virus, bacterias y coliformes.
4.4 Filtro de carbón
activado
Este filtro se encarga de retirar del agua el mal sabor, turbiedad y mejorar su calidad.
5 Reservorio Es el lugar donde llega el agua tratada y se reserva. Puede ser parte del sistema o un reservorio externo.
6.2 Selección De Etapa De Filtración
A continuación, se presenta el proceso de selección y diseño llevado a cabo para las dos unidades que se desean construir, la unidad para agua subterránea y la unidad para agua de mar. Para ambas unidades se utilizan los mismos filtros a excepción del filtro de osmosis inversa. Cada uno de los filtros seleccionados para las 4 etapas de las unidades son accesibles en línea para hacer pedidos a Colombia con referencias vigentes para el 2020. A continuación, se mostrarán los filtros seleccionados, sus propiedades principales y la justificación respectiva para ser seleccionado como parte de la unidad.
31
6.2.1 Filtro de Pretratamiento
Para el pretratamiento se seleccionó un filtro de la marca PALL con diámetro nominal de poro de 1 µm. Los principales criterios que se utilizaron para seleccionar este filtro fueron:
Criterio Conformidad Capaz de filtrar partículas de un tamaño del orden de 1-5 µm
Cumple
Baja caída de presión Cumple Fácil de reemplazar o limpiar Cumple Alta eficiencia o vida útil Cumple Largo menor a 0.7 m Cumple
En la Figura 4 se puede ver el rango de partículas que alcanzaría a filtrar este elemento, incluyen gran parte de bacterias, coloides, materia orgánica, etc. En la Figura 18 se puede ver que la caída de presión es muy baja en el punto de operación de los sistemas (recuadro amarillo), que es de 6.8 L/min (en la sección 6.3 se determina este caudal por las bombas seleccionadas) y por esto se prefirió este filtro por encima de uno de ultrafiltración, comúnmente utilizados para el pretratamiento de desalinización por osmosis inversa, que manejan tamaño de poro en nanómetros y tienen caídas de presión más altas, del orden de 1-5 bares.
Figura 18 Caídas de presión para diferentes caudales de operación. [30]
32
Este filtro viene en presentación de cartuchos tubulares de polipropileno con tolerancia química a diferentes tipos de sustancias. Viene con su propia cubierta incluida de 20 pulgadas de largo y 2 de diámetro. Acoplable a tuberías de diferentes diámetros, entre 1” y 1 ½ ”, y fácil de instalar. En la Figura 19 se puede ver el detalle del cartucho.
Figura 19 Cartucho Claris correspondiente al prefiltro de tratamiento. [30]
Garantiza una larga vida útil estableciendo como parámetro de reemplazo el hecho de alcanzar una presión diferencial de 3.45 bares con agua a 20 C°. En la siguiente figura se puede ver la información suministrada por el proveedor (en el anexo 4 se pueden encontrar toda as especificaciones técnicas):
-
Figura 20 Características de operación y mantenimiento del prefiltro. [30]
Sin embargo, esta definición de la vida útil no nos da una idea del tiempo que durara el filtro en operación. Por este motivo se procedió a hacer unas simulaciones con modelos matemáticos para la predicción del ensuciamiento de filtros para la unidad de agua de mar. Como se menciona en la sección 4.1.1, el modelo elaborado para este filtro se hizo con base
33
a la información técnica suministrada por el proveedor (Figura 18 y Figura 20) y la tesis doctoral de M. H. Navarro [14]
Para el modelo planteado, se parte de las siguientes suposiciones:
Tabla 7 Suposiciones y aspectos relevantes en el modelo planteado para la vida útil del filtro de pretratamiento.
Suposiciones para Cálculos de Vida Útil del Prefiltro
Torta incompresible: Esto quiere decir que la acumulación de los sólidos suspendidos en el agua no se comprime al pasar del tiempo, esto simplifica de manera significativa los cálculos y los parámetros necesarios. Filtración a caudal constante: A medida que se va ensuciando el filtro, en lugar de tener una caída del caudal resultante al final del filtro, se obtiene una caída de presión que aumento con el tiempo. Esto se asume ya que la bomba que se utiliza es de desplazamiento positivo y mantiene constante su caudal ante cambios de presión aguas arriba. Índice de resistencia del fluido (I) es igual a la resistencia por volumen específico permeado (RV): Debido a la falta de datos experimentales para determinar estas resistencias, se toman las resistencias de un filtro similar estudiado por M. H. Navarro en su tesis doctoral. [14] Propiedades del agua de la Guajira: Se referencian directamente las propiedades determinadas en el proyecto de grado de Esteban Nieves “Selección, dimensionamiento y diseño de una planta desalinizadora de agua impulsada por energía solar en la Guajira” que fueron determinadas con una muestra de agua de mar de la Guajira. [31]
Sabiendo esto, tenemos la ecuación ( 1) donde el tiempo (t) es nuestra variable de interés. El resto de las variables se pueden determinar, buscar o calcular teniendo en cuenta las suposiciones planteadas en la Tabla 7
∆𝑃𝑃 = 𝑃𝑃1 − 𝑃𝑃3 =𝑄𝑄2 ∙ 𝜇𝜇 ∙ 𝜌𝜌 ∙ 𝑆𝑆0 ∙ 𝛼𝛼𝑠𝑠(1 −𝑀𝑀 ∙ 𝑆𝑆0) ∙ 𝐴𝐴2 ∙ 𝑡𝑡 +
𝑄𝑄 ∙ 𝜇𝜇 ∙ 𝑅𝑅𝑓𝑓𝐴𝐴
( 1)
[17]
La diferencia de presión ∆𝑃𝑃 se refiere a la resta entre la presión en el punto 1 menos la presión en el punto 3, en la siguiente figura se ilustran los puntos de interés:
34
Figura 21 Secciones relevantes para modelaje de ensuciamiento de medios filtrantes [17]
De la ecuación ( 1) las variables 𝜶𝜶𝒔𝒔, que es la resistencia producida por unidad de densidad superficial de partículas de ensuciamiento (m/kg), y 𝑹𝑹𝒇𝒇, que es la resistencia propia del medio filtrante (𝑚𝑚−1), se deben determinar experimentalmente con pruebas estandarizadas. Sin embargo, para este proyecto se determinan estas variables referenciando los resultados obtenidos por M. H. Navarro en su tesis doctoral y utilizando las siguientes relaciones:
𝐼𝐼 = 𝛼𝛼𝑠𝑠 ∙ 𝐶𝐶𝑏𝑏 ( 2)
𝐶𝐶𝑏𝑏 = 𝜌𝜌 ∙ 𝑆𝑆0 ( 3)
𝐼𝐼 = 𝑅𝑅𝑅𝑅_𝐶𝐶𝐶𝐶𝑡𝑡10−𝑡𝑡60 ( 4)
[14]
Donde 𝐼𝐼, que es el índice de resistencia del fluido (𝑚𝑚2), tiene una relación directa de igualdad con 𝑅𝑅𝑅𝑅_𝐶𝐶𝐶𝐶𝑡𝑡10−𝑡𝑡60 que es el índice de resistencia calculado por M. H. Navarro para la muestra de agua marina y el filtro que el usa. Para esta simulación se toman los mismos valores que determina M.H. Navarro ya que las características de los filtros utilizados por el son similares al prefiltro seleccionado en esta sección.
Para 𝑹𝑹𝒇𝒇, se tiene:
𝑢𝑢 =𝑄𝑄𝐴𝐴
( 5)
𝑅𝑅𝑓𝑓 =𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑝𝑝𝑢𝑢 ∙ 𝜇𝜇
( 6)
35
En la Tabla 8 se pueden ver resumidos todos los parámetros necesarios para obtener los resultados de vida útil del filtro.
Tabla 8 Valores numéricos para los parámetros utilizados en el modelo de vida útil del prefiltro
Parámetro Valor Comentario Radio (r) 0,0127 (m) Radio del filtro dado por el proveedor Largo (L) 0,508 (m) Largo del filtro dado por el proveedor Área (A) 0,04052 (𝑚𝑚2) Área de un cilindro
Caudal (Q) 0,0001133(𝑚𝑚3/s) o 6,8L/min
Proporcionado por la bomba seleccionada
Caída de Presión (Caida_p) 3550(Pa) Caída presión normal de operación Figura 13
Presión Diferencial (∆𝑃𝑃) 345 (kPa) Presión diferencial de reemplazo Viscosidad dinámica (𝜇𝜇) 0,001 (Pa-s) Se toma la misma del agua normal
Fracción de sólidos suspendidos (𝑆𝑆0) 0,009896
De la caracterización de agua de mar de la Guajira [31], se determina como los sólidos suspendidos dividido los
sólidos disueltos totales.
𝑅𝑅𝑅𝑅_𝐶𝐶𝐶𝐶𝑡𝑡10−𝑡𝑡60 1 × 1012 (𝑚𝑚−2) Índice de resistencia calculado por M. H. Navarro
I 1 × 1012 (𝑚𝑚−2) Determinado por ecuación ( 4)
𝜌𝜌 1,027 (kg/𝑚𝑚3) Densidad aproximada del agua de mar
𝛼𝛼𝑠𝑠 1,21 × 108 (m/kg) Determinado por ecuaciones ( 2) y ( 3)
𝑢𝑢 0,002797 (m/s) Velocidad del fluido Determinada por ecuación ( 5)
𝑅𝑅𝑓𝑓 1,269 × 109(𝑚𝑚−2) Determinada por ecuación ( 6)
La simulación se hizo con ayuda del software EES para determinar la vida útil del filtro en meses, que siempre fue la variable dependiente para evaluar tres diferentes escenarios de interés.
El primer escenario tiene el propósito de determinar el comportamiento de la vida útil del filtro con respecto a diferentes caudales de operación. En la Figura 22 se pueden ver los resultados obtenidos. La vida útil del prefiltro decrece exponencialmente a medida que el caudal aumenta. Es importante notar que los caudales donde la vida útil sobrepasa los 20 meses, ya es muy bajo para la aplicación que se desea. En la Figura 22 también se puede evidenciar el punto de operación de la bomba seleccionada y como su vida útil en ese punto es de aproximadamente 13 meses.
36
Figura 22 Comportamiento de la vida útil del prefiltro en meses con respecto al caudal de operación.
El segundo caso planteado fue el de la vida útil versus el área superficial del filtro. Este caso es de interés ya que el proveedor de estos filtros ofrece diferentes tamaños para el mismo tipo de filtro, puede variar el radio y la longitud del filtro. Para esta simulación se variaron las dimensiones del filtro desde la referencia más pequeña (r= 0,0127 m y L= 0,127 m) hasta la más grande (r= 0,01905 m y L= 0,7 m) disponible para ese filtro. En la Figura 17 están los resultados obtenidos y se puede observar la tendencia de un incremento sustancial de la vida del filtro a medida que crece su área. Tanto así que un filtro de 1 ½” por 0,7 metros podría llegar a alcanzar una vida de aproximadamente 40 meses. Sin embargo, este filtro no se podría utilizar en el sistema ya que es muy grande y no encajaría con el resto del sistema. El punto de operación está ubicado en el tamaño de filtro que más se acopla a las dimensiones pensadas para la unidad y son radio de 1” (0,0127) y largo de 0,508 m, estimando una vida de 13 meses.
Figura 23 Comportamiento de la vida útil del prefiltro en meses con respecto al área del filtro.
37
El siguiente escenario que se analizo fue el comportamiento de la vida útil del prefiltro en relación a la temperatura a la que se encuentra el fluido de trabajo. Se decidió simular este caso ya que la temperatura es uno de los únicos parámetros mencionados en la ficha técnica del producto que afecta directamente en la presión diferencial soportada por este (ver Figura 20). La temperatura del agua del mar puede ser variable dependiendo de la zona que se esté trabajando y también es importante saber que en muchas ocasiones se podría estar desalinizando agua marina o subterránea mantenida en reservorios que duran largos tiempos a la luz del sol aumentando su temperatura considerablemente.
Para lograr esta simulación se partió de la suposición en la cual la presión diferencial soportada por prefiltro tiene una relación lineal con la temperatura de operación. Es así que se determina la recta expuesta en la Figura 24 utilizando los dos valores expuestos en la ficha técnica.
Figura 24 Relación entre la temperatura del fluido y la presión diferencial soportable por el prefiltro
Una vez teniendo esta relación entre presión diferencial soportada y temperatura, se incorpora al código inicial en EES y variando las temperaturas del fluido de 20 a 60 C° se obtienen los resultados expuestos en la Figura 25. Se puede evidenciar que la vida útil del prefiltro muestra una relación con tendencia lineal decreciente al aumento de la temperatura del fluido. Se toma como punto de operación el agua de mar a una temperatura nominal de 20 C°, donde se espera una vida útil de 13 meses.
y = -0,0433x + 4,315
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
10 20 30 40 50 60 70
Pres
ión
(Bar
)
Temperatura (C°)
Presión Diferencial Soportada v.s. Temperatura
38
Figura 25 Comportamiento de la vida útil del prefiltro en meses con respecto a la temperatura del fluido.
6.2.2 Filtro de Osmosis Inversa
Uno de los principales inconvenientes al momento de diseñar un sistema de desalinización de agua por el método de osmosis inversa está ligado directamente con la alta demanda energética asociada a la alta presión requerida, como se puede ver en la Figura 11. Este inconveniente fue uno de los principales criterios para la selección de las membranas ya que como se vio en la Tabla 1, el tamaño pensado para el sistema diseñado es un limitante no solo dimensional sino energético. Por este motivo se hizo una búsqueda detallada de los filtros de osmosis inversa disponibles en el mercado y se encontraron dos tipos de membranas relevantes. El primer tipo corresponde a la línea de membranas de osmosis inversa especializadas para agua de mar, distribuidas por Dow de la referencia Filmtech SW30 [32] . El otro tipo de membranas encontrado fue la nueva generación de membranas de osmosis inversa de ultra baja demanda energética ofrecida por la línea Filmtech XLE de Dupont, las cuales generaron un gran interés para este proyecto. Como se verá a continuación, ambas membranas tienen sus ventajas y desventajas frente a los 2 escenarios que se buscan atacar en la Guajira.
6.2.2.1 Membrana de Osmosis Inversa para Agua de Mar
El primer escenario de interés es donde el agua de alimentación viene directamente del mar. Esta agua ya fue caracterizada por Esteban Nieves en su proyecto de grado [31] y esta
39
información será utilizada para hacer los cálculos necesarios en el proceso de selección de la membrana. Toda la caracterización del agua se encuentra en el anexo 3 al final de este documento.
En primer lugar, se procedió a calcular el porcentaje de retención de sal necesario para nuestra agua de mar. Esto se hizo por medio de la ecuación ( 7):
𝑅𝑅 % =𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑢𝑢𝑐𝑐𝑡𝑡𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝑑𝑑 𝐸𝐸𝐶𝐶𝑡𝑡𝐸𝐸𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 − 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑢𝑢𝑐𝑐𝑡𝑡𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝑑𝑑 𝑆𝑆𝐶𝐶𝑆𝑆𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑢𝑢𝑐𝑐𝑡𝑡𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝑑𝑑 𝑆𝑆𝐶𝐶𝑆𝑆𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 ∙ 100% ( 7)
𝑹𝑹 % =32550 − 1000
32550= 𝟗𝟗𝟗𝟗.𝟗𝟗𝟑𝟑 %
Se tomo una conductividad de salida de 1000 ya que así lo dicta la Resolución 2115 de 2007 – Agua Potable. Si se compara este valor con la última columna de la Figura 26, se puede determinar que las membranas halladas cumplen con este requerimiento
Una vez se sabe esto, el segundo parámetro más importante de calcular es la presión requerida para obtener el caudal permeado Qp deseado, de mínimo 100 litros al día. Ya que se tienen una restricción energética y dimensional, se procedió a comparar las diferentes presiones necesarias para suplir el caudal requerido, para dos referencias de membrana distintas. Estas dos membranas se eligieron entre las otras tres ya que vienen en un tamaño apropiado para la unidad. Las dos membranas comparadas se pueden ver en la [32]Figura 26.
