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Nuestro planeta es en muchos sentidos único, especialmente cuando se lo compara con sus vecinos en el sistema solar. La mayor parte de la superficie de la Tierra, alrededor del 70%, está ocupada por océanos, mares, ríos y lagos. Sin embargo, solo una pequeña fracción de estas reservas de agua es fresca. La mayor parte es el agua del mar y del océano, que se puede beber solo si desea deshidratarse, tener problemas con los riñones y realmente le encanta volver a leer las instrucciones para un ambientador en la "sala de pensamientos". En otras palabras, el agua salada por su uso directo será más perjudicial que beneficioso.

Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que un grupo de científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (EE. UU.) Desarrolló un dispositivo que permite la desalinización del agua utilizando energía solar sin ninguna participación humana. ¿Cuáles son las características de la invención, cuál es el principio de su funcionamiento y qué tan efectivo es? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos.

Base de estudio

A pesar de las enormes reservas de agua del planeta, dado que solo una fracción de ellas son aptas para el consumo, casi un tercio de la población mundial sufre de escasez de agua potable. El uso del agua de mar como fuente de agua dulce es la forma más lógica y relativamente fácil de implementar para resolver este problema global.

Como dicen los propios científicos, las plantas de desalinización modernas funcionan de manera bastante eficiente, pero tienen una serie de deficiencias muy banales. Uno de los cuales es su alto costo y la necesidad de una infraestructura desarrollada que pueda soportar el trabajo de un mecanismo tan complejo.

Los sistemas de desalinización pasiva que utilizan energía solar también son bastante efectivos. Pero el costo del agua dulce que producen es bastante alto, sin mencionar la baja eficiencia de convertir la energía solar en agua dulce.

Recientemente, el énfasis del desarrollo se ha puesto en la creación de sistemas pasivos más eficientes. En el marco de tales estudios, fue posible crear sistemas basados en la localización del calor solar. Sin embargo, la eficiencia de conversión de la radiación solar en vapor es inferior al 100% si la entalpía de evaporación * se pierde en el medio ambiente.

Entalpía evaporativa * : la cantidad de calor necesaria para convertir una sustancia líquida en una gaseosa.

Los científicos creen que la clave para aumentar la eficiencia de los sistemas de desalinización puede ser la recolección y reutilización de la entalpía de vaporización. Esta idea ya se ha implementado en grandes plantas de destilación. Sin embargo, con plantas de destilación de pequeño tamaño, surgen ciertas dificultades tecnológicas.

Estudios previos ya han demostrado sistemas compactos de localización de calor solar que reutilizan la entalpía de vaporización para generar electricidad, convertir el agua de mar en vapor, o ambos. Sin embargo, existe la teoría de que la efectividad de tales mecanismos puede ser mucho mayor de lo que es ahora.

Los autores del trabajo que estamos considerando hoy afirman que las limitaciones fundamentales de la productividad general y las estrategias de diseño correspondientes para las plantas de desalinización no han sido bien estudiadas. Por esta razón, no tenemos idea de cómo es posible crear y mejorar con precisión sistemas de desalinización compactos y económicos en la producción.

Para resolver este rompecabezas, los científicos realizaron una serie de análisis para tener una idea fundamental de la transferencia de calor y masa dentro del dispositivo. Este conocimiento puede contribuir en gran medida a la optimización del dispositivo de desalinización que se está creando, que funcionará de manera más eficiente.

Los científicos también crearon un prototipo de un TMSS de diez etapas (fotograma solar multietapa localizado térmicamente)) sin la acumulación de sal, utilizando materiales de bajo costo, y mostró una alta eficiencia récord de conversión de radiación solar en vapor (385%) con una productividad de 5,78 l / m ² por hora.

Resultados de la investigacion

Imagen 1: diagrama de diseño del prototipo TMSS.

La primera etapa del prototipo, sobre la que cae la luz solar, consiste en una capa de aislamiento térmico de aerogel de sílice ópticamente transparente (SiO ₂ , dióxido de silicio), un colector solar, una mecha capilar * y un condensador. Todas estas capas están ubicadas a lo largo de la dirección de la radiación solar ( 1a ).

Capilaridad * : el efecto de subir o bajar el líquido a través de tubos estrechos, canales o cuerpos porosos (mecha capilar - desde la mecha en una lámpara de queroseno).

