🙇🏿 🧑🏾‍🤝‍🧑🏾 ▶️ Destilador compacto de aerogel, alumínio e papel toalha de US $ 1,5 🐊 🏳️‍🌈 👨🏻‍💻

Nosso planeta é, sob muitos aspectos, único, especialmente quando comparado com seus vizinhos no sistema solar. A maior parte da superfície da Terra, cerca de 70%, é ocupada por oceanos, mares, rios e lagos. No entanto, apenas uma pequena fração dessas reservas de água é fresca. A parte do leão é a água do mar e do oceano, que só pode ser bebida se você quiser se desidratar, tiver problemas nos rins e realmente gosta de reler as instruções para um purificador de ar na "sala de pensamentos". Em outras palavras, a água salgada proveniente de seu uso direto será mais mal do que bem.

Hoje, encontraremos um estudo no qual um grupo de cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (EUA) desenvolveu um dispositivo que permite a dessalinização da água usando energia solar sem nenhum envolvimento humano. Quais são as características da invenção, qual é o princípio de sua operação e qual a sua eficácia? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vai.

Base de estudo

Apesar das enormes reservas de água do planeta, dado que apenas uma fração delas é adequada para consumo, quase um terço da população mundial sofre com a escassez de água potável. Usar a água do mar como fonte de água doce é a maneira mais lógica e relativamente fácil de implementar para resolver esse problema global.

Como dizem os próprios cientistas, as modernas usinas de dessalinização funcionam com bastante eficiência, mas elas têm uma série de deficiências muito banais. Um deles é o alto custo e a necessidade de uma infraestrutura desenvolvida que possa suportar o trabalho de um mecanismo tão complexo.

Os sistemas de dessalinização passiva que usam energia solar também são bastante eficazes. Mas o custo da água doce que eles produziram é bastante alto, sem mencionar a baixa eficiência da conversão de energia solar em água doce.

Recentemente, a ênfase do desenvolvimento foi colocada na criação de sistemas passivos mais eficientes. No âmbito de tais estudos, foi possível criar sistemas baseados na localização do calor solar. No entanto, a eficiência de conversão da radiação solar em vapor é inferior a 100% se a entalpia da evaporação * for perdida no ambiente.

Entalpia por evaporação * - a quantidade de calor necessária para converter uma substância líquida em gasosa.

Os cientistas acreditam que a chave para aumentar a eficiência dos sistemas de dessalinização pode ser a coleta e reutilização da entalpia de vaporização. Essa idéia já foi implementada em grandes instalações de destilação. No entanto, em instalações de destilação de pequeno porte, surgem certas dificuldades tecnológicas.

Estudos anteriores já demonstraram sistemas compactos de localização de calor solar que reutilizaram a entalpia da vaporização para gerar eletricidade, converter água do mar em vapor ou ambos. No entanto, existe uma teoria de que a eficácia de tais mecanismos pode ser muito maior do que é agora.

Os autores do trabalho que estamos considerando hoje afirmam que as limitações fundamentais da produtividade geral e as estratégias de projeto correspondentes para plantas de dessalinização não foram bem estudadas. Por esse motivo, não temos idéia de como exatamente é possível criar e melhorar sistemas de dessalinização precisos e compactos e baratos na produção.

Para resolver esse quebra-cabeça, os cientistas realizaram uma série de análises para obter uma idéia fundamental da transferência de calor e massa dentro do dispositivo. Esse conhecimento pode contribuir bastante para a otimização do dispositivo de dessalinização que está sendo criado, que funcionará com mais eficiência.

Os cientistas também criaram um protótipo de um TMSS de dez estágios (fonte solar de vários estágios localizada termicamente)) sem o acúmulo de sal, utilizando materiais baratos, e demonstrou uma eficiência recorde de conversão da radiação solar em vapor (385%), com uma produtividade de 5,78 l / m ² por hora.

Resultados da pesquisa

Imagem 1: Diagrama do projeto do protótipo TMSS.

O primeiro estágio do protótipo, no qual a luz solar cai, consiste em uma camada de isolamento térmico de aerogel de sílica opticamente transparente (SiO ₂ , dióxido de silício), um coletor solar, um pavio capilar * e um capacitor. Todas essas camadas estão localizadas na direção da radiação solar ( 1a ).

Capilaridade * - o efeito de elevar ou abaixar o líquido através de tubos estreitos, canais ou corpos porosos (pavio capilar - do pavio em uma lâmpada de querosene).