Figura 26 Especificaciones técnicas de membranas de ósmosis inversa especiales para agua de mar [32]
40
Las dos membranas candidatas cumplen de lejos con el caudal mínimo permeado requerido cuando se les aplica una presión de 55 Bar. Para los siguientes cálculos se consideró 1 día como 5 horas ya que es el promedio de horas en las que se tiene energía solar para el funcionamiento de la unidad:
𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪 𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑪𝑪𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑪𝑪𝑹𝑹 → 𝑸𝑸𝑝𝑝 ≥ 100𝐿𝐿𝐶𝐶í𝐶𝐶
∙𝐶𝐶í𝐶𝐶
5 ℎ𝐶𝐶𝐸𝐸𝐶𝐶𝑠𝑠∙
1 ℎ𝐶𝐶𝐸𝐸𝐶𝐶60 𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
= 𝟎𝟎.𝟑𝟑𝟑𝟑 𝑳𝑳/𝒎𝒎𝑹𝑹𝒎𝒎
𝑺𝑺𝑺𝑺𝟑𝟑𝟎𝟎 − 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 → 𝑸𝑸𝑝𝑝 = 0.6𝑚𝑚3
𝐶𝐶í𝐶𝐶 ∙1 𝐶𝐶í𝐶𝐶
5 ℎ𝐶𝐶𝐸𝐸𝐶𝐶𝑠𝑠∙
1 ℎ𝐶𝐶𝐸𝐸𝐶𝐶60 𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
∙1000 𝐿𝐿
1 𝑚𝑚3 = 𝟐𝟐 𝑳𝑳/𝒎𝒎𝑹𝑹𝒎𝒎
𝑺𝑺𝑺𝑺𝟑𝟑𝟎𝟎 − 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 → 𝑸𝑸𝑝𝑝 = 1.2𝑚𝑚3
𝐶𝐶í𝐶𝐶 ∙1 𝐶𝐶í𝐶𝐶
5 ℎ𝐶𝐶𝐸𝐸𝐶𝐶𝑠𝑠∙
1 ℎ𝐶𝐶𝐸𝐸𝐶𝐶60 𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
∙1000 𝐿𝐿
1 𝑚𝑚3 = 𝟐𝟐 𝑳𝑳/𝒎𝒎𝑹𝑹𝒎𝒎
Ahora bien, el caudal permeado 𝑸𝑸𝑝𝑝 obtenido de una membrana de osmosis inversa es función de la presión aplicada ∆𝑃𝑃, la presión osmótica del fluido ∆𝜋𝜋, el área superficial 𝐴𝐴 y la constante de la membrana 𝐶𝐶 según la siguiente relación:
𝑄𝑄𝑝𝑝 = 𝐶𝐶 ∙ 𝐴𝐴 ∙ (∆𝑃𝑃 − ∆𝜋𝜋) ( 8)
[33] Utilizando como valores de entrada, la presión aplicada y el fluido utilizado por Dow en la Figura 26, se pueden determinar las constantes 𝐶𝐶. La presión osmótica se calculó con la ayuda del calculador de presiones osmóticas modelado por Lenntech [19]. En la Tabla 9 se pueden ver las presiones calculadas para el fluido que se utilizó por el proveedor (32000 ppm de NaCl) y para el agua de mar de la Guajira [31].
Tabla 9 Presiones osmóticas calculadas para el fluido de pruebas de Dow y el agua de mar de la Guajira
Fluido ∆𝝅𝝅 Proveedor Dow (32000 ppm de NaCl) 31.5 Bar
Agua de mar de la Guajira 25.7 Bar
𝐶𝐶 =𝑄𝑄𝑝𝑝
𝐴𝐴 ∙ (∆𝑃𝑃 − ∆𝜋𝜋) ( 9)
𝑺𝑺𝑺𝑺𝟑𝟑𝟎𝟎 − 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 → 𝑪𝑪 =2 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
0.6 𝑚𝑚2 ∙ (55 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸 − 31.5 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸) = 𝟎𝟎.𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐
𝑺𝑺𝑺𝑺𝟑𝟑𝟎𝟎 − 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 → 𝑪𝑪 =4 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
1.2 𝑚𝑚2 ∙ (55 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸 − 31.5 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸) = 𝟎𝟎.𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐
Una vez se tiene la constante, se puede despejar la presión necesaria ∆𝑃𝑃 en cada membrana, para obtener el caudal deseado de 100 litros diarios o 0.333 L/min:
41
∆𝑃𝑃 =𝑄𝑄𝑝𝑝𝐶𝐶 ∙ 𝐴𝐴 + ∆𝜋𝜋
( 10)
𝑺𝑺𝑺𝑺𝟑𝟑𝟎𝟎− 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 → ∆𝑷𝑷 =0.33 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
0.142 ∙ 0.6 𝑚𝑚2 + 25.7 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸 = 𝟐𝟐𝟗𝟗. 𝟐𝟐𝟓𝟓 𝑩𝑩𝑪𝑪𝑹𝑹
𝑺𝑺𝑺𝑺𝟑𝟑𝟎𝟎 − 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 → ∆𝑷𝑷 =0.33 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
0.142 ∙ 1.2 𝑚𝑚2 + 25.7 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸 = 𝟐𝟐𝟐𝟐.𝟗𝟗𝟐𝟐 𝑩𝑩𝑪𝑪𝑹𝑹
Se puede ver la relación favorable que tiene el aumento del área superficial de la membrana ya que disminuye la presión requerida o, en otras palabras, la energía requerida. Teniendo en cuenta esto y corroborando que las dimensiones fueran adecuadas para la unidad, se elige la SW30-2521 como la membrana de osmosis inversa más adecuada para la unidad de desalinización de agua de mar (Las especificaciones técnicas se pueden encontrar en el anexo 5).
6.2.2.2 Membrana de Osmosis Inversa para Aguas Subterráneas o de Bajo SDT
En principio se pensó que esta membrana serviría para desalinizar agua de mar, sin embargo, después de presenciar una asesoría dada por los distribuidores de Dow en Colombia (y una serie de cálculos que no incluiré en este documento), se llegó a la conclusión de que no serviría para este propósito. De todas maneras, hablando con Hender Sequeda (asesor de ventas de Dow), se pudo determinar que esta membrana representa una alternativa para la desalinización de otros tipos de agua menos concentradas. En este tipo de aguas, con SDT del orden de 10000 ppm, entran gran parte de las aguas subterráneas terrestres y, como se vio en la sección 3, estas aguas son de gran importancia en el abastecimiento de agua en la Guajira. Es pensando en estas comunidades, no necesariamente costeras, que se decide hacer los cálculos para el diseño de una unidad alternativa, desalinizadora de aguas subterráneas.
Al igual que en la membrana de osmosis inversa para agua de mar, se procede a calcular el porcentaje de retención de sal necesario para un agua subterránea hipotética de 10000 ppms. Este valor se escogió con base a en una serie de muestras de agua subterránea tomadas de San Andres en el estudio “Análisis De Resultados Para Los Pozos Pertenecientes A La Red De Calidad De Agua Subterránea De La Isla De San Andrés.” Hecho por Nathalie Monsalve O’Neill para La Corporación para el Desarrollo Sostenible de San Andrés, Providencia y Santa Catalina. [34] Se utilizó el SDT promedio de las muestras encontradas en este estudio.
𝑹𝑹 % =10000 − 1000
10000 = 𝟗𝟗𝟎𝟎 %
42
Como se puede ver en la última columna de la Figura 27, todas las referencias de membrana XLE cumplen con este requerimiento.
En la Figura 27 también se puede evidenciar que el caudal permeado entregado por la membrana a 6.9 Bar, es mayor o igual a 0.33 L/min en todas las referencias y por lo tanto también cumple con el requerimiento de caudal establecido en la Tabla 1.
Figura 27 Especificaciones técnicas de membranas de ósmosis inversa de baja energía [35]
Una vez más se calculan las presiones osmóticas de los dos fluidos de interés (el utilizado por el proveedor y el supuesto para aguas subterráneas) utilizando la calculadora de Lenntech [19]:
Fluido ∆𝝅𝝅 Proveedor Dupont (500 ppm de NaCl) 0.5 Bar
Agua Subterránea 8 Bar
Con la ecuación ( 9) se calcula la constante C de la membrana XLE-2521, que es la única que cumple con las restricciones dimensionales. Para este cálculo se utilizó la misma área que la
43
membrana SW30-2521 ya que no especifican el área activa de la membrana XLE y estas dos membranas tienen las mismas dimensiones:
𝐶𝐶 =4.667 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶
(6.9 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸 − 0.5 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸) ∙ 1.2 𝑚𝑚2 = 0.6
Una vez se tiene la constante, se puede despejar la presión necesaria ∆𝑃𝑃 en cada membrana, para obtener el caudal deseado de 100 litros diarios o 0.333 L/min, utilizando la ecuación ( 10):
∆𝑷𝑷 =0.33 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶0.6 ∙ 1.2 𝑚𝑚2 + 8 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐸𝐸 = 𝟓𝟓.𝟐𝟐 𝑩𝑩𝑪𝑪𝑹𝑹
Por medio de estos cálculos se corrobora que la referencia XLE-2521 cumple con los requerimientos mínimos de abastecimiento y por lo tanto se selecciona como la membrana de osmosis inversa para la desalinización de agua subterránea (Las especificaciones técnicas se pueden encontrar en el anexo 6).
6.2.3 Filtro de Rayos UV
Una vez el agua que se está tratando, ya sea de mar o subterránea, pasa el pretratamiento y el filtro de osmosis inversa, se encuentra clara, con concentraciones bajas de sales, pero aún puede contener bacterias o virus que no fueron retenidos. Es por este motivo que se incluye esta etapa en el diseño de las unidades. Como se pudo ver en la sección 4.1.3 una región de las longitudes de onda correspondientes a los rayos UV tiene propiedades germinicidas que comúnmente se utilizan para tratar aguas pensadas para el consumo.
A continuación, en la Tabla 10, se encuentran las consideraciones más importantes para seleccionar el filtro de rayos UV y su conformidad:
Tabla 10 Requerimientos necesarios para el filtro de rayos UV
Requerimiento Valor Deseado Valor Producto Conformidad Intensidad y Saturación
Mayor a 16,0000 uwsec/𝑐𝑐𝑚𝑚2
16,0000 uwsec/𝑐𝑐𝑚𝑚2 Cumple
Tamaño Largo menos a 0,7 m Largo de 0,32 m Cumple Caudal Mayor a 0.33 L/min Máximo caudal de
1.5 L/min Cumple
Presión Mínimo resiste 28 Bar Máxima resistencia de 8 Bar
No cumple sin regulador.
44
El filtro seleccionado fue el Filtro de rayos UV con Lámpara Ultravioleta de 6W de mercado de valle. En la Figura 28 se puede ver el filtro con su lampara y conector eléctrico. [36]
Figura 28 Filtro de rayos UV de la marca Puriplus [36]
Como se puede ver en la Tabla 10, el único requerimiento que no cumple el filtro UV es la presión que puede soportar. En la sección 6.2.2 se establece que las presiones necesarias para los sistemas diseñados son de mínimo 8.5 bar y 28 bar para la unidad de agua de mar y agua subterránea respectivamente. El filtro de rayos UV no podría funcionar para ninguna las dos unidades si no se incorpora un regulador de presión. En la Figura 29 se presenta el regulador de presión seleccionado para las unidades, en cada unidad se graduaría de manera distinta ya que en cada unidad la presión será diferente.
Figura 29 Regulador de presión comercial [37]
Otro aspecto importante para tener en cuenta de la Tabla 10 es la intensidad y saturación que se desea tener (de 16,000 uwsec/𝑐𝑐𝑚𝑚2 o clase A). Se elige esta intensidad y saturación ya que no es necesario un mayor rango ya que la concentración de virus y bacterias del agua no son tan elevadas según las muestras de agua de la Guajira utilizadas en este proyecto (Anexo 3). Esta decisión significa un ahorro económico y energético importante.
45
6.2.4 Filtro de Carbón Activado
El filtro de carbón activado seleccionado fue una referencia que se acoplara a las condiciones básicas del sistema. En esencia son las mismas condiciones planteadas en Tabla 10 sin incluir la primera fila.
Figura 30 Filtro de carbón activado marca Atlas con su respectiva carcasa [38] [39]
El filtro de la marca Atlas Filtra con referencia RA5180125 cumple con todos los requerimientos establecidos. Es un filtro de carbón activado diseñado para mejorar el sabor del agua, enriquecerla con algunos minerales y fácil de reemplazar. El proveedor garantiza una vida útil de 3 meses con un caudal de 2.5 L /min, que es 7 veces el caudal que se requiere. Por esto se estima que el filtro puede tener una vida útil de al menos 1 año.
6.3 Dimensionamiento Y Selección del Sistema de Bombeo
Como se vio en la sección 4.2 el tipo de bomba que se seleccionara debe ser de desplazamiento positivo. En las secciones posteriores se seleccionará una bomba para cada tipo de agua tratada, no se utilizará la misma ya que las presiones necesarias para cada caso son muy diferentes. También se evidenciará que los caudales de salida de las bombas deberán ser mucho mayores al caudal establecido en la Tabla 1 debido al porcentaje de recuperación de las membranas de osmosis inversa seleccionadas en la sección 6.2.2.
6.3.1 Cálculo de Pérdidas Asociadas al Sistema
46
Aparte de tener en cuenta los requerimientos de presión establecidos por los filtros, también es importante calcular y analizar las pérdidas que se podrían generar por el arreglo de la tubería. Estas pérdidas son importantes ya que se deben tener en cuenta en la determinación de la presión neta necesaria.
Tabla 11 Propiedades específicas del agua de mar para cálculos hidráulicos
Datos Técnicos Valor Unidades Tiempo llenado 5,00 horas Caudal bomba 6,94E-05 (𝑚𝑚3/s)
Agua a 10°C
Densidad H2O 1,03 (g/ml) Viscosidad
Cinemática H2O 1,15E-04 (𝑚𝑚2/s)
Reynolds 40,36 NA Distancia total 60,00 m Diámetro tubería 0,02 m
Área Transversal 2,85E-04 𝑚𝑚2
En la Tabla 11 se resumen las propiedades más importantes del agua de mar para hacer los cálculos de las pérdidas asociadas al sistema. Estos cálculos servirán para las dos unidades diseñadas ya que son perdidas que son asociadas a el tipo de tubería, las uniones y elementos necesarios, que serán los mismos en ambos casos ya que lo único que cambia es la bomba y la membrana de osmosis inversa.
Para calcular el caudal que debe proporcionar la bomba se debe tener una consideración muy importante asociada a la membrana de osmosis inversa, y es el porcentaje de recuperación (𝛾𝛾). Las membranas de osmosis inversa siempre se operan bajo un porcentaje de recuperación específico dependiendo de las necesidades que se tienen. El porcentaje de recuperación se define según la ecuación ( 12) como el porcentaje del agua que entra a la membrana que logra ser desalinizada:
𝛾𝛾 =𝑄𝑄𝑝𝑝𝑄𝑄𝑖𝑖𝑖𝑖
( 11)
[40]
De esta ecuación se puede deducir que el caudal permeado (Qp) es el caudal requerido del que habla la Tabla 1. Esto quiere decir que el caudal que debe ser suministrado por la bomba corresponde a Qin y debe ser muchísimo mayor a 100 litros al día:
𝑄𝑄𝑖𝑖𝑖𝑖 =𝑄𝑄𝑝𝑝𝛾𝛾 → 𝑄𝑄𝑖𝑖𝑖𝑖 =
0.33 𝐿𝐿/𝑚𝑚𝐶𝐶𝐶𝐶% 8
𝑄𝑄𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝟐𝟐.𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝑳𝑳
𝒎𝒎𝑹𝑹𝒎𝒎 𝑹𝑹 𝟗𝟗.𝟗𝟗𝟐𝟐 × 𝟐𝟐𝟎𝟎−𝟐𝟐𝒎𝒎𝟑𝟑
𝒔𝒔
47
Se utiliza un porcentaje de recuperación del 8% siguiendo las recomendaciones del proveedor para garantizar una larga vida útil y preservación de la membrana de osmosis.