Cada uno de los pasos siguientes consiste en una mecha capilar y un condensador separado por aire ( 1b ). El condensador de la última etapa se encuentra en la salmuera (salmuera altamente concentrada) para mantener su temperatura cerca del medio ambiente, lo que proporciona un gran gradiente de presión de vapor en cada etapa.

El colector solar, ubicado entre la capa de sílice y la primera mecha capilar, convierte la energía solar en calor. La capa de aerogel de sílice suprime la pérdida de calor del colector solar debido a la conductividad, convección y radiación debido a su conductividad térmica ultrabaja y alta opacidad en el rango infrarrojo.

La energía térmica se transfiere del colector a una mecha capilar unida a la parte posterior, donde la salmuera sube al capilar y se evapora debido a la temperatura elevada. El vapor pasa a través del espacio de aire entre el evaporador y el condensador, liberando energía térmica a través de la condensación. El agua pura condensada se recoge en cada etapa, mientras que la energía térmica liberada se transfiere para comenzar la evaporación en la siguiente etapa, dándose cuenta de la recirculación de la entalpía.

La arquitectura TMSS proporciona desalinización de alto rendimiento gracias a tres características clave que optimizan la transferencia de calor y masa.

En primer lugar, la recirculación de la entalpía de evaporación se lleva a cabo a través de una configuración de etapas múltiples en la que el calor latente generado en la etapa anterior se usa en la etapa siguiente para activar la evaporación.

En segundo lugar, a diferencia de los enfoques tradicionales para la localización del calor solar, cuyo rendimiento depende de materiales absorbentes aislantes del calor que proporcionan absorción de energía solar y evaporación de agua en una interfaz, la arquitectura TMSS comparte estas funciones: la absorción de energía solar se produce en la parte frontal, mientras que mientras que el calentamiento interfacial y los humos resultantes están al otro lado del escenario.

Este diseño permite el uso de materiales económicos en el desarrollo, ya que no es necesario un colector solar con propiedades absorbentes de humedad o mechas capilares especiales con un cierto grado de absorción solar.

En tercer lugar, los pasos de instalación dispuestos verticalmente con ángulos de inclinación ajustables pueden reducir significativamente las pérdidas de calor espurio debido al área de contacto pequeña entre el evaporador de película delgada y la salmuera a granel ( 1a ). Además, esta arquitectura permite que la instalación funcione en diferentes posiciones del Sol, causada por la geografía o los cambios estacionales.

Los investigadores señalan que para lograr el mejor rendimiento, se deben optimizar muchos parámetros de diseño, incluido el ancho del dispositivo ( un), el grosor del espacio de aire ( b ) entre cada etapa del dispositivo y el número total de etapas ( n ). Para este prototipo, se eligió una altura de escalón de 10 cm, ya que es aproximadamente igual a la longitud de la mecha capilar. La elección de byn se determinó teniendo en cuenta la transferencia de calor y masa en cada etapa.

Por ejemplo, disminuir b puede disminuir la resistencia de transferencia de vapor, pero aumenta la pérdida de conductividad a través del espacio. Esta pérdida de conductividad en esta etapa puede reutilizarse en la siguiente etapa para acelerar la evaporación, sin embargo, reduce la formación de vapor en la etapa previa de alta temperatura, lo que reduce la eficiencia general de convertir la radiación solar en vapor.

Si aumenta el número de pasos (n ), en teoría, la eficiencia aumentará, pero esta "bonificación" disminuirá cuando el número de pasos sea crítico y la eficiencia comience a caer debido a la inevitable pérdida de calor de las paredes laterales de los pasos.

Para determinar lo que los valores de un , b y n deben ser , científicos crearon un modelo teórico.

El modelo mostró que para dicho dispositivo (10 cm de altura), el espacio de aire ( b ) debe ser de 2.5 mm, lo que corresponde a la eficiencia máxima (650%) de la conversión de la radiación solar en vapor.

Sabiendo que a = 10 cm yb= 2.5 mm, puede establecer el valor óptimo para el número de pasos. Se encontró que la eficiencia de la instalación aumentará muy ligeramente si el número de pasos ( n ) excede las 20 piezas (eficiencia de aproximadamente 600%).

Los científicos decidieron usar un espacio de aire no de 2.5, sino de 5 mm. Por lo tanto, puede estar seguro de que el espacio es mayor que el tamaño de gota típico en el condensador, entonces el condensado no tocará el evaporador y puede recogerse.