Cada uma das etapas subsequentes consiste em um pavio capilar e um condensador separado por ar ( 1b ). O condensador do último estágio está localizado na salmoura (salmoura altamente concentrada) para manter sua temperatura próxima ao ambiente, o que fornece um grande gradiente de pressão de vapor em cada estágio.

O coletor solar, localizado entre a camada de sílica e o primeiro pavio capilar, converte energia solar em calor. A camada de sílica do aerogel suprime a perda de calor do coletor solar devido à condutividade, convecção e radiação devido à sua condutividade térmica ultrabaixa e alta opacidade na faixa de infravermelho.

A energia térmica é transferida do coletor para um pavio capilar anexado ao lado traseiro, onde a salmoura sobe capilar e evapora devido à temperatura elevada. O vapor passa pelo espaço de ar entre o evaporador e o condensador, liberando energia térmica através da condensação. A água pura condensada é coletada em cada estágio, enquanto a energia térmica liberada é transferida para iniciar a evaporação no estágio seguinte, realizando a recirculação da entalpia.

A arquitetura TMSS fornece dessalinização de alto desempenho graças a três recursos principais que otimizam a transferência de calor e massa.

Primeiramente, a entalpia de vaporização é recirculada através de uma configuração de vários estágios, na qual o calor latente gerado no estágio anterior é usado no estágio seguinte para ativar a evaporação.

Em segundo lugar, diferentemente das abordagens tradicionais para a localização do calor solar, cujo desempenho depende de materiais absorventes isolantes de calor que fornecem absorção de energia solar e evaporação da água em uma interface, a arquitetura TMSS compartilha essas funções: a absorção de energia solar ocorre na parte frontal, enquanto enquanto o aquecimento interfacial e os vapores resultantes estão do outro lado do palco.

Esse projeto permite o uso de materiais baratos no desenvolvimento, uma vez que não há necessidade de um coletor solar com propriedades de absorção de umidade ou em mechas capilares especiais com um certo grau de absorção solar.

Em terceiro lugar, as etapas de instalação localizadas verticalmente com ângulos de inclinação ajustáveis podem reduzir significativamente perdas de calor espúrias devido à pequena área de contato entre o evaporador de película fina e a salmoura a granel ( 1a ). Além disso, essa arquitetura permite que a instalação funcione em diferentes posições do Sol, causadas por alterações geográficas ou sazonais.

Os pesquisadores observam que, para obter o melhor desempenho, muitos parâmetros de design devem ser otimizados, incluindo a largura do dispositivo ( uma), a espessura da folga de ar ( b ) entre cada estágio do dispositivo e o número total de estágios ( n ). Para este protótipo, foi escolhida uma altura do degrau de 10 cm, uma vez que é aproximadamente igual ao comprimento do pavio capilar. A escolha de bec foi determinada levando em consideração a transferência de calor e massa em cada estágio.

Por exemplo, diminuir b pode diminuir a resistência à transferência de vapor, mas aumentar a perda de condutividade através do espaço. Essa perda de condutividade nesse estágio pode ser reutilizada no estágio seguinte para acelerar a evaporação; no entanto, reduz a formação de vapor no estágio anterior de alta temperatura, o que reduz a eficiência geral da conversão da radiação solar em vapor.

Se você aumentar o número de etapas (n ), em teoria, a eficiência aumentará, mas esse “bônus” se tornará menor quando o número de etapas for crítico e a eficiência começar a cair devido à inevitável perda de calor nas paredes laterais das etapas.

Para determinar quais os valores de um , b e n deve ser , os cientistas criaram um modelo teórico.

O modelo mostrou que, para um dispositivo desse tipo (10 cm de altura), o espaço aéreo ( b ) deve ser de 2,5 mm, o que corresponde ao pico de eficiência (650%) da conversão da radiação solar em vapor.

Sabendo que a = 10 cm eb= 2,5 mm, você pode definir o valor ideal para o número de etapas. Verificou-se que a eficiência da instalação aumentará muito ligeiramente se o número de etapas ( n ) exceder 20 peças (eficiência de cerca de 600%).

Os cientistas decidiram usar um espaço de ar não de 2,5, mas de 5 mm. Assim, você pode ter certeza de que a folga é maior que o tamanho típico das gotículas no condensador; o condensado não tocará o evaporador e poderá ser coletado.

O número de etapas foi 10 para demonstrar que mesmo um dispositivo tão pequeno pode funcionar com eficiência.