Ya sabiendo el caudal de operación de parte del sistema, se calcula el número de Reynolds para determinar el tipo de flujo que tiene el sistema. El valor indica que se trata de un flujo laminar y por lo tanto no existen pérdidas significativas asociadas a la tubería en sí. Esto no ocurre cuando se analizan las perdidas asociadas a elementos como codos, uniones y válvulas. En la Tabla 12 se pueden ver la comparación entre las pérdidas que se tienen utilizando diámetros distintos de tubería:
Tabla 12 Cálculo de pérdidas hidráulicas asociadas a los elementos del sistema
Cálculo de Perdidas Elemento Cantidad Coeficiente (K) Válvulas 2 14 Codo normal 90° 10 2 0,5 0,39 0,3 Codo suave 90° 2 0,4 0,4 0,3 0,19 Codo suave 45° 6 0,39 0,21 0,2 0,19
Diámetro Nominal (in) 0,50 1 2 4 Pérdida codos y valv. (m) 0,15 0,11 0,10 0,10
Pérdida tubería (m) 0,00 0,00 0,00 0,00 Pérdida Total (m) 0,15 0,11 0,10 0,10
Los resultados obtenidos indican que las pérdidas del sistema asociadas a cuestiones de tubería son mínimos. De la Tabla 12 se puede concluir también que es más óptimo utilizar tuberías de diámetro mayores a ½ pulgada para reducir las pérdidas. Para las unidades se utilizará tubería de 1 pulgada de diámetro por facilidad de ensamble. También, por precaución y buenas prácticas en ambos casos se escogerán bombas con una capacidad un poco mayor al caudal y las presiones mínimas necesarias.
6.3.2 Bomba para Unidad de Desalinización de Agua de Mar
En la Tabla 13 se encuentran los criterios que se utilizaron para seleccionar la bomba para la unidad de desalinización de agua de mar. Estos criterios se derivaron directamente de las consideraciones más importantes tenidas en cuenta en toda la sección de filtración (6.2) y los cálculos hidráulicos de la sección previa:
Tabla 13 Criterios de selección de la bomba para la unidad de agua de mar
Requerimiento Valor Deseado Valor Producto Conformidad Resistencia a agua de mar
Sí Sí, es importante hacer un lavado con fluidos anticorrosivos para
garantizar larga vida útil.
Cumple
Caudal Mayor a 4.125 L/min 5.5 L/min Cumple
48
Presión Mayor a 28 Bar 34.5 Bar Cumple Consumo Energético
Menor a 0.6 HP Consumo de 0.56 HP Cumple
La bomba seleccionada para la unidad desalinizadora de agua de mar fue la bomba Hypro Small Twin Piston and Plunger Pumps modelo 5315. Es una bomba de desplazamiento positivo de la marca Pentair que funciona con dos pistones reciprocantes. En la Figura 31 se puede ver el aspecto de la bomba y sus dimensiones generales1:
Figura 31 Bomba seleccionada para la unidad desalinizadora de agua de mar [41]
En esencia esta bomba está diseñada para el bombeo de fluidos utilizados en la industria agrícola, proporcionando bajos caudales a altas presiones para aplicaciones como fumigación, riego, etc. Este tipo de aplicaciones requieren medios/materiales resistentes a la corrosividad en los componentes de la bomba, que puedan resistir químicos o aguas de baja calidad y altos contenidos de sales. El proveedor anuncia que con un apropiado lavado y mantenimiento semanal con fluidos anti corrosivos, las bombas se preservan y mantienen su funcionamiento por largos tiempos. [41] El material utilizado es una resistente aleación de hierro fundido para el cuerpo de la bomba y una serie de polímeros para otras piezas.
1 Para mayor información se puede seguir la referencia citada.[41]
49
En cuanto a la operación de la bomba, requiere de un motor que le suministre velocidad y potencia al sistema. Esta bomba tiene varios puntos de operación donde dependiendo de la velocidad y potencia suministrada, provee de un caudal y presión específicos. En la Tabla 14 se pueden ver los distintos puntos de operación:
Tabla 14 Diferentes puntos de operación para la bomba de desalinización de agua de mar
En la Tabla 14 se puede evidenciar que, a una misma velocidad de rotación, se pueden obtener diferentes presiones y caudales variando la potencia aplicada a la bomba. Resaltado se encuentra el punto de operación más cercano al deseado. Sin embargo, en la Figura 32 se procede a graficar los datos de presión y potencia que se encuentran en la Tabla 14, y se identifica una tendencia lineal proporcionalmente creciente de la presión con respecto a la potencia aplicada:
Figura 32 Comportamiento de la presión con respecto a la potencia aplicada de la bomba para desalinización de agua
de mar
Si reemplazamos un valor de presión de 29 Bar en la ecuación de la línea (que estaría 1 Bar por encima del mínimo requerido) se obtiene que se necesita una potencia de 0,47 HP. Con
y = 71,419x - 4,6803R² = 0,9909
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Pres
ión
(Bar
)
Potencia (HP)
Presión Resultante v.s. Potencia Aplicada
50
este valor y suponiendo que con esta potencia el caudal obtenido será de 5.5 o similar como se evidencia en la Tabla 14 se procede a buscar y seleccionar el motor DC más apropiado.
El motor seleccionado fue el Leeson modelo #108047, es un motor DC de ½ Hp. En la Figura 33 y la Tabla 15 se puede ver el motor y sus especificaciones técnicas generales respectivamente. De igual manera en el anexo 7 se puede encontrar información más detallada del motor.
Figura 33 Aspecto físico motor Leeson para unidad de agua de mar [42]
Tabla 15 Especificaciones técnicas motor eléctrico de unidad para agua de mar
Aspecto Técnico Valor RPM 1800
Voltaje (V) 12 Corriente (A) 39 Potencia (HP) ½
Peso (kg) 13.6
Es importante ver que existe una diferencia con respecto a la velocidad de giro que tiene el motor y la velocidad de giro requerida por la bomba. Para obtener la velocidad de giro deseada se utiliza la siguiente guía proporcionada por el proveedor de la bomba:
𝑅𝑅𝑃𝑃𝑀𝑀 𝑚𝑚𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶𝐸𝐸𝑅𝑅𝑃𝑃𝑀𝑀 𝑏𝑏𝐶𝐶𝑚𝑚𝑏𝑏𝐶𝐶 =
𝐷𝐷𝐶𝐶𝐶𝐶𝑚𝑚𝑑𝑑𝑡𝑡𝐸𝐸𝐶𝐶 𝑃𝑃𝐶𝐶𝑆𝑆𝑑𝑑𝐶𝐶 𝐵𝐵𝐶𝐶𝑚𝑚𝑏𝑏𝐶𝐶𝐷𝐷𝐶𝐶𝐶𝐶𝑚𝑚𝑑𝑑𝑡𝑡𝐸𝐸𝐶𝐶 𝑃𝑃𝐶𝐶𝑆𝑆𝑑𝑑𝐶𝐶 𝑀𝑀𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶𝐸𝐸
( 12)
[41]
6.3.3 Bomba para Unidad de Desalinización de Agua Subterránea
De igual manera que en la bomba de la unidad para agua de mar, en la Tabla 16 se encuentran los criterios que se utilizaron para seleccionar la bomba para la unidad de desalinización de agua subterránea. Estos criterios se derivaron directamente de las consideraciones más
51
importantes tenidas en cuenta en toda la sección de filtración (6.2) y los cálculos hidráulicos de la sección previa:
Tabla 16 Criterios de selección de la bomba para la unidad de agua subterránea
Requerimiento Valor Deseado Valor Producto Conformidad Resistencia a
agua subterránea Sí Sí, es importante hacer un
lavado con fluidos anticorrosivos para
garantizar larga vida útil.
Cumple
Caudal Mayor a 4.125 L/min Máximo caudal de 6.8 L/min
Cumple
Presión Mayor a 8 Bar 10.3 Bar Cumple Consumo Energético
Menor a 0.6 HP 0.25 HP Cumple
La bomba seleccionada para esta unidad fue la VERSA-TWIN 2130 SERIES PLUNGER PUMPS. Una bomba diseñada para aplicaciones de plomería, capaz de resistir aguas de calidades muy bajas y a presiones medias altas. También es una bomba de desplazamiento positivo con pistones. En la Figura 34 se puede ver el aspecto de la bomba y su punto de operación:
Figura 34 Bomba seleccionada para la unidad desalinizadora de agua subterránea
La ventaja de esta bomba es que viene incluida con un motor DC que va conectado directamente y proporciona la velocidad de giro deseada sin necesidad de más elementos adicionales. También es una bomba que presta una gran flexibilidad para la succión y descarga ya que cuenta con dos entradas y dos salidas, permitiendo jugar con estas
52
posibilidades. A continuación, en la Tabla 17, se encuentran las especificaciones técnicas más relevantes del motor.
Tabla 17 Especificaciones técnicas motor eléctrico de unidad para agua subterránea
Aspecto Técnico Valor RPM 2200
Voltaje (V) 12 Corriente (A) 20 Potencia (HP) ¼
Peso (kg) 10
6.3.4 Bomba Manual Alternativa
Como una alternativa energética para ambas unidades, en caso de tener días nublados, de poca energía solar, se buscó una bomba manual. Esta bomba se piensa incorporar como una opción también cuando el sistema eléctrico, la bomba o los motores presenten fallas, garantizando un abastecimiento de agua hasta en los escenarios menos favorables.
Figura 35 Aspecto físico de bomba manual para las unidades
La bomba manual de la marca Uraca Test Power HP 140, es una bomba manual diseñada para hacer pruebas hidrostáticas que permiten detectar fugas en sistemas de tuberías. Es capaz de proporcionar 62 𝑐𝑐𝑚𝑚3 por carrera (por ciclo) a una presión de 30 Bar. Esto quiere decir que se necesitarían alrededor de 20,000 ciclos para lograr 100 litros de agua potable (teniendo en cuenta porcentaje de recuperación del 8 % en la membrana de osmosis inversa), que es bastante. Sin embargo, si lo analizamos ahora bajo un escenario excepcional donde se ubica el porcentaje de recuperación de la membrana en un 30 % (que es su límite), se necesitarán alrededor de 5,000 ciclos para suplir 100 litros. Ahora bien, cuando lo analizamos por litro de agua, se necesitan 53 ciclos, lo cual parece mucho más razonable y válido.
53
En la Tabla 18 se encuentran las especificaciones más relevantes de esta bomba y si se hace una revisión detallada de estas, se puede evidenciar que cumple con todos los requerimientos mencionados en la Tabla 1 y de presión mínima de 28 Bar establecido por la membrana de osmosis inversa para la unidad desalinizadora de agua de mar:
Tabla 18 Especificaciones técnicas de la bomba manual para ambas unidades
[43]
6.4 Dimensionamiento, Diseño Y Selección del Sistema de Abastecimiento Energético Solar
Para diseñar el sistema fotovoltaico de las unidades se va seguir el paso a paso que recomienda el libro de la Energy Market Authority [24]. El primer paso a seguir es determinar cuál es la potencia requerida por cada unidad y su consumo energético total asumiendo 5 horas de operación diaria. Para hacer esto se tomaron los valores de voltaje y corriente de alimentación que requiere cada de elemento eléctrico de las unidades y se multiplicaron para determinar la potencia de alimentación requerida. Un error hubiera sido tomar la potencia de salida de los elementos, que son las que se enuncian en la Tabla 15 y la Tabla 17, que difieren de las potencias de alimentación debido a las eficiencias asociadas a cada elemento. En las siguientes tablas se resumen estos datos para cada unidad:
Tabla 19 Datos de consumo energético asociado a la unidad de desalinización de agua de mar
Unidad Desalinizadora de Agua de Mar
Elemento Cantidad Consumo energético
(W)
Tiempo de uso (h/día)
Total (kWh)
DC Motor bomba 1 468,00 5 2,34
Filtro UV 1 1,70 5 0,01 Total 469,70 2,35
54
Tabla 20 Datos de consumo energético asociado a la unidad de desalinización de agua subterránea
Unidad Desalinizadora de Agua Subterránea
Elemento Cantidad Consumo energético
(W)
Tiempo de uso (h/día)
Total (kWh)
DC Motor bomba 1 240,00 5 1,20
Filtro UV 1 1,70 5 0,01 Total 241,70 1,21
De las tablas anteriores se procede a seleccionar las baterías primero, después el regulador de carga y finalmente los paneles solares. Se debe hacer en este orden para poder saber las eficiencias de estos elementos electrónicos y sus voltajes y corrientes permitidos.
6.4.1 Selección De Batería para Ambas Unidades
El principal criterio que se tiene en cuenta para la selección de la batería más apropiada para las unidades es la tasa de recarga/descarga que deben ser capaces de soportar para garantizar un estado flotante. En principio se pensó la posibilidad de utilizar una batería de carro como opción principal ya que garantizarían un fácil reemplazo en caso de que falle, sin embargo, como se verá a continuación, no es lo correcto. La batería de carro se dañaría rápidamente ya que su corriente de carga es muy baja con respecto a la requerida.
La tasa de recarga/descarga del sistema está asociada a la potencia requerida por las unidades. La potencia eléctrica se define como:
𝑃𝑃 = 𝐼𝐼𝑎𝑎 ∙ 𝑅𝑅 ( 13)
Los voltajes que se requieren a la salida de la batería (en su descarga) están dados por las especificaciones de los motores y el filtro UV que es de 12V. Las corrientes varían y se encuentran en la Tabla 15 y la Tabla 17, siendo 20, 39 y 0.1416 Amperios para la bomba de agua de mar, subterránea y filtro UV respectivamente. Las baterías en general manejan un voltaje de descarga de 12 V y la corriente de descarga puede variarse como se desee, entonces por este lado no hay problema.
Este análisis anterior ayuda a concebir un poco los requerimientos que se deben garantizar en la recarga de la batería teniendo en cuenta la magnitud de la descarga. Adicionalmente a eso, tanto las baterías de carro como las especializadas tienen un voltaje de nominal de recarga flotante o de suspensión que esta entre los 13.5 V. Esto quiere decir que para suplir la potencia de cada caso se debe poder recargar las baterías con las siguientes corrientes:
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𝑼𝑼𝒎𝒎𝑹𝑹𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪 𝒑𝒑𝑪𝑪𝑹𝑹𝑪𝑪 𝑪𝑪𝒂𝒂𝑪𝑪𝑪𝑪 𝑪𝑪𝑹𝑹 𝒎𝒎𝑪𝑪𝑹𝑹 → 𝐼𝐼𝑎𝑎 =470 𝑊𝑊13.5 𝑅𝑅
≈ 𝟑𝟑𝟐𝟐 𝑨𝑨
𝑼𝑼𝒎𝒎𝑹𝑹𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪 𝒑𝒑𝑪𝑪𝑹𝑹𝑪𝑪 𝑪𝑪𝒂𝒂𝑪𝑪𝑪𝑪 𝒔𝒔𝑪𝑪𝒔𝒔𝒔𝒔𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹á𝒎𝒎𝑹𝑹𝑪𝑪 → 𝐼𝐼 =242 𝑊𝑊13.5 𝑅𝑅 ≈ 𝟐𝟐𝟓𝟓 𝑨𝑨
Esto quiere decir que la batería debería estar hecha para poder recibir esa corriente de recarga. Esto no ocurre con las baterías de carro que tienen una altísima corriente de descarga, de aproximadamente 500 Amperios, y manejan una bajísima corriente de carga, de 4 Amperios aproximadamente. Es por esto que se selecciona una batería de la marca Yuhasa, referencia Yuasa NPC38-12I Industrial VRLA Battery, especializada para aplicaciones cíclicas (Figura 36 y anexo 8):
Figura 36 Especificaciones técnicas de la batería seleccionada para las unidades [44]
En la Figura 36 se pueden ver las especificaciones técnicas generales de la batería y cumplen con los requerimientos establecidos de voltaje y corriente de carga (para suspensión o flotación no tiene límite). Los proveedores indican que la eficiencia de la batería ronda alrededor del 85% una vida útil de 1400 ciclos con un DOD del 30 % como se puede ver a continuación:
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Figura 37 Relación de capacidad energética, porcentaje de descarga DOD y vida útil de la batería [45]
A pesar de que la batería se utilizara en suspensión, es importante que el sistema cuente con un respaldo para seguir operando cuando existe alguna variación climatológica como una nube o poca radiación solar. Ese respaldo se calcula con un DOD del 30 % para garantizar una larga vida útil para la batería. A continuación, se determinan los tiempos de independencia energética en cada caso.