El número de pasos fue de 10 para demostrar que incluso un dispositivo tan pequeño puede funcionar de manera eficiente.

Dados los parámetros seleccionados ( a = 10 cm, b = 5 mm yn = 10), los científicos sugirieron que la eficiencia será de aproximadamente 417%.

No se olvide de las paredes laterales de los escalones, ya que la pérdida de calor debido a un aumento en su número puede reducir la eficiencia del dispositivo. Por lo tanto, se agregaron capas aislantes de 1.27 cm de espesor a los lados

y el modelo teórico muestra una disminución en la eficiencia cuando el espacio de aire aumenta a 100 mm (de 417% a 300%) y a 1.5 cm (de 417% a menos de 250%).

Imagen No. 2

El resultado de la simulación fue el prototipo TMSS, que se muestra en la Figura 2a. Este dispositivo de diez etapas consta de once marcos de nylon (Nylon PA12), que se hicieron con impresión 3D. Se instaló un colector solar de 10x10 cm disponible comercialmente (B-SX / TL / ZZ-1.88) en la parte posterior del primer marco. También había una placa de vidrio de 10x10 cm con un espesor de 1 mm con un revestimiento antirreflectante en la parte delantera para proteger el colector ( 2a ). Se colocó un aerogel de sílice monolítico (9,5x9,5 cm y 5 mm de espesor) entre el colector solar y la placa de vidrio y sirvió como aislamiento térmico transparente. Los 10 cuadros restantes eran idénticos entre sí. En cada uno de ellos, se colocó un condensador de placa de aluminio de 10x10 cm y 0,5 mm de espesor ( 2b) El condensador se revistió con una capa de teflón de 1 μm, lo que permitió que las gotas se escurrieran y no permanecieran en el condensador. Los ángulos de contacto y avance en el recubrimiento hidrófobo fueron 108,2 ° y 103,2 °, respectivamente ( 2c y 2d ). La histéresis con un ángulo de contacto pequeño (～ 5 °) facilitó la eliminación de gotas condensadas de escala milimétrica bajo la acción de la gravedad. Para recoger efectivamente el agua desalinizada, se hizo una ranura con un ángulo de inclinación de ～ 5.7 ° en la parte inferior del marco, que se conectó a la salida.

La alta transparencia (﹥ 95%) del aerogel de vidrio y sílice, así como la alta capacidad de absorción (～ 93%) del colector solar, se midieron utilizando un espectrofotómetro UV-Vis-NIR ( 2e ).

Lo más interesante es que las toallas de papel ordinarias de 10 cm de ancho y 15 cm de largo, que estaban unidas a la parte posterior de cada condensador ( 2f ), se usaron como una mecha capilar . Las fibras de celulosa de estas toallas crear numerosos microporos con diámetros que van de 10 a 100 micras ( 2g y 2h ), que crean la presión capilar y proporcionan un transporte rápido de agua.

El costo total de los materiales utilizados para crear la instalación completa fue de aproximadamente 1,54 dólares. Al mismo tiempo, el 70% del costo recae en marcos de nylon. Son parcialmente huecos, pero si usa marcos completamente huecos, entonces el costo disminuirá.

Imagen No. 3

Evaluación inicial de las características de la instalación probada (esquema 3a) se llevó a cabo en condiciones de laboratorio. El sol artificial generó un flujo de 1000 vatios por m ² .

Para una evaluación detallada de las características térmicas, se utilizaron 12 termopares simultáneamente, que midieron la respuesta de temperatura en tiempo real: 10 pares controlaron la temperatura del evaporador / condensador de cada etapa ( T ₁ - T ₁₀ ); 1 par registró la temperatura del condensador de la última etapa ( T _b ) y 1 par más registró la temperatura ambiente ( T _atm ) ( 2a y 3a ). Los datos recopilados sobre la pérdida de temperatura y masa fueron procesados por una computadora. La dinámica de temperatura de 10 pasos durante 3 horas se muestra en3b .

Debido a la alta resistencia térmica del aerogel y al aislamiento de las paredes laterales de los escalones, la temperatura del primer escalón literalmente alcanzó los 15 ° C en 15 minutos ( T ₁ ), y luego alcanzó un estado estable de 72 ° C. Los pasos restantes también alcanzaron gradualmente un estado estable después de 100 minutos desde el inicio de la irradiación.