Dados os parâmetros selecionados ( a = 10 cm, b = 5 mm en = 10), os cientistas sugeriram que a eficiência será de cerca de 417%.

Não se esqueça das paredes laterais dos degraus, pois a perda de calor devido ao aumento de seu número pode reduzir a eficiência do dispositivo. Portanto, foram adicionadas camadas isolantes com 1,27 cm de espessura aos

lados.O modelo teórico também mostra uma diminuição da eficiência com um aumento do espaço aéreo para 100 mm (de 417% para 300%) e para 1,5 cm (de 417% para menos de 250%).

Imagem No. 2

O resultado da simulação foi o protótipo TMSS, mostrado na Figura 2a. Este dispositivo de dez estágios consiste em onze quadros de nylon (Nylon PA12), feitos com impressão 3D. Um coletor solar de 10x10 cm disponível no mercado (B-SX / TL / ZZ-1.88) foi instalado na parte traseira do primeiro quadro. Havia também uma placa de vidro de 10x10 cm, com uma espessura de 1 mm, com um revestimento antirreflexo na frente para proteger o coletor ( 2a ). Um aerogel monolítico de sílica (9,5x9,5 cm e 5 mm de espessura) foi colocado entre o coletor solar e a placa de vidro e serviu como isolamento térmico transparente. Os 10 quadros restantes eram idênticos entre si. Em cada um deles, foi colocado um capacitor de chapa de alumínio de 10x10 cm e espessura de 0,5 mm ( 2b) O capacitor foi revestido com uma camada de 1 μm de Teflon, que permitiu que as gotículas drenassem e não permanecessem no capacitor. Os ângulos de contato e avanço no revestimento hidrofóbico foram 108,2 ° e 103,2 °, respectivamente ( 2c e 2d ). A histerese com um pequeno ângulo de contato (± 5 °) facilitou a remoção de gotículas condensadas de escala milimétrica sob a ação da gravidade. Para coletar efetivamente a água dessalinizada, uma fenda com um ângulo de inclinação de ± 5,7 ° foi feita na parte inferior da estrutura, que estava conectada à saída.

A alta transparência (﹥ 95%) do aerogel de vidro e sílica, bem como a alta capacidade de absorção (% 93%) do coletor solar, foram medidas usando um espectrofotômetro UV-Vis-NIR ( 2e ).

O mais interessante é que toalhas de papel comuns de 10 cm de largura e 15 cm de comprimento, que estavam presas na parte traseira de cada capacitor ( 2f ), eram usadas como pavio capilar . As fibras de celulose dessas toalhas criam numerosos microporos com diâmetros variando de 10 a 100 microns ( 2g e 2h ), que criam pressão capilar e proporcionam transporte rápido de água.

O custo total dos materiais usados para criar toda a instalação foi de cerca de 1,54 dólar. Ao mesmo tempo, 70% do custo recai sobre armações de nylon. Eles são parcialmente ocos, mas se você usar quadros completamente ocos, o custo diminuirá.

Imagem No. 3

Avaliação inicial das características da instalação testada (esquema 3a) foi realizado em condições de laboratório. O sol artificial gerou um fluxo de 1000 watts por m ² .

Para uma avaliação detalhada de características térmicas, 12 termopares foram usados simultaneamente, que mediu a resposta de temperatura em tempo real: 10 pares controlada a temperatura do evaporador / condensador de cada fase ( T ₁ - T ₁₀ ); 1 par registrou a temperatura do capacitor do último estágio ( T _b ) e mais 1 par registrou a temperatura ambiente ( T _atm ) ( 2a e 3a ). Os dados coletados sobre a perda de temperatura e massa foram processados por um computador. A dinâmica da temperatura de 10 etapas por 3 horas é mostrada na3b .

Devido à elevada resistência térmica do aerogel e do isolamento das paredes laterais dos passos, a temperatura do primeiro passo literalmente atingiu 15 ° C em 15 minutos ( T ₁ ), e, em seguida, ele atingiu um estado estável de 72 ° C. As etapas restantes também alcançaram gradualmente um estado estável após 100 minutos do início da irradiação.

Embora o condensador de última fase foi inserido no tanque de água, a sua temperatura era ainda um pouco mais elevada do que a temperatura ambiente ( T _b ~ 25 ° C) em um estado estável, devido à resistência térmica através de uma folha de alumínio fina.