𝑃𝑃 = �𝐴𝐴ℎℎ� ∙ 𝑅𝑅 → ℎ =
𝑅𝑅 ∙ 𝐴𝐴ℎ ∙ 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑃𝑃
𝑼𝑼𝒎𝒎𝑹𝑹𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪 𝒑𝒑𝑪𝑪𝑹𝑹𝑪𝑪 𝑪𝑪𝒂𝒂𝑪𝑪𝑪𝑪 𝑪𝑪𝑹𝑹 𝒎𝒎𝑪𝑪𝑹𝑹 → ℎ =12 𝑅𝑅 ∙ 38 𝐴𝐴ℎ ∙ 30%
470 𝑊𝑊= 0.285 ℎ → 𝟐𝟐𝟐𝟐 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒎𝒎𝑪𝑪𝒔𝒔𝑹𝑹𝒔𝒔
𝑼𝑼𝒎𝒎𝑹𝑹𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪𝑪 𝑪𝑪𝑹𝑹 𝑪𝑪𝒂𝒂𝑪𝑪𝑪𝑪 𝒔𝒔𝑪𝑪𝒔𝒔𝒔𝒔𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹á𝒎𝒎𝑹𝑹𝑪𝑪 → ℎ =12 𝑅𝑅 ∙ 38 𝐴𝐴ℎ ∙ 30%
242 𝑊𝑊= 0.565 → 𝟑𝟑𝟐𝟐 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒎𝒎𝑪𝑪𝒔𝒔𝑹𝑹𝒔𝒔
Existen muchos más parámetros que se pueden calcular para, como el C-rate, que son de utilidad para conocer mejor la naturaleza de las baterías. Sin embargo, para este diseño no fueron necesarios. En la referencia [46] se puede encontrar más información al respecto que puede ser de gran utilidad.
En todo caso, vale la pena mencionar que si el sistema presenta alguna falla en la batería, una alternativa para generar una solución temporal sería conectar una batería de carro. Esta
57
batería sería capaz de alimentar el sistema a costa de su vida útil, entre más tiempo dure conectada, más vida perderá.
6.4.2 Selección de Controladores de Carga
Para seleccionar el regulador de carga es necesario tener en cuenta los voltajes y corrientes de entrada (desde los paneles) y los de salida (a la batería). Aun no se sabe el voltaje de entrada, sin embargo, los reguladores encontrados resisten hasta 50 V de entrada lo cual da un rango bastante amplio para que, en caso de necesitar más de 2 paneles, se puedan probar diferentes configuraciones en serie o paralelo para estar dentro de los regímenes de operación del regulador. La única diferencia que se tiene entre los reguladores de la unidad de agua marina y subterránea es la corriente que deben ser capaces de procesar, siendo 40 y 20 Amperios respectivamente.
Para la unidad de agua de mar se seleccionó el regulador PC1500B-30-40 de 12V / 24V 40A PWM de Must Solar, que se puede ver a continuación en la Figura 38. Las especificaciones técnicas se pueden ver en la Tabla 21.
Figura 38 Controlador de carga de 12/24V y 40 A para unidad de agua de mar [47]
Para la unidad de agua de subterránea se seleccionó el regulador PC1500B-10-20 de 12V / 24V 20A PWM de Must Solar, que se puede ver a continuación en la Figura 39. Las especificaciones técnicas se pueden ver en la Tabla 21.
Figura 39 Controlador de carga de 12/24V y 20 A para unidad de agua subterránea [48]
Para ambos se sigue el esquema expuesto en la Figura 40 de instalación que permite entrada energética, carga de baterías y alimentación al sistema. Cuentan con una pantalla led que permite monitorear las variables energéticas del sistema
58
Figura 40 Esquema de conexión de los controladores de carga. [47]
A continuación, también se pueden encontrar un apartado de las especificaciones técnicas generales de los dos controladores:
Tabla 21 Especificaciones técnicas de los controladores de carga seleccionados para las dos unidades. [47]
6.4.3 Selección de Paneles Solares
Una vez se conocen los parámetros climatológicos de radiación solar presentes en la zona de estudio, con su respectivo análisis (sección 5), y los requerimientos energéticos del sistema se puede proceder a seleccionar los paneles más adecuados. Siguiendo la guía referenciada en el marco teórico [24], después de conocer el requerimiento neto de energía necesario para
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el sistema, se debe proceder a calcular la energía total requerida teniendo en cuenta las eficiencias del controlador de carga y las baterías:
𝐸𝐸𝐶𝐶𝑑𝑑𝐸𝐸𝐸𝐸í𝐶𝐶 𝑡𝑡𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶𝑆𝑆 =𝑅𝑅𝑑𝑑𝑅𝑅𝑢𝑢𝑑𝑑𝐸𝐸𝐶𝐶𝑚𝑚𝐶𝐶𝑑𝑑𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶 𝑑𝑑𝐶𝐶𝑑𝑑𝐸𝐸𝐸𝐸é𝑡𝑡𝐶𝐶𝑐𝑐𝐶𝐶 𝐶𝐶𝑑𝑑𝑆𝑆 𝑠𝑠𝐶𝐶𝑠𝑠𝑡𝑡𝑑𝑑𝑚𝑚𝐶𝐶 (𝑊𝑊ℎ)
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐶𝐶𝑐𝑐𝐶𝐶𝑑𝑑𝐶𝐶𝑐𝑐𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐵𝐵𝐶𝐶𝑡𝑡𝑑𝑑𝐸𝐸í𝐶𝐶 × 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐶𝐶𝑐𝑐𝐶𝐶𝑑𝑑𝐶𝐶𝑐𝑐𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑡𝑡𝐸𝐸𝐶𝐶𝑆𝑆𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐸𝐸 𝐶𝐶𝑑𝑑 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐸𝐸𝐸𝐸𝐶𝐶
( 14)
Y teniendo esta energía total, se procede a calcular el tamaño del arreglo en términos de su potencia pico (Wp) con base a la siguiente expresión. Es importante tener en cuenta que la insolación se refiere a la energía disponible en kWh en el día típico del mes menos soleado del año que se puede encontrar en la Tabla 5:
𝑇𝑇𝐶𝐶𝑚𝑚𝐶𝐶ñ𝐶𝐶 𝐶𝐶𝑑𝑑 𝐶𝐶𝐸𝐸𝐸𝐸𝑑𝑑𝐸𝐸𝑆𝑆𝐶𝐶 (𝑊𝑊𝑊𝑊) =𝐸𝐸𝐶𝐶𝑑𝑑𝐸𝐸𝐸𝐸í𝐶𝐶 𝑡𝑡𝐶𝐶𝑡𝑡𝐶𝐶𝑆𝑆
𝐼𝐼𝐶𝐶𝑠𝑠𝐶𝐶𝑆𝑆𝐶𝐶𝑐𝑐𝐶𝐶ó𝐶𝐶 × 𝐶𝐶𝐶𝐶𝑐𝑐𝑡𝑡𝐶𝐶𝐸𝐸 𝐶𝐶𝑑𝑑 𝑑𝑑𝐸𝐸𝐸𝐸𝐶𝐶𝐸𝐸 ( 15)
Es con este tamaño del arreglo que se procede a seleccionar un panel.
En la siguiente tabla se resumen los valores calculados para las variables mencionadas previamente en las ecuaciones ( 14) y ( 15):
Tabla 22 Cálculos de energía total y el tamaño del arreglo para cada unidad
Parámetro de diseño Valor Unidad Energía 5235,51 Wh/𝑚𝑚2/día
Eficiencia Batería 0,85 n.a. Eficiencia Controlador 0,9 n.a.
Factor de Error 0,85 n.a.
Variable Unidad Unidad de agua de mar Unidad de agua subterránea Energía Total Wh 613,99 315,95
Tamaño Arreglo Wp 137,97 71,00
Sabiendo esto, se hizo una búsqueda de paneles comerciales que ofrecieran esa energía pico o un poco más.
Para la unidadx de agua de subterránea se seleccionó el panel RS6E-80P de la marca Resun con las características presentes en la Figura 41. Allí se puede verificar que las especificaciones cumplen con las restricciones de diseño planteadas en la Tabla 1 e impuestas por las propiedades del controlador de carga y baterías de esta unidad:
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Figura 41 Especificaciones técnicas del panel solar para la unidad de agua subterránea [50]
Para la unidad de agua de mar se decidió utilizar dos paneles solares de los seleccionados para la unidad subterránea. A pesar que sale un poco más costoso que un panel de 160 Wp, se decidió esto por cuestiones estructurales de diseño.
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7. MODELO 3D, CONFIGURACIÓN Y COSTOS DE LOS SISTEMAS
En esta sección se expone una propuesta de configuración para cada una de las unidades diseñadas. Como criterio de diseño se partió de la Tabla 1 que establece restricciones dimensionales, portabilidad, resistencia y apariencia. En la siguiente sección se abordará como se satisface cada uno de los criterios mencionados en el diseño final planteado. Finalmente, en esta sección se presenta una tabla de costos generales de los componentes de cada unidad que ayuda a determinar un valor aproximado del costo total de cada una.
7.1 Modelo 3d y Configuración
Para la elaboración de todo modelo 3D se usó la herramienta de diseño Inventor 2018. En primer lugar, se partió de la construcción de la estructura principal del sistema que corresponde a la carretilla, que hace que la unidad sea portátil. Para construir esta carretilla se utilizó como referencia un modelo comercial de la marca Stanley, que se puede ver en la Figura 42. A diferencia de la carretilla Stanley, la diseñada para las unidades utiliza llantas de 40 cm de diámetro, para garantizar la movilidad del sistema en terrenos como arena, y de resistencia de carga de 220 kg cada una ya que la masa aproximada del sistema es de 230 kg (esta se calculó con ayuda de Inventor, estableciendo el material de cada pieza). Esta estructura además cuenta con unas “anclas” provisionales que facilitan su instalación y garantizan que el sistema quede fijo y robusto al momento de ser instalado. Se utilizaron las dimensiones planteadas en la Tabla 1 para construirla y de una vez tener delimitado el volumen del sistema. Como material de este componente se seleccionó acero inoxidable ya que presenta alta resistencia mecánica y ante la corrosión. En la Figura 42 también se puede ver la carretilla diseñada.2
Figura 42 Carretilla de carga de referencia y diseñada. [50]
2 Para revisar todas las dimensiones relevantes de las partes mencionadas refiérase al anexo 1
62
Sobre la estructura de acero se diseñó una coraza de HDPE para proteger y sostener todos los elementos del sistema. El HPDE fue el mejor material que se encontró para este fin gracias a su alta resistencia mecánica, al agua y la corrosión, además de ser fácil de operar y ensamblar (Figura 43).
Con el fin de obtener un modelo 3D realista y por lo tanto dimensionalmente confiable, se modeló cada uno de los productos seleccionados en las secciones anteriores con sus dimensiones reales y se organizaron de la manera más compacta y funcional posible. En la Figura 43 se puede ver una sección del plano final, que se encuentra en el anexo 1, donde se puede evidenciar gran parte de la distribución de los componentes junto con algunas dimensiones generales.
Figura 43 Sección del plano general donde se puede evidenciar la distribución de la mayoría de las piezas de las unidades.
En cuanto al diseño orgánico de las unidades, se pensó en un diseño compacto con una estética neutra, de color azul oscuro para resaltarlo del color de la arena. No se profundizo mucho en este tema debido a que no se tiene información acerca de la cultura y estética de la comunidad que se está trabajando. Sin embargo, las paredes de la coraza quedan disponibles y pensadas para ser personalizadas con pigmentos, pinturas o demás ornamentaciones que la comunidad quiera darle.
El modelo para la unidad de agua de mar y subterránea es esencialmente el mismo en términos de configuración y dimensiones y por lo tanto el plano del anexo 1 es válido para ambos. La principal diferencia está en que la unidad de mar requiere de 2 paneles y la subterránea de 1. A continuación se presentan fotos de los renders hechos para los modelos de cada unidad.
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7.1.1 Modelo 3D de la Unidad para Agua De Mar
Figura 44 Vistas frontales, isométrica y trasera de unidad para agua de mar
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7.1.2 Modelo 3D de la Unidad para Agua Subterránea
Figura 45 Vistas frontales, isométrica y trasera de unidad para agua subterránea
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7.1.3 Modelo 3D de las Unidades y su Portabilidad
Figura 46 Vista de la configuración para movilizar la unidad.
7.2 Costos de las Unidades
Para esta sección se recopilan los costos de la mayor cantidad de las piezas para cada unidad. A continuación, se resumen en la Tabla 23 y Tabla 24 donde también se incluye la vida útil calculada o averiguada para cada elemento.
Como se vera a continuación, la diferencia de los precios es muy pequeña porque los elementos diferenciales entre las dos unidades no tienen precios tan distintos.
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Tabla 23 Precio y vida útil para los elementos de la unidad para agua de mar
Elemento Costo Total con Envío (Pesos) Vida Útil (años) Prefiltro $ 182.575,00 1
Filtro Osmosis Inversa $ 912.875,00 >4 Filtro UV $ 245.000,00 2
Filtro Carbón Activado $ 417.861,23 1 Bomba Manual $ 2.340.145,57 >4 Bomba 30 bar $ 1.379.828,82 >4 Motor 1/2 hp $ 1.408.927,02 4
Batería $ 450.000,00 4 Regulador de carga $ 280.915,02 4
Regulador de presión $ 288.355,53 >4 Panel Solar (2) $ 340.000,00 >4
Estructura en acero $ 200.000,00 >4 HDPE $ 1.800.000,00 >4
Ruedas $ 160.000,00 2 Total $ 10.406.483,19
Tabla 24 Precio y vida útil de la unidad para agua subterránea
Elemento Costo Total con Envío (Pesos) Vida Útil (años) Prefiltro $ 182.575,00 1
Filtro Osmosis Inversa $ 876.360,00 >4 Filtro UV $ 245.000,00 2
Filtro Carbón Activado $ 417.861,23 1 Bomba Manual $ 2.340.145,57 >4
Bomba y motor 10 Bar $ 3.074.563,00 >4 Batería $ 450.000,00 4
Regulador de carga $ 280.915,02 4 Panel Solar $ 170.000,00 >4
Estructura en acero $ 200.000,00 >4 HDPE $ 1.800.000,00 >4
Ruedas $ 160.000,00 2 Total $ 10.197.419,82
8. PROGRAMAS DE APOYO, FINANCIAMIENTO O PATROCINIO
Los proyectos de ingeniería con un enfoque de interés social han tenido un gran crecimiento y aceptación a nivel nacional y mundial. Existen varios programas, leyes y fundaciones que apoyan de diferentes maneras este tipo de iniciativas. A continuación, se mostrarán algunos de los apoyos más relevantes a nivel nacional e internacional junto con una pequeña descripción. La idea de esta sección es dejar un registro de los programas existentes para apoyar proyectos como este y poder aplicar en el futuro a un programa de estos.