Aunque el condensador de la última etapa se insertó en el tanque de agua, su temperatura aún era ligeramente más alta que la temperatura ambiente ( T _b～ 25 ° C) en un estado estable debido a la resistencia térmica a través de una delgada lámina de aluminio.

La tasa de cambio de masa para un dispositivo de 10 etapas aumentó gradualmente y se mantuvo a un nivel constante de ～ 0.89 g / min después del establecimiento de un estado térmico estable.

Se describió una dinámica similar del comportamiento de los pasos en la etapa de modelado ( 3c ), que considera la concentración y difusión del vapor dependiente de la temperatura en cada etapa de la configuración.

El agua condensada comenzó a fluir desde la salida de la primera etapa aproximadamente 8 minutos después de encender el sol artificial. A continuación sucedió con los pasos posteriores.

Demostración del inicio de la instalación del TMSS.

Cuando el TMSS entró en estado estable después de 100 minutos, hubo un flujo continuo de agua de los diez agujeros.

Demostración de la instalación en modo estable.

La pérdida de peso total fue de aproximadamente 150 g, y se recogieron aproximadamente 113 g de agua después de 3 horas de operación. La pérdida de agua estuvo representada principalmente por las gotas que quedaron en el condensador y las fugas de vapor durante el funcionamiento de la instalación. Si restamos la contribución de la evaporación en condiciones sin luz, resulta que
la tasa de producción de vapor del TMSS de diez etapas en el modo estacionario fue de 5.78 l / m ² por hora.

Además, para comprender mejor el mecanismo de transferencia de calor y masa dentro del TMSS, se realizó un análisis de la temperatura y el flujo de vapor de cada etapa en un estado estacionario ( 3d ). La temperatura de cada etapa se promedió durante la última hora de medición (es decir, de 120 minutos a 180 minutos de la prueba).

La medición de temperatura mostró una disminución lineal entre los pasos debido a la misma resistencia térmica de cada uno de ellos. Para evaluar la contribución de cada etapa, se calculó la concentración de vapor saturado en función de la temperatura del evaporador y la corriente de vapor.

El flujo de vapor mostró una disminución exponencial con cada etapa posterior (3d) debido a la pérdida de calor en la pared lateral y la relación no lineal entre la temperatura y la concentración de vapor. En total, los primeros tres pasos hicieron la mayor contribución: alrededor del 45% del flujo de vapor total. Esta observación en la práctica muestra por qué agregar una gran cantidad de pasos será simplemente ineficiente e irracional.

Para demostrar claramente la importancia de la recirculación de la entalpía de vaporización, se realizó un análisis comparativo del rendimiento de un dispositivo de diez etapas con una sola etapa. La eficiencia de un sistema de una sola etapa fue solo del 81% ( 3e ), según lo predicho por el modelo teórico (alrededor del 83%). La producción de agua correspondiente fue de 1.21 l / m ² por hora, que es aproximadamente cinco veces menor que la capacidad de una instalación de diez etapas ( 3s ).

El aislamiento de las paredes laterales y su importancia también han sido probados. En ausencia de aislamiento, la eficiencia cayó al 286%, mientras que en presencia de aislamiento debería alcanzar el 326% ( 3 ).

Imagen No. 4

El gráfico anterior muestra una comparación de la efectividad de la instalación TMSS probada (marcada con un asterisco) y equivalentes previamente desarrollados. Como podemos ver, los indicadores de la instalación desarrollada literalmente rompen todos los récords.

El siguiente indicador importante que los investigadores verificaron fue el grado de desalinización del prototipo TMSS utilizando agua con un contenido de NaCl al 3,5% como ejemplo. Después de la desalinización, la mineralización de agua (0,0005% en peso) se redujo en cuatro órdenes de magnitud ( 5a ).

Imagen No. 5

Además, el estándar internacional para el agua potable, establecido por la Organización Mundial de la Salud, es de 0.02% en peso.

Otro aspecto importante es la acumulación de sales, que pueden interferir con el funcionamiento continuo de la instalación. Para probar la resistencia del prototipo a este problema, se realizó una prueba en la que la instalación se irradió con luz a 1500 W / m ² durante 1,5 horas. La radiación solar total de laboratorio fue de 5,25 kWh por m ² , que excede el promedio anual de radiación solar diaria en los Estados Unidos. Estas 3.5 horas simularon el día, luego de lo cual se apagó la radiación para simular la noche. Tales condiciones conducen a la rápida acumulación de sales y a una reducción en el tiempo de difusión. En 5b muestra la dinámica de acumulación y rechazo de sal para la prueba de 5,18 horas. En general, el evaporador mostró una alta capacidad para eliminar la sal durante toda la prueba.

La acumulación de sal se observó solo en las dos esquinas superiores, que tenían la mayor resistencia a la difusión, ya que se encontraban a la mayor distancia de la salmuera (la dinámica de la acumulación de sal en estas esquinas se muestra mediante una línea discontinua blanca en 5b ).

Las primeras dos horas de sal no se acumularon, ya que el NaCl tiene una alta solubilidad en difusión en agua. Pero después de 2 horas, la sal comenzó a cristalizar, y después de 3,5 horas, aproximadamente el 45% del área en esquinas de 4x4 cm se cubrió con sal. Sin embargo, después de 15 horas de funcionamiento normal, la sal acumulada se difunde por completo.

Todos los resultados anteriores de pruebas y observaciones se obtuvieron en condiciones de laboratorio. Naturalmente, las condiciones ambientales no se pueden controlar, como en un laboratorio. Por lo tanto, se realizaron pruebas similares, pero ya al aire libre (la prueba se realizó en julio de 2019).

Imagen No. 6

El prototipo estaba ubicado en el techo del campus del instituto ( 6a y 6b ). Para evaluar los cambios en la temperatura, también se usaron 12 termopares, y se usó un piranómetro para evaluar los cambios en el flujo solar incidente. La cámara registró todos los cambios, incluida la cantidad de agua recogida en un cilindro especial con un volumen de 100 ml.

El experimento al aire libre comenzó a las 11:10 hora local y terminó a las 16:00. La temperatura de cada etapa aumentó rápidamente durante la primera hora, cuando la temperatura del colector solar excedió la temperatura ambiente en más de 30 ° C ( 6s ).

Demostración de la instalación durante la prueba al aire libre.

El agua comenzó a salir de la primera etapa después de 20 minutos. El flujo solar varió significativamente de 200 a 800 W m ² debido a las nubes dispersas ( 6d ), lo que provocó fluctuaciones en la temperatura del colector solar ( 6c ). Debido a la cubierta de nubes, se observó la fluctuación bastante esperada en la temperatura del colector solar de 50 a 65 ° C.

En las imágenes 6e, es claramente visible la cantidad de agua recolectada durante el experimento: 72 ml en 4.5 horas, es decir 2.6 l kW ^-1 por hora.

Es lógico que un dispositivo tan pequeño no pueda, dada la variabilidad del clima, satisfacer la tasa diaria de agua para los humanos (aproximadamente 3.2 l). Para hacer esto, debe ensamblar una serie de prototipos con un área de 1 m ² (10 por 10 piezas), que pueden recolectar alrededor de 10-20 litros de agua por día, dependiendo de las condiciones climáticas y la temporada.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo

En este trabajo, los científicos describieron las características de su prototipo de planta de desalinización con luz solar. Si bien la mayoría de las instalaciones modernas requieren grandes inversiones financieras o ciertas condiciones (tanto naturales como de infraestructura), el prototipo creado es muy barato y muy efectivo. El costo total de los materiales ascendió a solo 1.54 dólares, y el rendimiento de agua de 5.7 l m2 por hora.

Los científicos llaman a la base de su creación una comprensión de los principios de transferencia térmica y de masa dentro del dispositivo que se está desarrollando. Después de todo, si sabe qué y cómo sucede con los diversos participantes en el proceso, puede ajustar su comportamiento.

El problema del agua dulce es cada vez mayor cada año, aunque muchos no lo notan, porque viven en condiciones de acceso bastante libre de problemas a los recursos hídricos. Sin embargo, hay un problema y no se puede ignorar. Este estudio muestra cuán efectivos pueden ser los dispositivos simples y baratos que implementan los principios fundamentales de las ciencias naturales. Todo ingenioso es simple. Esta frase suena con bastante frecuencia, aunque a veces se usa para otros fines, pero en el caso del prototipo que examinamos hoy, encaja perfectamente.

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