A taxa de mudança de massa para um dispositivo de 10 estágios aumentou gradualmente e foi mantida a um nível constante de ± 0,89 g / min após o estabelecimento de um estado térmico estável.

Uma dinâmica semelhante do comportamento das etapas foi descrita na etapa de modelagem ( 3c ), que considera a concentração e a difusão do vapor dependente da temperatura em cada etapa da configuração.

A água condensada começou a fluir da saída do primeiro estágio cerca de 8 minutos depois de ligar o sol artificial. A seguir, aconteceu com as etapas subsequentes.

Demonstração do início da instalação do TMSS.

Quando o TMSS entrou em estado estacionário após 100 minutos, houve um fluxo contínuo de água de todos os dez orifícios.

Demonstração da instalação no modo estável.

A perda total de peso foi de cerca de 150 g, e cerca de 113 g de água foram coletadas após 3 horas de operação. A água perdida foi representada principalmente por gotículas que permaneceram no condensador e vazamento de vapor durante a operação da instalação. Se subtrairmos a contribuição da evaporação em condições
apagadas, a taxa de produção de vapor do TMSS de dez estágios no modo estacionário foi de 5,78 l / m ² por hora.

Além disso, para entender melhor o mecanismo de transferência de calor e massa dentro do TMSS, foi realizada uma análise da temperatura e do fluxo de vapor de cada estágio em um estado estacionário ( 3d ). A temperatura de cada estágio foi calculada em média na última hora de medição (isto é, de 120 minutos a 180 minutos do teste).

A medição de temperatura mostrou um declínio linear entre as etapas devido à mesma resistência térmica de cada uma delas. Para avaliar a contribuição de cada estágio, a concentração de vapor saturado foi calculada com base na temperatura do evaporador e na corrente de vapor.

O fluxo de vapor mostrou uma diminuição exponencial a cada estágio subsequente (3d) devido à perda de calor na parede lateral e à relação não linear entre temperatura e concentração de vapor. No total, as três primeiras etapas deram a maior contribuição - cerca de 45% do fluxo total de vapor. Esta observação na prática mostra por que adicionar um grande número de etapas será simplesmente ineficiente e irracional.

Para demonstrar claramente a importância da recirculação da entalpia da vaporização, foi realizada uma análise comparativa do desempenho de um dispositivo de dez estágios com um estágio único. A eficiência de um sistema de estágio único foi de apenas 81% ( 3º ), conforme previsto pelo modelo teórico (cerca de 83%). A saída de água correspondente era de 1,21 l / m ² por hora, cerca de cinco vezes menos que a capacidade de uma instalação de dez estágios ( 3s ).

O isolamento das paredes laterais e sua importância também foram testados. Na ausência de isolamento, a eficiência caiu para 286%, enquanto na presença de isolamento deve atingir 326% ( 3 ).

Imagem No. 4

O gráfico acima mostra uma comparação da eficácia da instalação do TMSS testada (marcada com um asterisco) e equivalentes desenvolvidos anteriormente. Como podemos ver, os indicadores da instalação desenvolvida literalmente quebram todos os recordes.

O próximo indicador importante que os pesquisadores verificaram foi o grau de dessalinização do protótipo TMSS usando água com um teor de 3,5% de NaCl como exemplo. Após a dessalinização, a mineralização da água (0,0005% em peso) foi reduzida em quatro ordens de magnitude ( 5a ).

Imagem nº 5

Além disso, o padrão internacional para água potável, estabelecido pela Organização Mundial da Saúde, é de 0,02% em peso.

Outro aspecto importante é o acúmulo de sais, o que pode interferir na operação contínua da instalação. Para testar a resistência do protótipo a esse problema, foi realizado um teste no qual a instalação foi irradiada com luz a 1500 W / m ² por 1,5 horas. A radiação solar total do laboratório foi de 5,25 kWh por m ² , o que excede a média anual de radiação solar diária nos Estados Unidos. Essas 3,5 horas simularam o dia, após o qual a radiação foi desligada para simular a noite. Tais condições levam ao rápido acúmulo de sais e a uma redução no tempo de difusão. Em 5b mostra a dinâmica de acumulação e rejeição de sal para o teste de 5,18 horas. Em geral, o evaporador mostrou uma alta capacidade de remover sal ao longo do teste.

O acúmulo de sal foi observado apenas nos dois cantos superiores, que apresentaram maior resistência à difusão, pois estavam à maior distância da salmoura (a dinâmica da acumulação de sal nesses cantos é mostrada por uma linha tracejada branca em 5b ).