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En Colombia:
FENOGE: Abrevia Fondo de Energías No Convencionales y Gestión Eficiente de la Energía y fue creado en el artículo 10 la Ley 1715 de 2014. Es un fondo que “…podrá financiar parcial o totalmente, entre otros programas y proyectos dirigidos al sector residencial de estratos 1, 2 y 3, tanto para la implementación de soluciones e autogeneración a pequeña escala…”, de igual manera este también contempla financiamiento de estudios y auditorías energéticas, adecuaciones locativas, disposición final de equipos sustituidos y costos de administración e interventoría de los programas y/o proyectos que entren dentro de este marco. [51]
FAZNI: Abrevia Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas No Interconectadas y tiene como objetivo financiar los planes, programas y proyectos de inversión en infraestructura energética para las zonas no interconectadas. Estas han sido estipuladas en el decreto reglamentario 1124 del 2008 al igual que los mecanismos por medio de los cuales se puede solicitar este fondo. [52]
En el mundo:
PNUD: Abrevia Programa de la Naciones Unidas para el Desarrollo y dentro del marco de los ODS, que son los 17 objetivos de desarrollo sostenible, financia proyectos integrales que busquen cumplir con uno o varios de los ODS alrededor de todo el mundo. Cuenta con 5 tipos de fondos de los cuales se pueden solicitar recursos dependiendo del tipo de proyecto y sus necesidades. Actualmente se encuentran en ejecución 4404 proyectos totalmente financiados y guiados a nivel mundial. [53] [54]
Rockefeller Foundation: Es una fundación privada que tiene el objetivo principal de promover el bienestar de la humanidad en todo el mundo. Cuenta con 6 programas principales de apoyo y financiación de proyectos de interés social que estén dentro de los siguientes marcos: Salud, comida, energía, trabajo, clima e innovación. [55]
Hult Prize: El Premio Hult es un fondo que, por medio de una competencia anual, reúne ideas de MBA y estudiantes universitarios después de desafiarlos a resolver un problema social relacionado a temas como la seguridad alimentaria, el acceso al agua, la energía y educación. El ganador tiene un financiamiento completo de su iniciativa. [56]
Start Fellowship: Este programa consiste en una beca totalmente subsidiada por el gobierno suizo para apoyar a jóvenes con ideas innovadoras y de impacto social por medio de un acompañamiento de 6 meses. Durante este tiempo el aplicante residirá en Suiza con todo pago y será asesorado, financiado y guiado por la universidad de St. Gallen para desarrollar su idea. [57]
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9. LA INGENIERIA Y EL ARTE
El ejercicio de la ingeniería es considerado una actividad fundamental para el desarrollo y sustento de la vida humana que con el transcurso del tiempo y la historia ha ido perdiendo su norte y propósito esencial. [57] Si se hace una breve lectura sobre los legados de algunos de los ingenieros más importantes en la historia se pueden identificar dos líneas de pensamiento paralelas. Por un lado, están los que actúan motivados por la satisfacción de la creación, del funcionamiento y la búsqueda de la perfección. Por otro lado, se encuentra el ejercicio de la ingeniería con un propósito social, que siempre gira entorno de la creación con el fin de mejorar las condiciones de vida de las personas.
Personajes como Thomas Edison (inventor de la bombilla incandescente), Robert Oppenheimer (padre de la bomba atómica), Adolf Eichman (organizador de la solución final durante la Alemania nazi), Steve Jobs (fundador de Apple), Leonardo Da Vinci, entre otros, hacen parte a esta primera línea de pensamiento de la “ingeniería en sí”. Si se conoce la vida y obra de estas 5 personas mencionadas, en primera instancia se podría llegar a pensar que es absurdo juntarlos en una misma línea de pensamiento, pues algunos de los ingenieros mencionados crearon cosas muy útiles para la sociedad y otros, cosas desastrosas. Sin embargo, los 5 comparten la motivación de la mera satisfacción de la creación, del funcionamiento y la perfección, sin pensar en sus implicaciones.
Dentro de la otra línea de pensamiento, “ingeniería con fines sociales” se encuentran ingenieros como Alfred Nobel (creador del premio nobel), John Fowler (contribuidor de la construcción de la primera línea de metro en Londres), Bill Nye (Educador de ciencia e ingeniería), Boyan Slat (creador del primer dispositivo recogedor de basura del mar), entre otros, que independientemente de sus contribuciones todas cooperan para el bien social y común. De hecho, Alfred Nobel fue el ingeniero creador de la dinamita, un invento que tuvo implicaciones desastrosas en la historia de la humanidad, y el represento en su propia vida la transformación del pensamiento de la “ingeniería en sí” a la “ingeniería con fines sociales”.
Por eso, la creación en general siempre tiene un peso enorme que toca saber enfocar para que no sea mal interpretado y mal utilizado. El papa Francisco lo anuncia muy bien en su encíclica:
“Los progresos científicos más extraordinarios, las proezas técnicas más sorprendentes, el crecimiento económico más prodigioso, si no van acompañados por un auténtico progreso social y moral, se vuelven en definitiva contra el hombre” [59]
En disciplinas creativas como las artes plásticas, música, literatura, danza, etc. existe una mejor concepción y confrontación frente a la creación. Estas disciplinas constantemente van
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más allá de la producción en sí, como “la ingeniería en sí”, sino que existe todo un proceso de reflexión, procesamiento y expresión de un mensaje. Las artes ven el mundo como algo más que un problema a resolver, sino como un misterio que se contempla con asombro, alabanza y respeto. Esto genera un sentimiento de unión intimo a lo contemplado, que espontáneamente brota un sentimiento de preservación y cuidado.
Hoy en día se tiene una concepción sesgada en cuanto a la relación, influencia e importancia del arte en las diferentes ramas del conocimiento. Esto también ocurre cuando analizamos la relación entre ingeniería y arte hoy en día. Esto se debe principalmente debido a la estrecha relación que la ingeniería tiene con las ciencias exactas (objetivas) y la estrecha relación entre el arte y las ciencias humanas (subjetivas), donde estas relaciones parecen dividir el arte y la ingeniería en mundos distantes. [58] Sin embargo, cuando se analizan los fines de cada disciplina se puede concluir que estas se pueden complementar y juntar bajo un marco de impacto social.
El arte, por un lado, busca expresar un mensaje a la sociedad por medio de diferentes técnicas creativas. Por otro lado, la ingeniería se centra en la aplicación de la ciencia para la creación de sistemas, dispositivos u objetos para el uso humano con diferentes fines. [59] Hasta este punto se puede notar que la principal diferencia entre estas dos disciplinas son la utilidad que tiene una y la otra no. Pero si se analiza a fondo, la definición de ingeniería puede estar contenida dentro de la definición de arte en el sentido en el cual un dispositivo ingenieril puede ser usado como una obra de arte para expresar un mensaje. Por ejemplo, el ingeniero Theo Jansen crea esculturas cinéticas que buscan imitar animales vivos con materiales reciclados y por medio de su fascinante diseño y movimiento transmite un mensaje de vida por medio del reciclaje, sostenibilidad y energía del viento. [60]
Figura 47 Theo Jansen artista ingeniero y sus animales. [61]
El artista e ingeniero Arthur Ganson crea esculturas cinéticas basadas en principios mecánicos que no tienen ningún uso aparente más que ser bellas, el afirma que la conexión que tiene con un ingeniero es que ama resolver problemas a pesar de alcanzar resultados diferentes. Su principal objetivo es expresar su pasión y amor con medios ingenieriles y fines artísticos. [62]
70
Figura 48 Arthur Ganson y sus esculturas mecánicas [63]
En el caso de un proyecto de desalinización de agua con energía solar se puede pensar bajo la lógica de “un dispositivo ingenieril puede ser usado como una obra de arte para expresar un mensaje” como se mencionó anteriormente. El mensaje principal que se quiere transmitir es parecido al de Theo Jansen, la energía como creadora y protectora de la vida. La adecuación del arreglo solar o de la planta en forma de una figura o símbolo valioso para la comunidad a la cual se quiere ayudar (sin sacrificar sustancialmente el rendimiento de la planta) puede generar un impacto social de desarrollo verdadero más allá de simplemente abastecerlos de agua.
10. CONCLUSIONES
• El trabajo realizado permitió alcanzar un diseño muy concreto de dos unidades desalinizadoras, una de agua de mar y una subterránea, alimentadas con energía solar, que logran suministrar 100 litros de agua potable al día. En ambos casos se lograron seleccionar todas las partes mecánicas que la componen de productos disponibles en el mercado.
• Se logro un diseño teóricamente coherente y funcional que tiene en cuenta todas las implicaciones técnicas necesarias para justificar el funcionamiento teórico de cada unidad.
• Se desarrolló un modelo 3D de las unidades diseñadas que permite validar la coherencia dimensional de los sistemas, reorganizar y aterrizar el proyecto a un producto más concreto.
• Se obtuvo el costo total aproximado de las unidades lo cual permite dar un orden de magnitud de los recursos necesarios que se requieren para su construcción.
• Se determino la vida útil aproximada de gran parte de los elementos del sistema. • Los estudios hechos con respecto a la energía solar presente en la Guajira contribuyen
a la base de datos del proyecto.
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• Se concreto el contacto con una fundación que trabaja en la Guajira, la fundación Baylor, que además expreso un gran interés en el proyecto y su futuro desarrollo.
• Se propuso un enfoque de interés social al proyecto lo cual lo permite concursar en diferentes convocatorias de patrocinio, apoyo o financiación a nivel nacional y mundial.
• Se construyó la base de un proyecto que tiene un alto potencial de continuidad, construcción e implementación.
11. TRABAJOS FUTUROS Y RECOMENDACIONES
Una de las conclusiones más importantes de este proyecto de grado es que aún le falta mucho trabajo por delante para poder convertirse en una realidad, que es el objetivo más importante y que debe trascender en todas las personas que sigan trabajando en esta bella causa. A continuación, se encuentra un breve listado de los apuntes, recomendaciones y comentarios relevantes para continuar:
1. Se considera que lo siguiente que se debería hacer para este proyecto es una serie de pruebas experimentales de las diferentes partes del sistema. Lo primero que se debería hacer es comprar el prefiltro y las membranas de osmosis inversa para corroborar experimentalmente los cálculos hechos en cuanto a la presión requerida y caudal obtenido en cada unidad.
2. Una vez se tengan estas pruebas se puede proceder a verificar el ensuciamiento que tiene el agua de mar en el prefiltro y membranas de osmosis para corroborar la vida útil del sistema
3. Se considera de fundamental importancia revisar de forma detallada los cálculos y requerimientos energéticos del sistema de tal manera que se pueda simular su operación y garantizar su funcionamiento. De igual manera se puede hacer una evaluación de un diseño alterno con un inversor y un motor eléctrico de corriente alterna a ver si existe algún beneficio económico, energético o de algún tipo.
4. Una vez se tenga eso, es importante revisar el material de las bombas seleccionadas y su comportamiento frente a las aguas que se quieren tratar. Pues estos elementos garantizan resistencias a la corrosión, pero las aguas de mar son muy diferentes dependiendo de la zona y garantizar esta resistencia es primordial antes de realizar cualquier compra.
5. Paralelamente se debe hacer un análisis financiero más detallado que permita calcular el costo nivelado del agua. Es decir, estimar cuánto cuesta el litro o metro cúbico de agua producido con el sistema. Esto para comparar con otras alternativas.
6. Una vez se tenga una prueba clara de funcionamiento (con simulaciones, teoría, experimentos, certificados, etc.) de cada pieza, proceder a hacer la compra de todos los elementos y comenzar el ensamble.
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7. Hace falta pensar en un método alterno a la desinfección del agua por rayos UV en el caso hipotético de una falla eléctrica del sistema y un bombeo manual. Ya sea hirviendo el agua o por el método de cloración.
8. Una actividad importante por hacer es buscar alternativas para la bomba manual del sistema ya que la seleccionada hasta ahora es muy cara y no se justifica.
En cuanto a las recomendaciones:
1. Es muy importante hacer los pedidos de los productos que se quieran comprar con mucha anticipación para poder hacer las pruebas durante el semestre. Esto se comprobó durante el desarrollo de este proyecto de grado cuando se contactó a los diferentes proveedores que recomiendan una anticipación de al menos 2 meses.
2. Se recomienda tener presentes las fechas de cada uno de los programas de apoyo y financiamiento para poder participar con el proyecto.
3. Mantener el contacto con la fundación Baylor es clave para poder seguir encaminando el proyecto a ser una solución que cumpla con las necesidades de las comunidades y no pierda su norte
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Referencias
[1] PNUD, «unpd.org,» PNUD, 2016. [En línea]. Available: https://www.undp.org/content/undp/es/home/sustainable-development-goals/goal-6-clean-water-and-sanitation.html. [Último acceso: 11 11 2019].
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Anexos
Orden Descripción 1 Plano general del prototipo 2 Registro completo de radiaciones en la Guajira desde el 2016 al 2018 3 Análisis del agua hecho por Esteban Nieves [31] 4 Especificaciones técnicas del prefiltro 5 Especificaciones técnicas del filtro de osmosis inversa para agua de mar 6 Especificaciones técnicas del filtro de osmosis inversa para agua subterránea 7 Especificaciones técnicas del motor eléctrico DC de 1/2 HP 8 Especificaciones técnicas de la batería
PARTS LIST
ITEM QTY NOMBRE DE COMPONENTE
1 1 Marco panel solar subterraneo
2 1 Base vertical HPDE
3 1 Filtro UV
4 1 Regulador de carga
5 1 Filtro de carbon activado
6 1 Filtro de osmosis inversa
7 1 Prefiltro
8 1 Bomba Manual
9 1Batería
10 1 Motor
11 1 Bomba
12 2 Rueda
13 4 Anclas Estructurales
14 1 Base tipo carretilla de carga
15 2 Soporte de panel
Facultad de IngenieríaDepto. Ing. Mecánica
Nombre del proyecto: Nombre de la pieza:Unidad Desalinizadora para la Guajira Unidad SubterráneaMaterial:
CANT:1 A2 Escala:
1:8Código plano:
Unidades en [mm] - Ángulos en [°]Tolerancia General: ± 0,5 mm y ± 1°
TIEMPOEQUIPO
Nombre del Estudiante: Código:E-mail: Celular:Nombre del Curso:Nombre Profesor:
Observaciones: Fecha Solicitud Servicio: Fecha Reserva Servicio:
Dimensiones Materia Prima:Espicifaciones en plano
Pedro F. Rubiano [email protected] 3505162507
Proyecto de GradoAndres González
TABLA DE REGISTRO TIEMPOS:
ALISTAMIENTO EJECUCIÓN ENTREGA MÁQUINA ENTREGA PRODUCTO
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
A A
B B
C C
D D
E E
F F
1205
,3
1158,4
576,2
400,0
1398,1
860,0
670,0
958,6
280,0
1
54
3
67
910 11
8
13
1415
1
12
2
Radiación en la Guajira para el 2016
. Mes día 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 153,17 246,08 135,13 271,46 241,71 170,63 283,08 214,13 246,04 103,92 221,38 234,08 2 161,75 259,46 269,04 246,29 243,46 263,88 292,21 275,04 220,04 156,33 233,54 205,92 3 224,92 261,83 272,00 273,33 283,88 216,54 246,96 274,13 291,17 224,04 226,54 207,04 4 237,88 265,21 262,13 298,63 300,79 287,67 296,13 162,08 268,17 278,92 256,71 234,04 5 227,13 258,83 273,08 300,38 298,88 299,63 293,71 289,13 243,29 278,71 237,21 224,29 6 212,21 244,67 278,71 273,38 278,83 284,79 230,25 283,00 243,25 214,00 233,75 209,92 7 216,08 240,38 265,54 228,83 281,96 214,92 290,04 279,88 263,17 225,29 183,25 222,21 8 247,63 250,21 283,67 160,63 145,04 205,38 295,00 306,21 277,54 216,88 260,33 233,58 9 255,63 213,67 286,58 302,58 231,04 267,21 301,38 294,83 241,33 215,04 220,58 145,29 10 226,50 238,17 130,38 279,38 187,04 270,96 256,83 286,67 212,00 202,46 213,96 224,42 11 243,17 264,08 176,00 301,79 210,29 297,17 298,25 192,50 276,33 245,54 205,54 194,08 12 248,58 200,71 302,71 316,04 189,71 301,29 278,33 273,13 245,42 170,67 144,04 219,92 13 258,00 231,42 261,13 292,63 255,83 257,46 268,17 301,08 203,54 234,88 224,38 221,50 14 250,50 143,08 283,38 303,83 241,79 236,79 259,50 291,79 249,71 233,75 242,04 244,67 15 256,75 220,08 264,96 297,71 259,29 285,50 295,17 295,13 257,75 224,08 254,38 222,50 16 213,04 264,46 207,71 245,17 277,00 296,92 215,13 234,67 284,75 185,92 247,13 241,46 17 251,58 171,04 264,83 212,08 276,58 301,29 303,67 296,13 266,33 246,25 257,08 222,88 18 241,75 234,17 263,58 283,17 286,13 299,67 281,46 303,00 256,25 200,04 230,00 232,63 19 216,29 264,29 296,29 239,04 292,33 295,50 237,13 284,33 270,42 261,04 204,25 202,42 20 260,46 237,29 206,04 218,13 296,71 190,83 285,25 292,67 194,71 268,75 155,21 229,92 21 235,96 274,25 263,13 226,08 236,00 234,29 263,38 303,71 230,92 248,38 165,88 246,42 22 233,96 267,38 212,08 201,08 234,21 294,04 287,58 260,75 280,00 248,33 235,75 207,54 23 249,33 275,29 307,33 248,42 234,46 277,58 301,88 260,50 197,13 240,00 198,00 185,46 24 250,42 258,21 251,04 167,92 217,42 296,04 262,38 294,58 280,29 244,83 212,58 213,92 25 236,88 209,63 297,21 164,79 192,88 243,42 242,96 246,67 243,71 230,50 180,71 208,04 26 247,42 279,67 293,83 284,63 147,42 246,88 298,88 240,04 267,29 178,88 121,04 106,17 27 253,92 289,29 263,58 265,79 232,83 297,00 301,17 294,54 243,83 251,92 225,08 210,50 28 249,83 284,50 290,50 228,46 268,42 251,88 302,92 250,71 271,71 233,17 233,17 227,92 29 252,00 294,29 253,08 227,17 294,54 287,25 303,42 235,21 222,00 214,58 213,75 30 244,08 234,88 256,04 197,25 266,29 199,50 253,33 227,17 253,50 201,79 185,67 31 263,71 252,58 226,29 273,00 290,67 261,21 240,25 Promedio mes 236,15 244,55 256,24 254,69 241,70 264,87 275,11 271,88 249,62 225,78 214,66 213,50
Radiación en la Guajira para el 2017
. Mes Día 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 221,71 226,04 236,17 213,21 250,79 289,63 299,00 275,96 291,46 162,33 253,71 219,75
2 254,46 185,54 256,17 302,46 244,29 283,54 288,75 274,21 289,46 246,46 218,08 244,46
3 254,88 231,67 211,75 295,79 280,88 294,08 220,50 286,33 236,46 215,17 261,92 130,67
4 240,67 238,54 232,79 293,04 232,21 305,96 300,54 187,54 295,63 231,96 259,50 211,17
5 233,88 162,04 107,67 278,63 242,96 300,71 257,63 227,63 268,79 179,46 226,92 213,54
6 212,88 229,25 155,13 289,13 141,13 278,21 287,50 303,33 305,42 194,88 244,83 222,79
7 189,83 195,21 201,92 274,88 157,04 270,13 246,67 299,88 228,67 289,58 189,50 227,00
8 166,58 179,13 248,63 233,29 233,54 220,08 276,46 275,21 183,54 279,63 209,83 218,17
9 164,08 223,67 144,25 242,96 226,92 189,83 258,50 302,75 173,54 248,67 221,50 194,92
10 237,29 214,29 238,83 283,29 279,33 297,83 255,83 277,50 177,04 256,00 196,75 217,96
11 220,50 176,96 240,46 297,25 268,46 299,13 253,50 239,46 253,71 240,25 174,63 246,67
12 197,67 200,92 214,42 262,54 239,08 275,17 290,42 236,58 290,42 253,88 243,25 256,71
13 125,13 255,67 263,04 211,71 287,58 190,08 299,96 301,08 208,08 267,08 208,25 232,54
14 242,88 252,63 294,17 180,67 291,54 221,29 299,75 303,63 220,75 236,38 146,25 245,96
15 220,04 276,21 261,71 226,21 222,00 179,92 254,08 303,29 240,04 238,17 203,33 239,75
16 193,71 267,33 302,38 210,42 215,33 229,92 206,33 255,92 248,96 266,63 238,13 248,25
17 217,71 280,50 250,17 222,96 167,21 287,50 286,04 301,79 189,75 250,75 199,46 206,67
18 186,46 293,79 252,58 227,75 242,96 263,04 280,13 244,46 257,42 216,46 73,25 235,92
19 192,63 288,79 281,83 174,38 292,25 284,79 274,08 211,21 276,42 237,71 254,29 203,25
20 235,38 283,00 306,75 235,17 277,13 282,00 171,46 235,29 300,58 233,29 230,79 218,08
21 260,29 290,46 293,04 277,13 226,92 257,00 295,79 287,75 256,54 237,75 232,63 237,00
22 229,58 286,38 276,00 304,00 274,00 261,42 288,29 262,63 267,25 210,67 201,83 223,50
23 244,96 276,33 171,88 296,42 269,83 273,25 303,88 284,79 182,29 203,17 214,25 220,17
24 256,13 288,04 108,71 259,38 282,75 292,46 285,88 279,88 244,29 234,21 214,38 219,71
25 162,58 286,50 236,33 235,63 295,08 273,42 266,25 299,42 210,08 226,00 221,04 238,13
26 262,08 282,58 276,54 261,33 291,17 263,88 280,88 297,63 211,88 231,79 193,13 218,92
27 265,88 255,33 239,63 274,58 234,33 275,50 271,25 242,92 252,50 242,50 239,17 186,50
28 267,33 291,29 275,21 278,42 210,54 277,42 291,88 183,21 254,42 268,46 214,00 209,04
29 200,92 238,04 274,33 218,92 268,00 279,17 280,00 249,58 139,21 231,67 201,88
30 180,54 227,33 193,17 301,04 217,38 281,75 298,46 185,08 268,42 215,08 206,21
31 162,38 242,79 290,79 160,50 287,75 262,50 182,58 Promedio mes 216,16 247,07 235,04 253,67 248,00 263,42 268,15 269,27 241,67 234,50 214,38 218,64
Radiación en la Guajira para el 2018
. mes Día 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 207,58 189,21 299,08 243,21 215,92 275,13 170,33 281,25 269,67 174,71 253,92 255,00
2 187,21 198,79 291,00 254,71 234,04 174,88 303,17 251,46 305,58 141,25 206,79 250,50
3 192,42 270,67 297,17 278,58 191,46 254,38 248,63 293,92 300,71 197,04 241,21 255,58
4 226,96 268,54 281,75 293,04 242,79 293,83 300,33 294,38 218,88 257,63 226,71 254,00
5 198,46 240,71 288,58 254,42 126,71 278,21 294,13 243,92 215,00 284,79 267,67 249,17
6 252,71 276,00 222,83 308,42 190,25 279,96 300,38 271,83 238,79 265,25 263,71 249,63
7 203,79 274,13 155,58 306,29 174,46 195,88 297,38 291,08 220,08 249,00 232,88 251,13
8 231,58 243,25 165,63 283,21 248,00 273,42 273,00 267,42 231,04 231,17 214,46 244,46
9 246,13 248,63 288,67 290,54 162,50 262,29 284,00 265,96 286,13 253,33 220,04 246,42
10 226,50 257,54 296,42 276,38 225,00 198,67 282,25 205,17 286,33 234,42 228,63 249,13
11 244,17 276,83 292,33 300,08 226,08 186,75 300,46 295,21 289,13 227,71 217,08 204,54
12 247,04 270,04 295,96 297,00 233,83 247,33 294,25 295,88 257,29 245,88 251,38 189,79
13 198,13 239,29 281,96 294,21 183,17 272,63 295,79 302,25 266,08 186,17 224,88 192,92
14 256,29 243,21 290,25 262,71 170,79 243,25 250,00 241,25 271,79 262,83 197,13 244,67
15 249,96 190,25 248,08 272,88 269,00 284,67 271,00 147,08 233,96 257,54 246,58 245,13
16 182,92 236,00 224,42 216,46 289,54 292,71 287,25 298,71 203,42 257,79 248,13 248,92
17 194,96 264,88 176,67 246,83 242,79 299,96 282,33 300,38 248,42 271,79 230,08 238,00
18 194,79 289,54 219,92 197,17 248,04 230,54 288,29 259,25 280,17 264,50 222,54 213,08
19 218,42 294,17 308,63 223,33 172,33 152,25 258,88 284,38 226,79 144,88 247,17 218,75
20 256,00 280,21 308,54 236,00 253,58 195,92 279,17 291,33 217,46 227,63 206,71 209,58
21 232,79 266,50 290,42 276,63 221,00 301,25 240,63 276,25 246,50 228,92 240,46 230,38
22 257,83 284,29 172,71 211,58 210,79 296,96 236,17 284,54 237,67 184,21 189,88 251,33
23 230,54 263,17 252,96 228,71 233,96 300,50 285,75 303,21 278,25 266,58 261,04 248,67
24 259,00 280,29 308,13 267,29 220,79 286,25 279,42 270,92 222,75 239,67 252,17 251,75
25 233,63 290,25 302,50 253,83 237,04 190,67 236,75 269,50 277,63 270,13 241,17 249,96
26 221,33 276,71 251,71 194,92 256,83 256,83 255,79 244,54 247,71 205,46 242,88 244,38
27 232,29 291,00 173,96 215,88 253,92 239,54 247,88 212,33 222,04 241,75 226,54 245,54
28 262,25 292,54 256,33 224,50 232,79 251,46 236,58 302,71 200,67 237,67 242,46 246,63
29 258,04 251,38 261,71 303,46 236,67 296,92 295,46 256,13 226,75 183,13 253,58
30 252,96 300,33 282,21 258,63 277,13 265,17 224,83 264,21 229,71 257,75 253,71
31 238,63 303,04 294,00 236,83 265,88 256,67 252,96 Promedio mes 228,88 260,59 261,19 258,42 226,56 251,00 270,29 268,78 250,68 232,99 232,84 239,98
Código: F-ER-02
Versión: 2
Fecha: 26/01/2016
INFORME DE RESULTADOS Nº: 42091
CLIENTE:
NIT: 1020826904 COTIZACIÓN Nº: 19-1922 CANTIDAD: 3000ml RESPONSABLE MUESTREO:
TELÉFONO: 3204521802 ODS: 19-3050 ID MUESTRA 19-8261 FECHA DE MUESTREO: 6/09/2019 TIPO DE ENVASE:
CONTACTO: FECHA DE RECIBIDO: 9/09/2019 T (º C) MUESTREO:
CARGO: TIPO DE AGUA: MARINA T (º C) RECEP(Nevera):
DIRECCIÓN: LUGAR DE RECOGIDA:
CIUDAD: PUNTO DE CAPTACIÓN:
OBSERVACIONES ALMAC. CONTRAMUESTRA: Análisis FQ: 15 días Análisis MB: 24 horas
FECHA DE
ANÁLISIS
(dd/mm/yyyy)
PARÁMETROLÍMITE DE
CUANTIFICACIÓNUNIDADES MÉTODO
Resolución 2115 de 2007 -
Agua PotableCONFORMIDAD
11/09/2019 Escherichia coli - UFC/100 mL ó cm3 SM 9222 J Edition 23RD 2017 0 CUMPLE
11/09/2019 Coliformes Termotolerantes
(Fecales) (A) - NMP/100 mL SM 9221 B, Edition 23RD 2017 No Especifica NO APLICA
11/09/2019 Coliformes Totales(A) - NMP/100 mL SM 9221 B. Edition 23RD 2017 Ausencia CUMPLE
FECHA DE
ANÁLISIS
(dd/mm/yyyy)
PARÁMETROLÍMITE DE
CUANTIFICACIÓNUNIDADES MÉTODO
Resolución 2115 de 2007 -
Agua PotableCONFORMIDAD
17/09/2019 Alcalinidad Bicarbonatos 25,5 mg CaCO3 /L SM 2320 B .Ed 23 No Especifica NO APLICA
17/09/2019 Alcalinidad Carbonatos 34,6 mg CaCO3 /L SM 2320 B. Ed 23 No Especifica NO APLICA
17/09/2019 Alcalinidad Total (A) 25,5 mg CaCO3 /L SM 2320 B Ed 23 200 NO CUMPLE
23/09/2019 Bario 0,50 mg Ba/L SM 3111 D 0,70 CUMPLE
17/09/2019 Calcio 2,00 mgCa/L SM 3500-Ca B. Ed 23 60 NO CUMPLE
10/09/2019 Conductividad (A) NO APLICA µS/cm SM 2510 B.Ed 23 1000 NO CUMPLE
17/09/2019 Cloruros (A) 19,9 mgCl-/L SM 4500-Cl- B. Ed 23 250 NO CUMPLE
17/09/2019 Dureza Total (A) 7,40 mg CaCO3 /L SM 2340C.Ed 23 300 NO CUMPLE
21/09/2019 Hierro Total (A) 0,131 mg Fe /L SM 3111 B.Ed 23 0,30 NO CUMPLE
19/09/2019 Manganeso (A) 0,0300 mg Mn /L SM 3111 B. Ed 23 0,10 CUMPLE
19/09/2019 Magnesio (A) 0,410 mg Mg / L SM 3030 F, SM 3111 B. 36 NO CUMPLE
11/09/2019 Nitratos (A) 1,38 mg NO3-/L SM 4500-NO3- B. Ed 23. 10 CUMPLE
Fisicoquímica
RESULTADO TÉCNICA ANALÍTICA
1283,05 Direct Air-Acetylene Flame Method
3,05 UV Spectrophotometric Screening Method.
9512,80 EDTA Tritimetric Method.
1,37 Direct Air-Acetylene Flame Method
0,06 Direct Air-Acetylene Flame Method
931,04 EDTA Titrimetric Method
32550,00 Laboratory Method
4728,32 Argentometric Method.
Titration Method
31155,00 Titration Method
<0,50 Direct Nitrous Oxide-Acetylene Flame Method
PET
Filtración por membrana
RESULTADO TÉCNICA ANALÍTICA
0,00
<1,8 Fermentación en tubos múltiples
Ausencia Fermentación en tubos múltiples
31155,00 Titulomnetrico (Titration) Method
<25,5
RIOHACHA
30°C
RESULTADOS DE ANÁLISIS
ESTEBAN NIEVES
Esteban Nieves
Calle 169 b # 75-73
ESTUDIANTE
Bogota
N.E
AGUA DE MAR CRUDA - RIOHACHA
Microbiología
20°C
El cliente
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Biopolimeros Industriales Ltda.
Carrera 18 No. 63a - 50 Piso 6. Bogotá-Colombia
Telefonos: (+1) 5405700/5406606, Bogotá
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Código: F-ER-02
Versión: 2
Fecha: 26/01/2016
INFORME DE RESULTADOS Nº: 42091
RESULTADOS DE ANÁLISIS
16/09/2019 Nitritos (A) 0,0140 mg NO2-/L SM 4500-NO2- B.Ed 23 0,10 CUMPLE
10/09/2019 Ortofosfato(Fosfatos) (A) 0,184 mg P-PO4/L SM 4500-P D.Ed 23 0,50 CUMPLE
16/09/2019 pH (A) NO APLICA Unidad de pH SM 4500-H+ B.Ed 23 6,5 - 9,0 CUMPLE
10/09/2019 Sulfatos (A) 8,90 mg SO42 - /L SM 4500 SO4 2- E.Ed 23 250 NO CUMPLE
10/09/2019 Turbiedad 1,00 NTU SM 2130B. Ed 23 2,0 NO CUMPLE
27/09/2019 Fluoruros 0,21 mg/L SM 4500-F. C.Ed 23 1,0 NO CUMPLE
19/09/2019 Cinc (A) 0,0500 mg Zn /L SM 3111 B. Ed 23 3,0 CUMPLE
23/09/2019 Selenio (A) 0,014 AR 0,0014 AP mg Se / L SM 3030 F, SM 3113 B. Ed 23 0,010 CUMPLE
6/11/2019 Silice mg SiO2/L SM 4500 SiO2 C. No Especifica NO APLICA
16/09/2019 Aluminio (A) 0,046 mg Al3+/L SM 3500-Al B.Ed 23 0,20 CUMPLE
23/09/2019 Litio 0,020 mg Li/L SM 3111 B. Ed 23 No Especifica NO APLICA
23/09/2019 Sodio(A) 0,160 mg Na/L SM 3111 B. No Especifica NO APLICA
16/09/2019 Potasio(A) 0,530 mg K /L SM 3111 B. No Especifica NO APLICA
24/09/2019 Calcio 4,18 mg Ca/L mg Ca / L SM 3030 F, SM 3111 B. 60 NO CUMPLE
24/09/2019 Berilio 0,10 mg Be/L SM 3111 D No Especifica NO APLICA
26/09/2019 COT 2,44 mg/L SM 5220 C.Ed 23 5,0 NO CUMPLE
27/09/2019 Sólidos Suspendidos Totales (A) 11,6 mg/L SM 2540 D.Ed 23 No Especifica NO APLICA
19/09/2019 Plata (A) 0,0370 mg Ag/L SM 3111 B. Ed 23 No Especifica NO APLICA
27/09/2019 Sólidos Disueltos Totales 13,2 mg/L2510 B. Electrical Conductivity
MethodNo Especifica NO APLICA
27/09/2019 Salinidad 0,01 % SM 2520 B No Especifica NO APLICA
(A) Parámetro acreditado para las matrices Aguas Residuales y Superficiales
Formato fecha: dd/mm/yyyy
55,60 Electrical Conductivity Method
161,00 Secado a 104°C Gravimetrico
<0,0370 Direct Air-Acetylene Flame Method
16270,00 Electrical Conductivity Method
349,92 Direct Air-Acetylene Flame Method
<0,10 Direct Nitrous Oxide-Acetylene Flame Method
1294,55 Closed Reflux, Titrimetric Method
0,08 Direct Air-Acetylene Flame Method
11522,00 Direct Air-Acetylene Flame Method
369,75 Direct Air-Acetylene Flame Method
<0,0014 Electrothermal Atomic Absorption Spectrometry
1177,36 Molybdosilicate Method
<0,0460Colorimetric Method, Eriochrome Cyanine R .
(No válida para muestras con Sulfatos mayor a
2,32 Nephelometric Method.
1,07 Ion-Selective Electrode Method
<0,0500 Direct Air-Acetylene Flame Method
<0,184 Stannous Chloride Methods
7,10 Electrometric Method.
2095,26 Turbidimetric Method
<0,0140 Colorimetric Method
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Código: F-ER-02
Versión: 2
Fecha: 26/01/2016
INFORME DE RESULTADOS Nº: 42091
RESULTADOS DE ANÁLISIS
Documento aprobado por:
Fecha de expedición:
________________________________________
Javier Eduardo Muñoz Torres
Gerente Técnico
P. Químico de Alimentos. Matrícula Profesional PQA-495
3/12/2019 FIN DEL INFORME
La muestra tomada CUMPLE con las características microbiológicas y fisicoquímicas con lo exigido por la Resolución 2115 de 2007 que señala la calidad del agua destinada para consumo humano.
Estos resultados son válidos únicamente para esta muestra recibida y analizada en el Laboratorio de Microbiología de Biopolab.
- Resolución 2115/2007: Resolución por medio de la cual se señalan instrumentos basicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano.
- Este informe de resultados no se puede reproducir y solo aplica para los resultados de la muestra analizada.
- Cualquier inquietud o reclamación puede ser presentada a nuestra compañía ya sea vía telefónico, o al correo e inmediatamente será atendida
- La muestra será almacenada 15 días para eventuales repeticiones o inquietudes con los análisis y resultados.
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Component Description
Filter Medium Polypropylene Core, Fin End and End Cap Polypropylene
SOE Style Cartridges only
Adaptor Polypropylene
O-ring SealSilicone ElastomerEthylene Propylene Rubber
Claris® Filter CartridgesFor General Purpose Particle Reduction
Data Sheet FBCLARENa
Claris filter cartridges are general purpose melt blown depthfilters that deliver consistent, reliable filtration at the lowestpossible cost.
Description
Multiple fiber zones created by a proprietary and highlyautomated melt-blowing process result in a consistent andgraded pore structure. The different pore sizes allow for theefficient capture of various sized particles and maximumusage of the filter's depth.
An innovative extruded core provides a low cost alternative tomolded cores, without compromising filter strength or mediadepth.
Combined, these features provide long life, less filter change-outs, and the most cost-efficient solution for general particlereduction applications within the food and beverage industry.
Features and Benefits
Features Benefits
Melt blown depth media withgraded pore structure
• Efficient capture of various particlesizes, maximizing the usage of theentire filter’s depth
Thermally bonded fibers • Consistent filtration performance
High void volume• Long service life due to high dirt
holding capacity
High strength extruded core
• Enables economy withoutcompromising flow or cartridgestability
• Eases disposal and incineration
All polypropylene construction,without adhesives, binders orsurfactants
• Broad chemical compatibility,suitable for use in a variety of fluids
All polypropylene construction,without adhesives, binders orsurfactants
• Broad chemical compatibility,suitable for use in a variety of fluids
Materials of Construction
Quality
• Cartridges produced in a controlled environment
• Manufactured within a Quality Management System certified
to ISO 9001:2008
Food Contact Compliance Please refer to the Pall websitehttp://www.pall.com/foodandbev for a Declaration ofCompliance to specific National Legislation and/or RegionalRegulatory requirements for food contact use.
Claris Filter Cartridges
Technical Information
1 Fluids which do not swell, soften, or adversely affect any of the filter components 2 Recommended change-out differential pressure is 2.4 bard (35 psid), provided
the maximum differential pressure (based on temperature) is not exceeded.
Operating Characteristics in Compatible Fluids1
Maximum Differential Pressure2 Operating Temperature
1.72 bard (25 psid) 60 °C (140 °F)
3.45 bard (50 psid) 20 °C (68 °F)
12
18
24
30
36
42
6
00 1 2 3 5 6 8 9
10.50.25 0.75 1.25 1.5 1.75 2.252 2.5
0.1
0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
74 10
3 µm
5 µm
10 µm
1 µm
Ordering Information
Flow Rates3
This information is a guide to the part numbering structure andpossible options. For availability of specific options, pleasecontact Pall. Refer to Pall for housing details.
Flow Rate (US gal/min)
Liquid Flow (L/min)
Diff
eren
tial P
ress
ure
(mba
rd)
Diff
eren
tial P
ress
ure
(psi
d)
3 Typical initial clean Δp for a 254 mm (10 inch) cartridge, clean water at 20°C (68 °F). For liquids with viscosity greater than 1 cp, multiply the Δp by theviscosity.
Part Number: CLR W 480 Table 1 Table 2 Table 4Table 3
Table 1: Removal Rating
Code Description
1 1 µm
3 3 µm
5 5 µm
10 10 µm
Table 2: Length
Code Description
DOE Style only:
5 127 mm (5")
975 248 mm (9.75")
9875 251 mm (9.875")
10 254 mm (10")
195 495 mm (19.5")
20 508 mm (20")
2925 743 mm (29.25")
295 749 mm (29.5")
30 762 mm (30")
39 991 mm (39")
40 1016 mm (40")
50 1270 mm (50")
SOE Style only:
10 254 mm (10")
20 508 mm (20")
30 762 mm (30")
40 1016 mm (40")
4 For M3, M6, M7 and M8 styles only
Table 3: Adaptor
Code Description
blank DOE with no endcaps
M3 SOE - single open end with flatclosed end and external 222 O-rings
M6SOE - single open end with flatclosed end, 2 locking tabs andexternal 226 O-rings
M7SOE - single open end with fin end,2 locking tabs and external 226 O-rings
M8 SOE - single open end with fin endand external 222 O-rings
Table 4: O-ring Seal Material4
Code Description
S Silicone Elastomer
E Ethylene Propylene Rubber
Example Part Number: CLR510M7WS480See bold reference codes in tables.
FBCLARENa October 2013
Pall Food and Beverage
25 Harbor Park DrivePort Washington, NY 11050 +1 516 484 3600 telephone+1 866 905 7255 toll free US
Visit us on the Web at www.pall.com/foodandbev
Pall Corporation has offices and plants throughout the world. For Pall representativesin your area, please go to www.pall.com/contact
Please contact Pall Corporation to verify that the product conforms to your nationallegislation and/or regional regulatory requirements for water and food contact use.
Because of technological developments related to the products, systems, and/orservices described herein, the data and procedures are subject to change without notice.Please consult your Pall representative or visit www.pall.com to verify that thisinformation remains valid. Products in this document may be covered by one or moreof the following patent numbers: EP 1,165,205; US 6,342,283; US 6,662,842.
© Copyright 2013, Pall Corporation. Pall, and Claris are trademarks of Pall Corporation. ® Indicates a trademark registered in the USA. Filtration. Separation. Solution.SM is a service markof Pall Corporation.
Product Information
Page 1 of 2 ™® Trademark of The Dow Chemical Company ("Dow") or an affiliated company of Dow Form No. 609-00377-0406
FILMTEC™ SW30-2540 Membranes
Features
Improved FILMTEC™ seawater reverse osmosis elements offer the highest productivity while maintaining excellent salt rejection. •
•
•
FILMTEC SW30 membrane elements have the highest flow rates available to meet the water demands of both sea-based and land-based desalinators. FILMTEC SW30 elements may also be operated at lower pressure to reduce pump size, cost and operating expenses. Improved FILMTEC seawater membrane combined with automated, precision element fabrication result in the most consistent product performance available.
Product Specifications Product
Part Number
Active Area ft2 (m2)
Applied Pressure psig (bar)
Permeate Flow Rate gpd (m3/d)
Stabilized Salt Rejection (%)
SW30-2514 80733 6.5 (0.6) 800 (55) 150 (0.6) 99.4 SW30-2521 80734 13 (1.2) 800 (55) 300 (1.1) 99.4 SW30-2540 80737 29 (2.8) 800 (55) 700 (2.6) 99.4 SW30-4021 80740 33 (3.1) 800 (55) 800 (3.0) 99.4 SW30-4040 80741 80 (7.4) 800 (55) 1,950 (7.4) 99.4 1. Permeate flow and salt rejection based on the following test conditions: 32,000 ppm NaCl, pressure specified above, 77°F (25°C) and the following recovery rates; SW30-2514 – 2%, SW30-2521 & SW30-4021 – 4%, SW30-2540 & SW30-4040 – 8%. 2. Permeate flows for individual elements may vary +/-20%. 3. For the purpose of improvement, specifications may be updated periodically.
FilmTec sells coupler partnumber 89055 for use in multipleelement housings. Each couplerincludes two 2-210 EPR o-rings,FilmTec part number 89255.
AB B
D DIAC DIA
Feed
Fiberglass Outer WrapEnd Cap ProductBrine
Figure 1
Maximum Feed Flow Rate Dimensions – Inches (mm) Product gpm (m3/h) A B C D SW30-2514 6 (1.4) 14.0 (356) 1.19 (30.2) 0.75 (19) 2.4 (61) SW30-2521 6 (1.4) 21.0 (533) 1.19 (30.2) 0.75 (19) 2.4 (61) SW30-2540 6 (1.4) 40.0 (1,016) 1.19 (30.2) 0.75 (19) 2.4 (61) SW30-4021 16 (3.6) 21.0 (533) 1.05 (26.7) 0.75 (19) 3.9 (99) SW30-4040 16 (3.6) 40.0 (1,016) 1.05 (26.7) 0.75 (19) 3.9 (99) 1. Refer to FilmTec Design Guidelines for multiple-element systems. 1 inch = 25.4 mm 2. SW30-2514, SW30-2521 and SW30-2540 elements fit nominal 2.5-inch I.D. pressure vessels.
SW30-4021 and SW30-4040 elements fit nominal 4-inch I.D. pressure vessel.
[email protected] Tel. +31-152-610-900www.lenntech.com Fax. +31-152-616-289
Page 2 of 2 ™® Trademark of The Dow Chemical Company ("Dow") or an affiliated company of Dow Form No. 609-00377-0406
Operating Limits • • • • • • • •
• • •
• •
•
•
• •
Membrane Type Polyamide Thin-Film Composite Maximum Operating Temperature 113°F (45°C) Maximum Operating Pressure 1,000 psi (69 bar) Maximum Pressure Drop 15 psig (1.0 bar) pH Range, Continuous Operationa 2 - 11 pH Range, Short-Term Cleaningb 1 - 13 Maximum Feed Silt Density Index SDI 5 Free Chlorine Tolerancec <0.1 ppm
a Maximum temperature for continuous operation above pH 10 is 95°F (35°C). b Refer to Cleaning Guidelines in specification sheet 609-23010. c Under certain conditions, the presence of free chlorine and other oxidizing agents will cause premature membrane failure.
Since oxidation damage is not covered under warranty, FilmTec recommends removing residual free chlorine by pretreatment prior to membrane exposure. Please refer to technical bulletin 609-22010 for more information.
Important Information
Proper start-up of reverse osmosis water treatment systems is essential to prepare the membranes for operating service and to prevent membrane damage due to overfeeding or hydraulic shock. Following the proper start-up sequence also helps ensure that system operating parameters conform to design specifications so that system water quality and productivity goals can be achieved. Before initiating system start-up procedures, membrane pretreatment, loading of the membrane elements, instrument calibration and other system checks should be completed. Please refer to the application information literature entitled “Start-Up Sequence” (Form No. 609-02077) for more information.
Operation Guidelines
Avoid any abrupt pressure or cross-flow variations on the spiral elements during start-up, shutdown, cleaning or other sequences to prevent possible membrane damage. During start-up, a gradual change from a standstill to operating state is recommended as follows:
Feed pressure should be increased gradually over a 30-60 second time frame. Cross-flow velocity at set operating point should be achieved gradually over 15-20 seconds.Permeate obtained from first hour of operation should be discarded.
General Information
Keep elements moist at all times after initial wetting. If operating limits and guidelines given in this bulletin are not strictly followed, the limited warranty will be null and void. To prevent biological growth during prolonged system shutdowns, it is recommended that membrane elements be immersed in a preservative solution. The customer is fully responsible for the effects of incompatible chemicals and lubricants on elements. Maximum pressure drop across an entire pressure vessel (housing) is 50 psi (3.4 bar). Avoid static permeate-side backpressure at all times.
Notice: The use of this product in and of itself does not necessarily guarantee the removal of cysts and pathogens from water. Effective cyst and pathogen reduction is dependent on the complete system design and on the operation and maintenance of the system. Notice: No freedom from any patent owned by Seller or others is to be inferred. Because use conditions and applicable laws may differ from one location to another and may change with time, Customer is responsible for determining whether products and the information in this document are appropriate for Customer’s use and for ensuring that Customer’s workplace and disposal practices are in compliance with applicable laws and other governmental enactments. Seller assumes no obligation or liability for the information in this document. NO WARRANTIES ARE GIVEN; ALL IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE EXPRESSLY EXCLUDED.
Page 1 of 4 FormNo. 45-D01515-en, Rev. 2January 2020
Product Data Sheet
FilmTec™ MembranesFilmTec™Extra Low Energy (XLE) Elements for Commercial Systems
Description New FilmTec™XLE Elements offer better system performance and economics byoperating at very low applied pressure. XLE membrane, made with a patentedtechnology, provides consistent and reliable system performance. And for addedconvenience, FilmTec™XLE Elements are available in a dry state for rapid start-up (seeFigure 2 on reverse). The new XLE series of elements replaces TW30LE elementswhich weremade with an older membrane technology.
Typical Properties
Product Part NumberApplied Pressure
psig (bar)Permeate Flow Rate
gpd (m3/d)Stabilized SaltRejection (%)
XLE-2521 154530 100 (6.9) 365 (1.4) 99.0XLE-2540 154543 100 (6.9) 850 (3.2) 99.0XLE-4021 154540 100 (6.9) 1,025 (3.9) 99.0XLE-4040 154546 100 (6.9) 2,600 (9.8) 99.0
1. Permeate flow and salt rejection based on the following test conditions: 500 ppmNaCl feedstream,pressure specified above, 77°F (25°C) and the following recovery rates: XLE-2521, XLE-4021 – 8%; XLE-2540, XLE-4040 – 15%.
2. Permeate flows for individual elements may vary +/-20%.3. For the purpose of improvement, specifications may be updated periodically.
ElementDimensions
Maximum Feed Flow Rate Dimensions – Inches (mm) 1 inch = 25.4 mmProduct gpm (m3/h) A B C DXLE-2521 6 (1.4) 21.0 (533) 1.19 (30.2) 0.75 (19) 2.4 (61)XLE-2540 6 (1.4) 40.0 (1,016) 1.19 (30.2) 0.75 (19) 2.4 (61)XLE-4021 14 (3.2) 21.0 (533) 1.05 (26.7) 0.75 (19) 3.9 (99)XLE-4040 14 (3.2) 40.0 (1,016) 1.05 (26.7) 0.75 (19) 3.9 (99)
1. Refer to FilmTec™DesignGuidelines for multiple-element systemsof midsize elements(Form No. 45-D01588-en).
2. XLE-2521 and XLE-2540 Elements fit nominal 2.5-inch I.D. pressure vessel. XLE-4021 and XLE-4040Elements fit nominal 4-inch I.D. pressure vessel.
Operating andCleaning Limits
Membrane Type Polyamide Thin-Film CompositeMaximumOperating Temperaturea 113°F (45°C)MaximumOperating Pressure 600 psi (41 bar)MaximumPressure Drop 13 psig (0.9 bar)pH RangeContinuousOperationa 2 - 11Short-TermCleaningb 1 - 13
MaximumFeed Silt Density Index SDI 5Free Chlorine Tolerancec <0.1 ppm
a. Maximum temperature for continuous operation above pH10 is 95°F (35°C).b. Refer to CleaningGuidelines (Form No. 45-D01696-en)..c. Under certain conditions, the presence of free chlorine and other oxidizing agents will cause premature
membrane failure. Since oxidation damage is not covered underwarranty, DuPont WaterSolutionsrecommends removing residual free chlorine by pretreatment prior to membrane exposure. Please refer to FilmTec™DesignGuidelines for multiple-element systemsof 8-inch elements(Form No. 45-D01695-en). formore information.
Figure 2: XLE-4040 start-up data
ImportantInformation
Proper start-up of reverse osmosis water treatment systems is essential to prepare themembranes for operating service and to prevent membrane damage due to overfeedingor hydraulic shock. Following the proper start-up sequence also helps ensure thatsystem operating parameters conform to design specifications so that system waterquality and productivity goals can be achieved.
Before initiating system start-up procedures, membrane pretreatment, loading of themembrane elements, instrument calibration and other system checks should becompleted.
Please refer to the application information literature entitled Start-Up Sequence(Form No. 45-D01609-en).) for more information.
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OperationGuidelines
Avoid any abrupt pressure or cross-flow variations on the spiral elements during start-up,shutdown, cleaning or other sequences to prevent possible membrane damage. Duringstart-up, a gradual change from a standstill to operating state is recommended asfollows:
l Feed pressure should be increased gradually over a 30-60 second time frame.l Cross-flow velocity at set operating point should be achieved gradually over 15-
20 seconds.
GeneralInformation
l Keep elements moist at all times after initial wetting.l If operating limits and guidelines given in this bulletin are not strictly followed, the
limited warranty will be null and void.l To prevent biological growth during prolonged system shutdowns, it is recommended
that membrane elements be immersed in a preservative solution.l The customer is fully responsible for the effects of incompatible chemicals and
lubricants on elements.l Maximum pressure drop across an entire pressure vessel (housing) is 30 psi (2.1 bar).l Avoid static permeate-side backpressure at all times.
ProductStewardship
DuPont has a fundamental concern for all who make, distribute, and use its products, andfor the environment in which we live. This concern is the basis for our product stewardshipphilosophy by which we assess the safety, health, and environmental information on ourproducts and then take appropriate steps to protect employee and public health and ourenvironment. The success of our product stewardship program rests with each and everyindividual involved with DuPont products—from the initial concept and research, tomanufacture, use, sale, disposal, and recycle of each product.
Customer Notice DuPont strongly encourages its customers to review both their manufacturing processesand their applications of DuPont products from the standpoint of human health andenvironmental quality to ensure that DuPont products are not used in ways for which theyare not intended or tested. DuPont personnel are available to answer your questions and toprovide reasonable technical support. DuPont product literature, including safety datasheets, should be consulted prior to use of DuPont products. Current safety data sheets areavailable from DuPont.
Please be aware of the following:l The use of this product in and of itself does not necessarily guarantee the removal
of cysts and pathogens from water. Effective cyst and pathogen reduction isdependent on the complete system design and on the operation and maintenanceof the system.
l Permeate obtained from the first hour of operation should be discarded.
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Have a question? Contact us at:
www.dupont.com/water/contact-us
All information set forth herein is for informational purposes only. This information is general information and may differ from that basedon actual conditions. Customer is responsible for determining whether products and the information in this document are appropriate forCustomer's use and for ensuring that Customer's workplace and disposal practices are in compliance with applicable laws and othergovernment enactments. The product shown in this literature may not be available for sale and/or available in all geographies whereDuPont is represented. The claimsmade may not have been approved for use in all countries. Please note that physical propertiesmayvary depending on certain conditions and while operating conditions stated in this document are intended to lengthen product lifespanand/or improve product performance, it will ultimately depend on actual circumstances and is in no event a guarantee of achieving anyspecific results. DuPont assumes no obligation or liability for the information in this document. References to “DuPont” or the “Company”mean the DuPont legal entity selling the products to Customer unless otherwise expressly noted. NO WARRANTIES ARE GIVEN; ALLIMPLIEDWARRANTIES OFMERCHANTABILITY ORFITNESS FORA PARTICULARPURPOSE ARE EXPRESSLY EXCLUDED.Nofreedom from infringement of any patent or trademark owned byDuPont or others is to be inferred.
DuPont™, the DuPontOval Logo, and all trademarks and service marks denoted with ™,℠ or ® are owned by affiliates of DuPont deNemours Inc. unless otherwise noted. © 2020 DuPont.
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Catalog # : 108047.00 Model: C4D17NK7Product Type: DC Stock: StockDescription: ..1/2HP..1800RPM.S56C.TENV.12V...CONT.40C.1.0SF.RIGID C.C4D17NK7G.....DC NEMA LOW VOLTAGE........
Quote: Price:
Date: 08/24/2016
Catalog # : 108047.00 Model: C4D17NK7Product Type: DC Stock: StockDescription: ..1/2HP..1800RPM.S56C.TENV.12V...CONT.40C.1.0SF.RIGID C.C4D17NK7G.....DC NEMA LOW VOLTAGE........
Engineering DataRPM 1800 HP 1/2 Serv. Factor 1.0KW Form Factor 1.00 Amps 39KW2 Form Factor 2 FLA2Volts 12 Frame 56C
Max Amb 40 Duty CONT TYPE DNInsul Class H Enclosure TENV Bearing OPE 6203Protection NOT Protector Bearing PE 6203EFF NOT Torque UL Yes CSA Yes CE NoMotor Wt. 30 LB Nameplate 081259 Lubrication POLYREX EMCarton Label Leeson Gen Purpose
Assembly Mounting C-Face Rigid Rotation RECONNWinding D56286 Ext. Diag Ext. Diag2GROUP 1 A Shaft Dia. 5/8 IN Packaging PG659301.04ASub Group A Paint 305000.01 Test Card 1 A Outline 031880 Cust Part No
formlable 2RMS Amps 2formlable RMS Amps AB Code Peak formlable Resistance Peak@DegC formlable
ConnectionConst Torque SpeedRange
formlable
4Explosion Proof 2Brake MotorsTemp Op Code FORCEClass GROUP VDCClass GROUP ADC Brake Coil OHMs @25 C
PerformanceTorque UOM 224 LB-IN Inertia (WK²) 8 LB-IN^2Torque 0 17.5 35CURRENT (amps) 4.4 35.2 66.1Efficiency (%) 0 .836 .867PowerFactorLoad Curve DataOutput Pwr (HP) RPM: Amps Torque (LB-IN) Eff Watts Watts Loss VoltsLoad Curve Data Not Available
Quote: Price:
Date: 08/24/2016
5/13/2010 11:40:49 AM
RBC PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL INFORMATIONThis document is the property of REGAL BELOIT CORPORATION ("RBC") includingits subsidiaries and divisions and contains proprietary information of RBC. This documentis loaned on the express condition that neither it nor the information contained therein shallbe disclosed to others without the express written consent of RBC, and that the informationshall be used by the recipient only as approved expressly by RBC. This document shall bereturned to RBC upon its request. This document may be subject to certain restrictionsunder U.S. export control laws and regulations.
NOTES:1) MAXIMUM FACE RUNOUT .004 T.I.R.2) MAXIMUM PILOT ECCENTRICITY .004 T.I.R.3) PERMISSIBLE SHAFT RUNOUT .002 T.I.R.4) GASKETS THROUGHOUT
THIRD ANGLE PROJECTION
OF
NETWORK FILE NAME
PAGECHK
DEC
.X
.XX
.XXX
.XXXX
ANG
PREV
CHK
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FINISHBY & DATEREVISIONNO
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MAT'L
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TOLERANCESUNLESS SPECIFIED
1:2
B 031880 02
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031879.00108050.75
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031880
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0102
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IPGIPGIPG
3/26/200812/11/20085/13/2010
BCSKBC
.6250
.6245
1.41FULL
DEPTHKEYWAY
4.500- .003+.000
1.875.065
1.94.12±.01
"AD"
2.06"L"
"C"
.34
3.00 2.75
3.75
5.63
NAMEPLATE WARNINGDECAL
1/2-14 NPTWITH
HOLE PLUG .19 SQ x 1.38 KEY
BASE REMOVALWARNING DECAL
ON FRAMEUNDER BASE
20°
45° 45°
6.50
1.22 2.44
4.88
6.50
.104
3.50- .06+.00
6.67
SCRIBEDLINE
(4) 3/8-16 UNC-2BEQUALLY SPACED
ON A 5.875 BC
LOCKEDBEARING
108051.00 11.77 9.71 8.78 24 1/2 1800108050.00 10.77 8.71 7.78 24 1/3 1800108047.00 11.77 9.71 8.78 12 1/2 1800108046.00 10.77 8.71 7.78 12 1/3 1800108045.00 10.27 8.21 7.28 12 1/4 1800
CATALOG No. "C" "L" "AD" VOLTS H.P. RPM
www.yuasaeurope.com
Yuasa Ficha Técnica
Yuasa NPC38-12I Industrial VRLA Battery
Diseño
Especificaciones
Voltaje nominal (V) 12
20-hr rate Capacity to 10.5V at 20°C (Ah) 38
10-hr rate Capacity to 10.8V at 20°C (Ah) 35.2
Dimensiones
Largo (mm) 197 (±2)
Ancho (mm) 165 (±1)
Alto (mm) 170 (±0.5)
Peso (Kg) 14.5
Tipo de terminal
M= Masculino, F=Femenino M5 (F)
Tuerca (Nm) 2.5
Rango de temperatura de funcionamiento
Almacenamiento (en carga completa) -20°C to +60°C
Carga -15°C to +50°C
Descarga -20°C to +60°C
Almacenamiento
Perdida de capacidad por mes a 20º C (% aprox.) 3
Material de la caja
Standar ABS (UL94:HB)
Version disponible FR UL94:V0
Voltaje de carga
Carga flotante a 20°C (V)/Block 13.65 (±1%)
Carga flotante a 20°C (V)/Cell 2.275 (±1%)
Voltaje de carga en flotación factor de corrección
de la termperatura desde estándar a 20º C (mV)
-3
Voltaje a carga ciclica a 20°C (V)/Block 14.5 (±3%)
Voltaje a carga ciclica 20°C (V)/Cell 2.42 (±3%)
Carga de voltaje en ciclos factor de correcion de
temperatura desde 20º (mV)
-4
Corriente de carga
Limite de carga de corriente en flotación (A) No limit
Carga ciclica. Limite 9.5
Máxima corriente de carga
1 segundo (A) 500
1 minuto (A) 380
Información de los ciclos de vida
100% DOD (Descarga profunda) hasta el80%
capacity
300
75% DOD (Descarga profunda) hasta el 80%
capacity
500
50% DOD (Descarga profunda) hasta el 80%
capacity
600
25% DOD (Descarga profunda) hasta el 80%
capacity
1400
Impedancia
Medida a 1 kHz (mΩ) 7.5
Certificados de otras empresas
ISO9001 - Sistemas de gestión de Calidad
ISO14001 - Sistemas de gestión ambiental
ISO45001 OHSAS Management Systems
UNDERWRITERS LABORATORIES Inc.
Seguridad
Instalación
Puede ser instalado y trabajar en cualquier orientación
excepto de manera invertida de forma permanente.
Asas
Las baterías no deben estar sujetas por sus asas (si existen).
Válvulas ventiladas
Cada celda está equipada con una válvula de liberación de
presión baja para permitir que los gases escapen y luego
vuelven a sellar.
Liberación de gas
Baterías VRLA liberan gas hidrógeno que puede formar
mezclas explosivas en el aire. No coloque dentro de un
recipiente hermético.
Reciclaje
Baterías de YUASA VRLA deben reciclar al final de la vida , de
acuerdo con las leyes y regulaciones locales y nacionales.
Fecha de emision: 10/07/2020 - E&EO
Fabricante de baterías líder mundial
www.yuasaeurope.com
Yuasa Technical Data Sheet
Yuasa NPC38-12I Industrial VRLA Battery
Layout
Specifications
Nominal voltage (V) 12
20-hr rate Capacity to 10.5V at 20°C (Ah) 38
10-hr rate Capacity to 10.8V at 20°C (Ah) 35.2
Dimensions
Length (mm) 197 (±2)
Width (mm) 165 (±1)
Height (mm) 170 (±0.5)
Mass (kg) 14.5
Terminal Type
Threaded terminal - (M=Male or F=Female) M5 (F)
Torque (Nm) 2.5
Operating Temperature Range
Storage (in fully charged condition) -20°C to +60°C
Charge -15°C to +50°C
Discharge -20°C to +60°C
Storage
Capacity loss per month at 20°C (% approx.) 3
Case Material
Standard ABS (UL94:HB)
FR version available UL94:V0
Charge Voltage
Float charge voltage at 20°C (V)/Block 13.65 (±1%)
Float charge voltage at 20°C (V)/Cell 2.275 (±1%)
Float Chg voltage tmp correction factor from std
20°C (mV)
-3
Cyclic (or Boost) charge Voltage at 20°C (V)/Block 14.5 (±3%)
Cyclic (or Boost) charge Voltage at 20°C (V)/Cell 2.42 (±3%)
Cyclic Chg voltage tmp correction factor from std
20°C (mV)
-4
Charge Current
Float charge current limit (A) No limit
Cyclic (or Boost) charge current limit (A) 9.5
Maximum Discharge Current
1 second (A) 500
1 minute (A) 380
Cyclic Life Data
100% DOD down to 80% capacity 300
75% DOD down to 80% capacity 500
50% DOD down to 80% capacity 600
25% DOD down to 80% capacity 1400
Impedance
Measured at 1 kHz (mΩ) 7.5
3rd Party Certifications
ISO9001 - Quality Management Systems
ISO14001 - Environmental Management Systems
ISO45001 OHSAS Management Systems
UNDERWRITERS LABORATORIES Inc.
Safety
Installation
Can be installed and operated in any orientation except
permanently inverted.
Handles
Batteries must not be suspended by their handles (where
fitted).
Vent valves
Each cell is fitted with a low pressure release valve to allow
gasses to escape and then reseal.
Gas release
VRLA batteries release hydrogen gas which can form
explosive mixtures in the air. Do not place inside a sealed
container.
Recycling
YUASA’s VRLA batteries must be recycled at the end of life in
accordance with local and national laws and regulations.
Data Sheet generated on 10/07/2020 – E&OE
The world's leading battery manufacturer