As duas primeiras horas de sal não se acumularam, uma vez que o NaCl apresenta alta solubilidade de difusão em água. Porém, após 2 horas, o sal começou a cristalizar e, após 3,5 horas, cerca de 45% da área nos cantos de 4x4 cm foi coberta com sal. No entanto, após 15 horas de operação normal, o sal acumulado difunde completamente.

Todos os resultados acima de testes e observações foram obtidos em condições de laboratório. Naturalmente, as condições ambientais não podem ser controladas, como em um laboratório. Portanto, testes semelhantes foram realizados, mas já ao ar livre (o teste foi realizado em julho de 2019).

Imagem nº 6

O protótipo estava localizado no telhado do campus do instituto ( 6a e 6b ). Para avaliar as mudanças de temperatura, também foram utilizados 12 termopares e um piranômetro para avaliar as mudanças no fluxo solar incidente. A câmera registrou todas as alterações, incluindo a quantidade de água coletada em um cilindro especial com um volume de 100 ml.

O experimento ao ar livre começou às 11:10, horário local, e terminou às 16:00. A temperatura de cada estágio aumentou rapidamente durante a primeira hora, quando a temperatura do coletor solar excedeu a temperatura ambiente em mais de 30 ° C ( 6s ).

Demonstração da instalação durante o teste ao ar livre.

A água começou a fluir para fora do primeiro estágio após 20 minutos. O fluxo solar variou significativamente de 200 a 800 W m ² devido a nuvens dispersas ( 6d ), o que levou a flutuações na temperatura do coletor solar ( 6c ). Devido à cobertura de nuvens, foi observada uma flutuação bastante esperada na temperatura do coletor solar de 50 a 65 ° C.

Nas imagens 6e, é claramente visível quanta água foi coletada durante o experimento: 72 ml em 4,5 horas, ou seja, 2,6 l kW ^-1 por hora.

É lógico que um dispositivo tão pequeno não possa, dada a variabilidade do clima, satisfazer a taxa diária de água para humanos (cerca de 3,2 l). Para fazer isso, é necessário montar uma série de protótipos com uma área de 1 m ² (10 por 10 peças), que pode coletar cerca de 10 a 20 litros de água por dia, dependendo das condições climáticas e da estação.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Neste trabalho, os cientistas descreveram as características de sua planta de dessalinização de protótipo usando luz solar. Embora a maioria das instalações modernas exija grandes investimentos financeiros ou certas condições (naturais e de infra-estrutura), o protótipo criado é muito barato e muito eficaz. O custo total dos materiais foi de apenas 1,54 dólar e o rendimento de água de 5,7 l m2 por hora.

Os cientistas chamam o fundamento de sua criação de um entendimento dos princípios de transferência térmica e de massa dentro do dispositivo que está sendo desenvolvido. Afinal, se você sabe o que e como está acontecendo com os vários participantes do processo, pode ajustar o comportamento deles.

O problema da água doce está se tornando cada vez mais a cada ano, embora muitos não percebam, porque vivem em condições de acesso razoavelmente livre de problemas aos recursos hídricos. No entanto, há um problema e não pode ser ignorado. Este estudo mostra quão eficazes podem ser os dispositivos simples e baratos que implementam os princípios fundamentais das ciências naturais. Todo engenhoso é simples. Essa frase soa com bastante frequência, embora algumas vezes seja usada para outros fins, mas no caso do protótipo que examinamos hoje, ela se encaixa perfeitamente.

Sexta-feira off-top:

, . , , :)

Obrigado pela atenção, fique curioso e tenha um ótimo final de semana a todos, pessoal! :)

Um pouco de publicidade :)

Obrigado por ficar com a gente. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando aos seus amigos o VPS baseado em nuvem para desenvolvedores a partir de US $ 4,99 , um analógico exclusivo de servidores básicos que foi inventado por nós para você: Toda a verdade sobre o VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 núcleos) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps de 10GB de US $ 19 ou como dividir o servidor? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 vezes mais barato no data center Equinix Tier IV em Amsterdã? Somente nós temos 2 TVs Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV a partir de US $ 199 na Holanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US $ 99! Leia sobre como construir infraestrutura classe c usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que custam 9.000 euros por um centavo?

Destilador compacto de aerogel, alumínio e papel toalha de US $ 1,5

Base de estudo

Resultados da pesquisa

Epílogo

Um pouco de publicidade :)

More articles: