INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

USO DE LA ENERGÍA SOLAR APLICADA AL TRATAMIENTO DEAGUA PLUVIAL CAPTADA EN UNA CASA HABITACIÓN EN EL ESTADO

DE MÉXICO

T E S I S C U R R I C U L A R

QUE PARA OBTENER EL TITULODE INGENIERO MECANICO

P R E S E N T A N

FLORES RAMÍREZ GERARDOGARCÍA SOTO IVÁN MAURICIOGONZÁLEZ SÁNCHEZ RODRIGO

MÉXICO DF, NOVIEMBRE DE 2008

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II

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III

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a todos aquellos que estuvieron presentes durante este largo

camino que ha culminado en un éxito, agradezco a mis padres el apoyo incondicional

y el gran sacrificio por brindarme un futuro que hoy empieza, les doy las gracias

infinitamente por la confianza que han puesto en mi, por su esfuerzo y dedicación que

ha sido un motivo importante para seguir luchando día a día, para formarme un ideal

y seguir en esta lucha, esta lucha que paso a paso se ha visto reflejada en

satisfacciones, le doy gracias a Dios por ponerme en este camino que sin duda ha sido

el mejor.

A mis Padres

Muchas Gracias

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IV

INDICE

JUSTIFICACIÓN VIII

OBJETIVOS IX

RESUMEN X

CAPITULO I ANTECEDENTES 2

1.1 CAPTACIÓN, TRATAMIENTO Y ALMACENAMIENTO DE AGUA DE

LLUVIA EN JUMILTEPEC, MUNICIPIO DE OCUITUCO, MORELOS. (1) 3

1.2 CAPTACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE AGUA PLUVIAL EN

EUROPA. (2) 4

1.3 CAPTACIÓN DE AGUA DE LLUVIA DE LOS TECHOS EN INDIA. (3) 4

1.4 BOLETÍN DE NOTICIAS. (4) 5

1.4.1 Australia: escasez de agua obligará al uso de agua reciclada. (5) 5

1.4.2 Marruecos: firman acuerdo con México para intercambio de

tecnología. (6) 5

1.4.3 India: Himachal Pradesh convierte en obligatoria la recolección de agua

lluvia en las ciudades. (7) 6

1.4.4 Desarrollan sistema para aprovechar agua lluvia. (8) 6

1.4.5 El agua será motivo de guerra entre países, ha dicho el secretario de la

ONU para el Medio Ambiente. (9) 7

CAPITULO II MARCO TEÓRICO 8

2.1 AGUA 9

2.1.1 Contaminación del Agua 9

2.1.2 Aguas Residuales 10

2.1.3 Depuración de aguas residuales 12

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V

2.1.4 Desinfección del agua 14

2. 2 FILTRACIÓN 16

2.2.1 Medios filtrantes 16

2.2.2 Criterios de selección de equipos de filtración 17

2.3 TRANSFERENCIA DE CALOR 18

2.3.1 Primera ley de la termodinámica 19

2.3.2 Conducción 20

2.3.3 Convección 23

2.3.4 Radiación 24

2.4 RADIACIÓN SOLAR 25

2.4.1 Leyes de radiación 29

2.4.2 Magnitudes radiactivas 31

2.5 UNIDADES DE MEDIDA 32

2.5.1 Radiación solar global 32

2.5.2 Radiación visible y ultravioleta 33

2.6 RADIACIÓN INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE 34

2.6.1 Radiación directa (Hb) 35

2.6.2 Radiación difusa (Hd) 36

2.6.3 Radiación global (H) 37

2.7 DISTRIBUCIÓN GLOBAL DE LA RADIACIÓN SOLAR 41

CAPITULO III DESARROLLO DEL TRABAJO 42

3.1 FACTOR TÉCNICO 43

3.2 FACTOR ECONÓMICO 43

3.3 FACTOR SOCIAL 43

3.4 USOS DEL AGUA DE LLUVIA 43

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VI

3.5 EQUIPO BÁSICO DE RECOGIDA Y GESTIÓN DEL AGUA DE

LLUVIA 44

3.6 CAPTACIÓN 45

3.7 RECOLECCIÓN Y CONDUCCIÓN 46

3.8 TANQUE DE FILTRACIÓN 46

3.9 CISTERNA 46

3.10 FILTRACION DEL AGUA DE LLUVIA 47

CAPITULO IV METODOLOGÍA Y ANALISIS DE RESULTADOS 48

4.1 METODOLOGIA Y ANALISIS DE DATOS 49

4.2 TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y FILTRACIÓN 51

4.3 SELECCIÓN DE LA BOMBA 53

4.4 SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA 54

4.5 CALCULOS 56

COSTOS 62

RECOMENDACIONES 63

CONCLUSIÓN 64

BIBLIOGRAFÍA 65

ANEXOS Y PLANOS 67

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VII

CONTENIDO DE ILUSTRACIONES Y TABLAS

Ilustración 2.1: Reducción del número de muertes debido al tifoideo en EE.UU.

(1900-1910), comparado con el número de personas que usan agua tratada 15

Ilustración 2.2: Ley de Fourier. 21

Ilustración 2.3: Energía radiada por el sol y la tierra 27

Ilustración 2.4: Espectro de radiación solar fuera de la atmósfera de la Tierra (curva

1) y a nivel del mar para condiciones de cielo despejado (curva 1) 28

Ilustración 2.5: Espectro electromagnético de la radiación solar. (Fuente:

IDEAM) 29

Ilustración 2.6: Distribución Espectral de la energía radiada a partir de cuerpos negros

a diferentes temperaturas. 30

Ilustración 2.7: Atenuación de la radiación solar por la atmósfera terrestre. 35

Ilustración 2.8: Componente directa de la radiación sol 36

Ilustración 2.9: Esquema de la distribución de la radiación en el sistema tierra –

atmósfera. 38

Ilustración 2.10: Distribución global de la radiación 41

Ilustración 4.1: Diagrama de calores 57

Ilustración 4.2: Diagrama representativo de la tubería 58

Ilustración 4.3: Circuito térmico 58 Grafica 4.1 50

Tabla 2.1: Tipos de sólidos contenidos en el agua pluvial 11

Tabla 2.2: Conductividad Térmica para algunos materiales 22

Tabla 2.3: Conversiones útiles para radiación 33

Tabla 2.4: Conversiones útiles para radiación visible y ultravioleta 33

Tabla 2.5: Balance de radiación en W/m2 40

Tabla 4.1: Precipitación pluvial en el Edo. de México. Datos INEGI. 49

Tabla 4.2: Selección de tubería 51

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VIII

Tabla 4.3: Lista de materiales y especificaciones. Dimensiones en cm. 52

Tabla 4.4: Tipos de Bombas 53

Tabla 4.5: Rendimientos para bomba 1 y 2 53

Tabla 4.6: Rendimientos para bomba 3 y 4 53

Tabla 4.7: Calores radiados por tiempo 59

Tabla 4.8: Resultado de los calores y temperaturas con respecto al tiempo. 61

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IX

JUSTIFICACIÓN

Hoy en día la escasez del agua en el mundo y el la explotación de los mantos acuíferos han causado bajos niveles de éstos, lo que provoca que el agua deba ser extraída de lugares alejados de las zonas de consumo, causando un alto costo de infraestructura para el transporte de la misma.

A su vez el uso excesivo de combustibles fósiles ha provocado que hoy en día se tengan altos índices de contaminación, a consecuencia de la emisión de gases de combustión, causando la alteración de los ecosistemas. Es por ello que surge la inquietud en reducir el consumo de combustibles y disminuir el uso de agua potable por medio de la captación de agua pluvial

De esta forma podemos lograr un beneficio para nosotros y para el medio ambiente, esta idea surge de la necesidad de crear una conciencia ecológica, que nos permita a todos ayudar a preservar el medio ambiente.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

El objetivo general de nuestro trabajo es informar del método de recolección de agua de lluvia como una alternativa sustentable para el abastecimiento de agua en las ciudades, y a nivel individual en casas-habitación, evaluándolo desde el punto de vista técnico, económico y social; todo esto a partir de investigaciones y desarrollos tecnológicos empleados en México y otros países.

Aplicando los conocimientos obtenidos en área de ingeniería se desarrolla un sistema, basado en el aprovechamiento del agua pluvial y la implementación de un dispositivo alterno para el calentamiento de esta, aprovechando los recursos naturales y de estaforma preservar los mantos acuíferos y reducir la contaminación del aire.

A su vez generar una conciencia en los seres humanos de la situación del agua y la contaminación en la que se encuentra nuestro planeta, particularmente México.

OBJETIVO PARTICULAR

El objetivo de este estudio es utilizar el agua de lluvia captada como alternativa para disminuir el consumo de agua potable, a partir del desarrollo de un sistema de calentamiento de agua solar y de esta forma reducir el consumo gas. Desarrollando un sistema económico a largo plazo para uso de agua pluvial, por medio de la transferencia de calor radiada por el sol, y así elevar la temperatura del agua. Beneficiando al usuario principalmente en el especto económico.

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XI

RESUMEN

En el presente trabajo se presentan los pasos para la realización del proyecto.

El trabajo consta de la captación de agua de lluvia para el uso domestico de una casa-habitación localizada en el Estado de México, posteriormente se almacena el agua, seguido del calentamiento de ésta con la finalidad de elevar su temperatura por medio del captador solar para reducir el consumo de gas, al agua de lluvia captada se le da un tratamiento, este consiste principalmente en la eliminación de sólidos en suspensión, sólidos en solución y materia orgánica e inorgánica por medio de la filtración.

El agua tratada tendrá un uso únicamente para servicios domésticos y el agua que pase por el calentador se usara para la regadera y lavabo únicamente, ya que el contenido de agentes patógenos no puede ser eliminado totalmente, por lo que no se recomienda para consumo humano.

A partir de esto se desarrolló este proyecto para lograr de una forma eficiente y económica a largo plazo, la aplicación de este tipo de dispositivos para regiones con niveles de precipitación pluvial considerables.

CAPTACION DE AGUA PLUVIAL

FILTRACION

CALENTAMIENTO DEL AGUA POR LUZ SOLAR

USO

CAPITULO I

ANTECEDENTES

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En ciudades donde la lluvia es muy abundante, como es el caso de Londres, se tiene muy avanzado el concepto del ahorro de agua y es por eso que cuentan con el desarrollo tecnológico que invita a nuestro país a plantearse nuevos retos en cuanto a sustentabilidad del modo de vida actual, ya que la escasez de agua es algo que se nos presenta como un problema muy fuerte en los próximos años.

1.1 CAPTACIÓN, TRATAMIENTO Y ALMACENAMIENTO DE AGUA DE LLUVIA EN JUMILTEPEC, MUNICIPIO DE OCUITUCO, MORELOS. (1)

Se inauguró el sistema de captación, tratamiento y almacenamiento de agua de lluvia en Jumiltepec. Proyecto llevado a cabo por el IMTA, con el apoyo de Fondos Mixtos Conacyt-Gobierno del Estado de Morelos. El IMTA también trabaja en otro proyecto en el poblado Villa Nicolás Zapata, Morelos.

En muchos lugares del mundo con alta o media precipitación y en donde no se dispone de agua en cantidad y con la calidad necesaria para consumo humano, se recurre al agua de lluvia como fuente de abastecimiento. La captación y almacenamiento de agua de lluvia ha sido practicada por más de cuatro mil años. En el caso de México, las aguadas (depósitos artificiales) fueron utilizadas en tiempos precolombinos para irrigar cultivos en áreas pequeñas. En zonas arqueológicas de la península de Yucatán, así como en Xochicalco, Morelos, desde el año 300 a.C. se emplearon sistemas de captación conocidos como chultus, los cuales tienen la función de recolectar el agua de lluvia de los patios y conducirla mediante canales a depósitos construidos con piedra para ser usada posteriormente (Anaya, 1004). En muchos países alrededor del mundo como Tailandia, Japón, Taiwán, Corea, India, Colombia, Costa Rica o Haití, la captación de agua de lluvia es una fuente alterna para el suministro doméstico. En las Islas Vírgenes, por Ley, las casas deben construir una azotea, o área de captación, que exceda de ocho metros cuadrados, a fin de captar la precipitación.

En el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) se trabaja en esta línea de investigación. Al respecto, se tiene el proyecto de desarrollo de un sistema de captación y tratamiento de agua de lluvia en la comunidad de Jumiltepec, municipio de Ocuituco, en el estado de Morelos.

La comunidad de Jumiltepec, ubicada al norte del estado de Morelos, con una población de 3,740 habitantes, tiene serios problemas para el abastecimiento de agua para uso y consumo humano, derivados principalmente de las condiciones geográficas, la dispersión de caseríos, limitaciones de infraestructura y por el tipo desubsuelo que predomina en la zona norte, el cual está constituido por materiales permeables que hacen que el agua, producto de la precipitación pluvial (1,100 mm al año), se infiltre hasta capas impermeables a más de 500 metros de profundidad, lo que hace muy difícil y costosa la extracción del vital líquido.

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El sistema de captación, tratamiento y almacenamiento de agua de lluvia se construyó en la iglesia del Sacromonte. Dicho sistema está conformado por un área de captación de 115 m2; la conducción de agua de lluvia por una tubería de 4“; la desinfección en línea con hipoclorito de sodio; la filtración en lecho de grava, gravilla y arena, cuya granulometría va desde un diámetro mayor a 65 mm hasta 0.18 mm, y una altura de 0.6 m; y el almacenamiento, para lo cual se instaló una geomembrana de PVC, de 1.1 mm de grosor, con calidad para uso y consumo humano, con su correspondiente tapa. La capacidad de almacenamiento es de 118 m3.

Este proyecto ha sido financiado por los Fondos Mixtos Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología-Gobierno de Estado de Morelos.

Asimismo, está por inaugurarse otro sistema de captación, tratamiento y almacenamiento de agua de lluvia, pero para la comunidad de Villa Nicolás Zapata, municipio de Totolapan, también en el estado de Morelos.

1.2 CAPTACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE AGUA PLUVIAL EN EUROPA. (2)

Para entender el diseño de los equipos, es preciso recordar que el agua de lluvia suele captarse en unos meses precisos y que debe conservarse para ser utilizada durante el periodo posterior hasta la nueva época de lluvias. Por ese motivo, el empleo del agua de lluvia se combina con otra fuente de suministro de agua como puede ser la de red en muchos casos.

Esta duplicidad de calidades de agua, implica la necesidad de un sistema eficiente de gestión de ambos tipos de aguas. Aquí es preciso hacer una aclaración importante. Existen en el mercado equipos diseñados para "rellenar" con agua de otra procedencia la red pública, pozo, etc. depósito donde se almacena el agua de lluvia cuando ésta se está acabando o escasea. Este criterio tiene en general dos deficiencias. Por una parte, la mezcla periódica de aguas de características diferentes en el depósito, dificulta la adaptación y asentamiento del sistema en muchos casos, así como disminuye la vida del mismo. Por otra, implica la no utilización de toda la capacidad de almacenamiento de agua de lluvia, dado que antes de que ésta se agote ya añadimos agua de otra procedencia. El diseño toma como criterio la búsqueda del aprovechamiento máximo del agua de lluvia y sus sistemas de almacenaje, preservando el circuito de aguas pluviales de cualquier mezcla o contaminación con agua de otra calidad.

1.3 CAPTACIÓN DE AGUA DE LLUVIA DE LOS TECHOS EN INDIA. (3)

Para las mujeres de las aldeas del estado indio de Rajasthan, ir a buscar agua no es una tarea fácil, pero no tienen ninguna otra alternativa que recorrer tres o cuatro millas a diario tan sólo por agua.

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Pero pronto con una donación de la Feria del Desarrollo las mujeres del estado desértico de Rajasthan propenso a las sequías podrán tener agua en sus propias aldeas gracias a una nueva tecnología que posibilitará la captación de agua pluvial de los techos y su posterior almacenamiento en tanques.

El proyecto es una idea original de la Asociación Norteamericana de Rajasthan, asociada con el Instituto de Tecnología y Ciencia de Biala. Existe actualmente una escasez crítica de agua en las aldeas de Rajasthan. Con una población de 56 millones, el estado ha sufrido 40 sequías en los últimos 51 años. El consumo promedio diario de agua es de sólo tres galones por persona, en comparación con los Estados Unidos, donde el consumo promedio diario de agua es de 110 galones por persona.

1.4 BOLETÍN DE NOTICIAS. (4)

1.4.1 Australia: escasez de agua obligará al uso de agua reciclada. (5)

Para el primer ministro de Australia, John Howard, el mayor reto del país es garantizar el suministro de agua potable, para lo cual anunció un paquete de inversiones por USD 7 000 millones (EUR 5 368 millones). En el caso particular del estado de Queensland, en el noroeste del país, el problema de la sequía ha llegado a tal extremo que se estima que antes de un año sus pobladores deberán recurrir al agua reciclada como fuente de abastecimiento. Así lo advirtió Meter Beattie, primer ministro de este estado, que añadió que no tiene sentido convocar a referendo sobre este tema porque no hay alternativa.

El agua reciclada ya se bebe en Estados Unidos, el Reino Unido y Singapur, pero no es visto con buenos ojos en Australia. Ello explicaría que líderes de otros estados australianos, como Gales del Sur, se opongan a esta medida y apoyen el uso de agua reciclada sólo para irrigación.

1.4.2 Marruecos: firman acuerdo con México para intercambio de tecnología. (6)

Marruecos y México han suscrito un acuerdo, que forma parte de un convenio de 2005, confirmando su intención de intercambiar tecnología en varias áreas de la administración y planificación del agua, de acuerdo con un comunicado de prensa emitido por la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) de México.

El acuerdo suscrito por CONAGUA y el Ministerio marroquí de la tierra, el agua y el medio ambiente comprende actividades sobre la planificación del agua, el marco institucional y legal del sector y la gestión integral y descentralizada de las cuencas hidrológicas. La cooperación entre ambos países está orientada al tratamiento de los problemas comunes, tales como la baja eficiencia de la irrigación, los altos niveles de pérdida, debido a fugas en los sistemas y los índices de agua que no reflejan los

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costos reales. La delegación ministerial marroquí que suscribió el acuerdo, también mencionó su interés especial en proyectos de cooperación entre la agencia de gestión de la cuenca Loukkos en Marruecos y una cuenca de río mexicana.

1.4.3 India: Himachal Pradesh convierte en obligatoria la recolección de agua lluvia en las ciudades. (7)

El Gobierno de Himachal sigue el ejemplo de Karnataka, Nueva Delhi y Chennal, al obligar a la creación de una estructura para la recolección de agua lluvia en todas las nuevas construcciones dentro de los límites del concejo municipal, con el propósito de controlar el desperdicio de agua. El señor Kartar Jaiswal, Funcionario Ejecutivo del Concejo Municipal, anunció públicamente, que todos los nuevos edificios deben ser construidos con un área en los techos con capacidad para recoger 10 litros de agua lluvia por metro cuadrado. En caso contrario, el permiso de construcción será negado.

1.4.4 Desarrollan sistema para aprovechar agua lluvia. (8)

Especialistas de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura (ESIA) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en México, desarrollaron un sistema pluvial que mediante diversos dispositivos capta el agua lluvia con métodos y estrategias para el buen aprovechamiento del líquido. Con esto, se pretende hacer frente a la problemática de la disponibilidad de agua para consumo humano en el país, que se redujo 60 por ciento en 60 años, al pasar de 11 mil 500 metros cúbicos a 4 mil 675, informo María Victoria Sánchez Rodríguez, especialista en el área de hidráulica de la institución.

Sánchez Rodríguez aseguró que una alternativa para contrarrestar esta problemática es recuperar el agua de lluvia y separarla de las aguas negras, lo que en la actualidad no existe, “toda vez que cuando llueve esta agua limpia se pierde al mezclarse con los líquidos captados por el drenaje”, añadió.

El prototipo es una especie de coladera fabricada de material impermeable con una tubería perforada, que en lugar de conectarse a la red del drenaje se sumerge a grandes profundidades del subsuelo. “Con este sistema se suministra el agua lluvia captada y se contribuiría en buena medida a la alimentación de los acuíferos”, dijo Sánchez. La especialista agregó que tras monitorear el funcionamiento, estos dispositivos podrían sustituir paulatinamente el actual sistema de alcantarillado e incluso estas tuberías también podrían conducirse hacia parques y jardines públicos, con la finalidad de mantenerlos irrigados permanentemente.

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1.4.5 El agua será motivo de guerra entre países, ha dicho el secretario de la ONU para el Medio Ambiente. (9)

“El agua será motivo de guerra entre países en breve. La población aumenta y los países río arriba tienden a utilizar demasiada agua sin reutilizar. Así que tenemos que reutilizar el agua, como hacen los países desarrollados. En el Rin, el agua que desemboca en el mar ha pasado por siete estómagos. Las empresas toman agua pero la devuelven limpia. El agua es un problema acuciante. Hay 1 600 millones de personas sin acceso a agua potable”. Estas declaraciones fueron hechas en Nueva York por Klaus Toepfer, quien dirige desde 1998 el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), organismo con sede en Nairobi, Kenya.

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CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

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2.1 AGUA.

Para introducirnos en el tema, es necesario saber claramente que conocemos como agua y contaminación.

El agua es el nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto de hidrógeno y oxígeno H2O. Los antiguos filósofos consideraban el agua como un elemento básico que representaba a todas las sustancias líquidas. Los científicos no descartaron esta idea hasta la última mitad del siglo XVIII. En 1781 el químico británico Henry Cavendish sintetizó agua detonando una mezcla de hidrógeno y aire. Sin embargo, los resultados de este experimento no fueron interpretados claramente hasta dos años más tarde, cuando el químico francés Antoine Laurent de Lavoisier propuso que el agua no era un elemento sino un compuesto de oxígeno e hidrógeno. En un documento científico presentado en 1804, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac y el naturalista alemán Alexander von Humboldt demostraron conjuntamente que el agua consistía en dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno, tal como se expresa en la fórmula actual H2O.

2.1.1 Contaminación del Agua.

Los principales contaminantes del agua son los siguientes:

Aguas residuales y otros residuos que demandan oxígeno (en su mayor parte materia orgánica, cuya descomposición produce la desoxigenación del agua).

Nutrientes vegetales que pueden estimular el crecimiento de las plantasacuáticas. Éstas, a su vez, interfieren con los usos a los que se destina el agua y, al descomponerse, agotan el oxígeno disuelto y producen olores desagradables.

Productos químicos, incluyendo los pesticidas, diversos productos industriales, las sustancias tensioactivas contenidas en los detergentes, y los productos de la descomposición de otros compuestos orgánicos.

Petróleo, especialmente el procedente de los vertidos accidentales.

Minerales inorgánicos y compuestos químicos.

Sedimentos formados por partículas del suelo y minerales arrastrados por las tormentas y escorrentías desde las tierras de cultivo, los suelos sin protección, las explotaciones mineras, las carreteras y los derribos urbanos.

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Sustancias radiactivas procedentes de los residuos producidos por la minería y el refinado del uranio y el torio, las centrales nucleares y el uso industrial, médico y científico de materiales radiactivos.

El calor también puede ser considerado un contaminante cuando el vertido del agua empleada para la refrigeración de las fábricas y las centrales energéticas hace subir la temperatura del agua de la que se abastecen.

2.1.2 Aguas Residuales

El origen, composición y cantidad de los desechos están relacionados con los hábitos de vida. Cuando un producto de desecho se incorpora al agua, el líquido resultante recibe el nombre de agua residual.

Las aguas residuales tienen un origen doméstico, industrial, subterráneo y meteorológico, y estos tipos de aguas residuales suelen llamarse respectivamente, domésticas, industriales, de infiltración y pluviales.

Las aguas residuales domésticas son el resultado de actividades cotidianas de las personas. La cantidad y naturaleza de los vertidos industriales es muy variada, dependiendo del tipo de industria, de la gestión de su consumo de agua y del grado de tratamiento que los vertidos reciben antes de su descarga. Una acería, por ejemplo, puede descargar entre 5.700 y 151.000 litros por tonelada de acero fabricado. Si se practica el reciclado, se necesita menos agua.

La infiltración se produce cuando se sitúan conductos de alcantarillado por debajo del nivel freático o cuando el agua de lluvia se filtra hasta el nivel de la tubería. Esto no es deseable, ya que impone una mayor carga de trabajo al tendido general y a la planta depuradora. La cantidad de agua de lluvia que habrá que drenar dependerá de la pluviosidad así como de las escorrentías o rendimiento de la cuenca de drenaje.

Un área metropolitana estándar vierte un volumen de aguas residuales entre el 60 y el 80% de sus requerimientos diarios totales, y el resto se usa para lavar coches y regar jardines, así como en procesos como el enlatado y embotellado de alimentos.

La composición de las aguas residuales se analiza con diversas mediciones físicas, químicas y biológicas. Las mediciones más comunes incluyen la determinación del contenido en sólidos, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), la demanda química de oxígeno (DQO) y el pH.

Los residuos sólidos comprenden los sólidos disueltos y en suspensión. Los sólidos disueltos son productos capaces de atravesar un papel de filtro, y los suspendidos los que no pueden hacerlo. Los sólidos en suspensión se dividen a su vez en depositables y no depositables, dependiendo del número de miligramos de sólido que se depositan a partir de 1 litro de agua residual en una hora. Todos estos sólidos pueden dividirse

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en volátiles y fijos, siendo los volátiles, por lo general, productos orgánicos y los fijos materia inorgánica o mineral.DBO (demanda biológica de oxígeno): cantidad de oxígeno requerida por los organismos descomponedores aeróbicos para descomponer la materia orgánica disuelta o en suspensión.

La concentración de materia orgánica se mide con los análisis DBO5 y DQO. La DBO5 es la cantidad de oxígeno empleado por los microorganismos a lo largo de un periodo de cinco días para descomponer la materia orgánica de las aguas residuales a una temperatura de 10 °C. De modo similar, la DQO es la cantidad de oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica por medio de bicromato en una solución ácida y convertirla en dióxido de carbono y agua. El valor de la DQO es siempre superior al de la DBO5 porque muchas sustancias orgánicas pueden oxidarse químicamente, pero no biológicamente. La DBO5 suele emplearse para comprobar la carga orgánica de las aguas residuales municipales e industriales biodegradables, sin tratar y tratadas. La DQO se usa para comprobar la carga orgánica de aguas residuales que, o no son biodegradables o contienen compuestos que inhiben la actividad de los microorganismos. El pH mide la acidez de una muestra de aguas residuales. Los valores típicos para los residuos sólidos presentes en el agua y la DBO5 del agua residual doméstica aparecen en la tabla adjunta. El contenido típico en materia orgánica de estas aguas es un 50% de carbohidratos, un 40% de proteínas y un 10% de grasas; y entre 6,5 y 8,0, el pH puede variar.

Tabla 2.1Tipos de sólidos contenidos en el agua pluvial.

No es fácil caracterizar la composición de los residuos industriales con arreglo a un rango típico de valores dado según el proceso de fabricación. La concentración de un residuo industrial se pone de manifiesto enunciando el número de personas, o equivalente de población (PE), necesario para producir la misma cantidad de residuos. Este valor acostumbra a expresarse en términos de DBO5. Para la determinación del PE se emplea un valor medio de 0,077 kg, en 5 días, a 10 °C de DBO por persona y día. El equivalente de población de un matadero, por ejemplo, oscilará entre 5 y 15 PE por animal.

La composición de las infiltraciones depende de la naturaleza de las aguas subterráneas que penetran en la canalización. El agua de lluvia residual contiene

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concentraciones significativas de bacterias, elementos traza, petróleo y productos químicos orgánicos.

2.1.3 Depuración de aguas residuales

Los procesos empleados en las plantas depuradoras municipales suelen clasificarse como parte del tratamiento primario, secundario o terciario.

Tratamiento primario: Las aguas residuales que entran en una depuradora contienen materiales que podrían atascar o dañar las bombas y la maquinaria. Estos materiales se eliminan por medio de enrejados o barras verticales, y se queman o se entierran tras ser recogidos manual o mecánicamente. El agua residual pasa a continuación a través de una trituradora, donde las hojas y otros materiales orgánicos son triturados para facilitar su posterior procesamiento y eliminación.

Cámara de arena

En el pasado, se usaban tanques de deposición, largos y estrechos, en forma de canales, para eliminar materia inorgánica o mineral como arena, sedimentos y grava. Estas cámaras estaban diseñadas de modo que permitieran que las partículas inorgánicas de 0,1 mm o más se depositaran en el fondo, mientras que las partículas más pequeñas y la mayoría de los sólidos orgánicos que permanecen en suspensión continuaban su recorrido. Hoy en día las más usadas son las cámaras aireadas de flujo en espiral con fondo en tolva, o clarificadores, provistos de brazos mecánicos encargados de raspar. Se elimina el residuo mineral y se vierte en vertederos sanitarios. La acumulación de estos residuos puede ir de los 0,08 a los 0,13 m3 por cada 3,8 millones de litros de aguas residuales.

Sedimentación

Una vez eliminada la fracción mineral sólida, el agua pasa a un depósito de sedimentación donde se depositan los materiales orgánicos, que son retirados para su eliminación. El proceso de sedimentación puede reducir de un 10 a un 40% la DBO5 y de un 40 a un 60% los sólidos en Suspensión.

La tasa de sedimentación se incrementa en algunas plantas de tratamiento industrial incorporando procesos llamados coagulación y floculación químicas al tanque de sedimentación. La coagulación es un proceso que consiste en añadir productos químicos como el sulfato de aluminio, el cloruro férrico o polielectrolitos a las aguas residuales; esto altera las características superficiales de los sólidos en suspensión de modo que se adhieren los unos a los otros y precipitan. La floculación provoca la aglutinación de los sólidos en suspensión. Ambos procesos eliminan más del 80% de los sólidos en suspensión.

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Flotación

Una alternativa a la sedimentación, utilizada en el tratamiento de algunas aguas residuales, es la flotación, en la que se fuerza la entrada de aire en las mismas, a presiones de entre 1,75 y 3,5 kg por cm1. El agua residual, supersaturada de aire, se descarga a continuación en un depósito abierto. En él, la ascensión de las burbujas de aire hace que los sólidos en suspensión suban a la superficie, de donde son retirados. La flotación puede eliminar más de un 75% de los sólidos en suspensión.

Digestión

La digestión es un proceso microbiológico que convierte el lodo, orgánicamente complejo, en metano, dióxido de carbono y un material inofensivo similar al humus. Las reacciones se producen en un tanque cerrado o digestor, y son anaerobias, esto es, se producen en ausencia de oxígeno. La conversión se produce mediante una serie de reacciones. En primer lugar, la materia sólida se hace soluble por la acción de enzimas. La sustancia resultante fermenta por la acción de un grupo de bacterias productoras de ácidos, que la reducen a ácidos orgánicos sencillos, como el ácido acético. Entonces los ácidos orgánicos son convertidos en metano y dióxido de carbono por bacterias. Se añade lodo espesado y calentado al digestor tan frecuentemente como sea posible, donde permanece entre 10 y 30 días hasta que se descompone. La digestión reduce el contenido en materia orgánica entre un 45 y un 60 por ciento.

Desecación

El lodo digerido se extiende sobre lechos de arena para que se seque al aire. La absorción por la arena y la evaporación son los principales procesos responsables de la desecación. El secado al aire requiere un clima seco y relativamente cálido para que su eficacia sea óptima, y algunas depuradoras tienen una estructura tipo invernadero para proteger los lechos de arena. El lodo desecado se usa sobre todo como acondicionador del suelo; en ocasiones se usa como fertilizante, debido a que contiene un 1% de nitrógeno y un 1% de fósforo.

Tratamiento secundario: Una vez eliminados de un 40 a un 60% de los sólidos en suspensión y reducida de un 10 a un 40% la DBO5 por medios físicos en el tratamiento primario, el tratamiento secundario reduce la cantidad de materia orgánica en el agua. Por lo general, los procesos microbianos empleados son aeróbicos, es decir, los microorganismos actúan en presencia de oxígeno disuelto. El tratamiento secundario supone, de hecho, emplear y acelerar los procesos naturales de eliminación de los residuos. En presencia de oxígeno, las bacterias aeróbicas convierten la materia orgánica en formas estables, como dióxido de carbono, agua, nitratos y fosfatos, así como otros materiales orgánicos. La producción de materia orgánica nueva es un resultado indirecto de los procesos de tratamiento biológico, y debe eliminarse antes de descargar el agua en el cauce receptor.

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Hay diversos procesos alternativos para el tratamiento secundario, incluyendo el filtro de goteo, el lodo activado y las lagunas.

Filtro de goteo

En este proceso, una corriente de aguas residuales se distribuye intermitentemente sobre un lecho o columna de algún medio poroso revestido con una película gelatinosa de microorganismos que actúan como agentes destructores. La materia orgánica de la corriente de agua residual es absorbida por la película microbiana y transformada en dióxido de carbono y agua. El proceso de goteo, cuando va precedido de sedimentación, puede reducir cerca de un 85% la DBO5.

Fango activado

Se trata de un proceso aeróbico en el que partículas gelatinosas de lodo quedan suspendidas en un tanque de aireación y reciben oxígeno. Las partículas de lodo activado, llamadas floc, están compuestas por millones de bacterias en crecimiento activo aglutinadas por una sustancia gelatinosa. El floc absorbe la materia orgánica y la convierte en productos aeróbicos. La reducción de la DBO5 fluctúa entre el 60 y el 85 por ciento. Un importante acompañante en toda planta que use lodo activado o un filtro de goteo es el clarificador secundario, que elimina las bacterias del agua antes de su descarga.

2.1.4 Desinfección del agua.

Las técnicas de purificación del agua se han desarrollado extensamente durante el pasado siglo. La desinfección del agua destinada a consumo humano ha significado una reducción en el número de enfermedades transmitidas por el agua, como son el cólera y tifoidea (ver 2.1 ).

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Ilustración 2.1

Reducción del número de muertes debido al tifoideo en EE.UU. (1900-1910), comparado con el número de personas que usan agua tratada

En los países en vías de desarrollo normalmente no hay suficiente agua limpia o sistemas de colección y tratamiento de aguas residuales. Una gran parte de la población de estos países muere o enferma a causa de patógenos existentes en el agua que beben. El mayor impacto se genera en grupos más vulnerables como los niños, personas mayores o parte de la población con un sistema inmunológico débil (ej. pacientes de SIDA o sometidos a trasplantes de órganos).

La gran mayoría de estos microorganismos patógenos se pueden eliminar mediante la aplicación de técnicas de tratamiento del agua, como son las floculación-coagulación, sedimentación y filtración. Para garantizar la seguridad del agua potable los sistemas de desinfección del agua se aplican generalmente en una etapa final del tratamiento del agua.

Existen diferentes desinfectantes, que pueden matar o desactivar los microorganismos patógenos. Por ejemplo la aplicación de cloro o sustancias que contienen cloro, peróxido, bromo, plata-cobre, ozono y UV. Todos estos sistemas de tratamiento tienen ventajas y desventajas y se aplican para la desinfección del agua dependiendo de las circunstancias particulares.

Además, la desinfección del agua es también muy importante en aguas destinadas a otros usos que no son agua para consumo humano, como por ejemplo, el agua de las piscinas, el agua utilizada en las torres de enfriamiento, etc.

Las piscinas contienen gran cantidad de contaminantes incluyendo microorganismos, algunos generados por los propios usuarios. Las piscinas deben ser tratadas con técnicas para su desinfección. El agua de las piscinas generalmente recircula y antes

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de que el agua vuelva de nuevo a la piscina debe de ser tratada. Entre los tratamientos se incluyen la desinfección de las aguas.

2. 2 FILTRACIÓN

La filtración es una técnica, proceso tecnológico u operación unitaria de separación, por la cual se hace pasar una mezcla de sólidos y fluidos, gas o líquido, a través de un medio poroso o medio filtrante que puede formar parte de un dispositivo denominado filtro, donde se retiene de la mayor parte del o de los componentes sólidos de la mezcla.

Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la industria general, donde son particularmente importantes aquellos procesos industriales que requieren de las técnicas de Ingeniería química.

La variedad de dispositivos de filtración o filtros es tan extensa como las variedades de materiales porosos disponibles como medios filtrantes y las condiciones particulares de cada aplicación: desde sencillos dispositivos, como los filtros domésticos de café o los embudos de filtración para separaciones de laboratorio, hasta grandes sistemas complejos de elevada automatización como los empleados en las industrias petroquímicas y de refino para la recuperación de catalizadores de alto valor, o los sistemas de tratamiento de agua potable destinada al suministro urbano.

2.2.1 Medios filtrantes

El medio filtrante es el elemento fundamental para la práctica de la filtración y su elección es habitualmente la consideración más importante para garantizar el funcionamiento del proceso. En general, entre los principales criterios de selección del material de medio filtrante se pueden destacar:

Compatibilidad y resistencia química con la mezcla. Permeabilidad al fluido y resistencia a las presiones de filtración. Capacidad en la retención de sólidos. Adaptación al equipo de filtración y mantenimiento. Relación vida útil y costo.

La variedad de tipos de medios porosos utilizados como medios filtrantes es muy diversa, en forma de telas y fibras tejidas, fieltros y fibras no tejidas, sólidos porosos o perforados, membranas poliméricas o sólidos particulados, a lo que se suma la gran variedad de materiales: Fibras naturales, fibras sintéticas, materiales metálicos, materiales cerámicos y polímeros.

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Adicionalmente, algunas aplicaciones de especial dificultad por la baja velocidad del fluido, complejidad de la mezcla o calidad no satisfactoria de clarificación, requieren el empleo de ayudafiltros, materiales de prefiltración o materiales de precapa. Estas son sustancias granuladas o fibrosas que permiten la formación sobre el medio filtrante de una torta prefiltrante adicional de mayor permeabilidad y mayor profundidad, donde quedan retenidas las fases heterogéneas en forma de flóculos deformables o pastas de mayor viscosidad y contenido en sólidos finos. Ejemplos de sustancias frecuentemente empleadas para la ayuda de filtración:

Tierras de diatomeas, diatomita o tierras diatomáceas (sílice de alta pureza). Perlita o lava expandida (silicato alcalino de aluminio). Fibras de celulosa o pulpa de madera molida. Tierras de Kieselgur. Yeso. Carbón.

En general, estas sustancias se caracterizan por su baja densidad, su facilidad para recubrir la superficie del medio filtrante, su compresibilidad, su baja tendencia a sedimentarse y su inercia química con el fluido. En el caso del yeso y del carbón, solo se emplean en casos muy específicos debido a su baja eficacia, aunque en el caso de éste último, es frecuente emplearlo bajo forma de carbón activo, en combinación con las diatomeas para añadir una función de adsorción.

2.2.2 Criterios de selección de equipos de filtración

La selección de un equipo de filtración en general requiere un estudio de las especificaciones y objetivos del proceso junto con una evaluación de la capacidad y características del equipo de filtración en las que las consideraciones sobre el medio filtrante son importantes.

Los factores a considerar relativos del proceso que suelen citarse son:

1. Características fluido mecánicas y fisicoquímicas de la corriente de fluido a tratar o lechada.

2. Capacidad de producción.3. Condiciones del proceso.4. Parámetros de funcionamiento.5. Materiales de construcción.

Por su parte, los criterios del equipo de filtración a estudiar suelen ser:

1. Tipo de ciclo: continuo o por lotes2. Fuerza de impulsión3. Caudales admisibles

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4. Calidad de la separación5. Fiabilidad y mantenimiento6. Materiales de construcción y dimensiones7. Costo

En la estimación de costos, con frecuencia se consideran:

1. Costo de adquisición del equipo.2. Costo de instalación y puesta en marcha incluyendo acondicionamiento del

fluido o tratamientos previos requeridos.3. Costos de operación: mano de obra, electricidad, consumo de fluidos

auxiliares.4. Costos de mantenimiento: mano de obra de sustitución de medios filtrantes

consumibles, piezas de recambio, tiempos de parada.5. Vida del equipo.6. Costo del medio filtrante consumible.

Habitualmente, las características del fluido a tratar tales como caudal y presión, contenido de sólidos y naturaleza, en especial granulométrica, propiedades químicas y temperatura son determinantes en la selección de un filtro de torta o un filtro de clarificación, frecuentemente de cartuchos.

2.3 TRANSFERENCIA DE CALOR

Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

El calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.

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2.3.1 Primera ley de la termodinámica

También conocido como principio de la conservación de la energía, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energía interna del sistema variará. La diferencia entre la energía interna del sistema y la cantidad de energía es denominada calor. Fue propuesto por Antoine Lavoisier.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

ec. 1

En otras palabras: La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma. (Conservación de la energía).

Aplicaciones de la Primera Ley:

Sistemas cerrados:

Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida de masa, también es conocido como masa de control. El sistema cerrado tiene interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo de frontera.

La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial) es:

ec. 2

Donde:

Q = Cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de éste).W = Trabajo total (negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de éste) e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera.U = Energía interna del sistema.

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2.3.2 Conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La conducción del calor es muy baja en el espacio, ultra alto vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Ley de Fourier: La transferencia de energía o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requieren el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no existe movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí hay movimiento macroscópico. Para la materia

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ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la "materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación aumenta con la potencia cuarta de la temperatura (T4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios miles de Kelvin.

Ilustración 2.2

Ley de Fourier.

Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas lasmoléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponen mucha resistencia al paso del calor.

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.

ec. 3

Donde:

Qx = Tasa de flujo de calor A = área en la dirección x, λ = Conductividad térmica (k)T = temperatura t = tiempo

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Conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.

Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.

Leyenda

Material λ [W/m·K] Material λ [W/m·K] Material λ [W/m·K]

Acero 47-58 Corcho 0,04-0,30 Mercurio 83,7

Agua 0,58 Estaño 64,0 Mica 0,35

Aire 0,02 Fibra de vidrio 0,03-0,07 Níquel 52,3

Alcohol 0,16 Glicerina 0,29 Oro 308,2

Alpaca 29,1 Hierro 1,7 Parafina 0,21

Aluminio 209,3 Ladrillo 0,80 Plata 406,1-418,7

Amianto 0,04 Ladrillo refractario 0,47-1,05 Plomo 35,0

Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0,6-1,0

Cinc 106-140 Litio 301,2

Cobre 372,1-385,2 Madera 0,13

Tabla 2.2Conductividad Térmica para algunos materiales.

La Tabla 2., se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (λ) representa la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m2 de material homogéneo

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obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras. La conductividad térmica se expresa en unidades de W/m·K (J/s · m · °C).Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.

2.3.3 Convección

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

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2.3.4 Radiación

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.

La contribución de todas las longitudes de onda a la energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede demostrarse a partir de la ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante de Stefan-Boltzmann en honor a dos físicos austriacos, Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann que, en 1879 y 1884 respectivamente, descubrieron esta proporcionalidad entre el poder emisor y la temperatura. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.

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Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. El vidrio, por ejemplo, transmite grandes cantidades de radiación ultravioleta, de baja longitud de onda, pero es un mal transmisor de los rayos infrarrojos, de alta longitud de onda. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, llamada así en honor al físico alemán Wilhelm Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin. Este hecho, junto con las propiedades de transmisión del vidrio antes mencionadas, explica el calentamiento de los invernaderos. La energía radiante del Sol, máxima en las longitudes de onda visibles, se transmite a través del vidrio y entra en el invernadero. En cambio, la energía emitida por los cuerpos del interior del invernadero, predominantemente de longitudes de ondas mayores, correspondientes al infrarrojo, no se transmiten al exterior a través del vidrio. Así, aunque la temperatura del aire en el exterior del invernadero sea baja, la temperatura que hay dentro es mucho más alta porque se produce una considerable transferencia de calor neta hacia su interior.

Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.

2.4 RADIACIÓN SOLAR

Medir la radiación solar es importante para un amplio rango de aplicaciones, en el sector de la agricultura, ingeniería, entre otros, destacándose el monitoreo del crecimiento de plantas, análisis de la evaporación e irrigación, arquitectura y diseño de edificios, generación de electricidad, diseño y uso de sistemas de calentamiento solar.

La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. La energía

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procedente del sol es radiación electromagnética proporcionada por las reacciones del hidrogeno en el núcleo del sol por fusión nuclear y emitida por la superficie solar.

El sol emite energía en forma de radiación de onda corta. Después de pasar por la atmósfera, donde sufre un proceso de debilitamiento por la difusión, reflexión en las nubes y de absorción por las moléculas de gases (como el ozono y el vapor de agua) y por partículas en suspensión, la radiación solar alcanza la superficie terrestre oceánica y continental que la refleja o la absorbe. La cantidad de radiación absorbida por la superficie es devuelta en dirección al espacio exterior en forma de radiación de onda larga, con lo cual se transmite calor a la atmósfera.

La radiación es emitida sobre un espectro de longitud de ondas, con una cantidad específica de energía para cada longitud de onda, la cual puede ser calculada usando Ley de Planck:

ec. 4

Donde:E = La cantidad de energía (Wm-1m-1) = Longitud de onda (m) T = Temperatura (en grados Kelvin), a y b = Constantes.Asumiendo que el Sol es un cuerpo negro, por diferenciación de la ecuación es posible determinar la longitud de onda máxima de emisión de radiación procedente del sol:

ec. 5

Esta ecuación es conocida como la Ley de Wien. Para una temperatura de 5.800°K (temperatura de la superficie solar) la longitud máxima de energía es aproximadamente 0,5m (micrómetro, equivalente a 1x10-6m) (ver Ilustración 2. ). Esta longitud de onda corresponde a radiación en la parte del espectro visible.

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Ilustración 2. 3

Energía radiada por el sol y la tierra

A través de la integración de la ec. 1 resulta la ley de Stefan-Boltzmann, por medio de la cual, se puede determinar el total de energía emitida por el sol:

ec. 6

Donde:

= Constante de Stefan-Boltzmann (dentro de la radiación como mecanismo básico de la transmisión de calor su valor es: 5,6697x10-8 W/m2°K4). Resolviendo la ecuación tres para una temperatura solar de 5.800 K, la energía total de salida es de aproximadamente 64 millones W/m2, de la cual, la Tierra solo intercepta 1.367 W/m2 (constante solar).

En la figura anterior, la curva 1 representa la solución ideal de la Ley de Plank de la radiación solar que llega al tope de la atmósfera, donde el punto más alto de la curva representa la longitud de onda con la mayor energía espectral (0,5), de acuerdo con la Ley de Wien y la curva 1 constituye el espectro de la radiación solar después de la absorción atmosférica debida a diferentes gases.

El estudio del espectro de la radiación solar que llega a la superficie del suelo permite establecer que la radiación de longitud de onda menor que 0,1 m debe ser absorbida totalmente por la atmósfera. Esta energía es absorbida principalmente en la atmósfera por el oxígeno molecular (O1), ozono (O3), y el vapor de agua (H1O).

Infr

arro

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Ilustración 2.4

Espectro de radiación solar fuera de la atmósfera de la Tierra (curva 1) y a nivel del mar para condiciones de cielo despejado (curva 1).

Distribución espectral de la radiación solar

La energía solar llega en forma de radiación electromagnética o luz. La radiación electromagnética, son ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse, por lo que estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. La longitud de onda () y la frecuencia () de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión = C (donde C es la velocidad de la luz), son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad de C = 199.791 km/s.

Los distintos colores de luz tienen en común el ser radiaciones electromagnéticas que se desplazan con la misma velocidad. Se diferencian en su frecuencia y longitud de onda. Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color. La longitud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanómetros (nm), que equivalen a una milmillonésima de metro, o una millonésima de milímetro.

La radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro en diferentes longitudes de onda, que se extiende desde longitudes de onda corta de billonésimas de metro (frecuencias muy altas), como los rayos gama, hasta longitudes de onda larga de muchos kilómetros (frecuencias muy bajas) como las ondas de radio. El espectro electromagnético no tiene definidos límites superior ni inferior y la energía de una fracción diminuta de radiación, llamada fotón, es inversamente proporcional a su longitud de onda, entonces a menor longitud de onda mayor contenido energético.

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El Sol emite energía en forma de radiación de onda corta, principalmente en la banda del ultravioleta, visible y cercano al infrarrojo, con longitudes de onda entre 0,1 y 3,0 micrómetros (100 a 3.000 nanómetros):

Ilustración 2.5

Espectro electromagnético de la radiación solar. (Fuente: IDEAM).

La región visible (400 nm < λ < 700 nm) corresponde a la radiación que puede percibir la sensibilidad del ojo humano e incluye los colores: violeta (0,41 m ó 410 m), azul (0,48 m), verde (0,51 m), amarillo (0,57 m), naranja (0,60 m) y rojo (0,70 m). La luz de color violeta es más energética que la luz de color rojo, porque tiene una longitud de onda más pequeña. La radiación con las longitudes de onda más corta que la correspondiente a la luz de color de violeta es denominada radiación ultravioleta.

1. La región del ultravioleta entre los 100 y los 400 nanómetros.

2. La región del infrarrojo entre los 700 y los 3000 nanómetros.

A cada región le corresponde una fracción de la energía total incidente en la parte superior de la atmósfera distribuida así: 7% al ultravioleta; 47,3% al visible y 45,7% al infrarrojo.

Las ondas en el intervalo de 0,15 μm a 4,0 μm se denominan espectro de onda corta, para muchos propósitos como en aplicaciones de celdas solares y en el proceso de la fotosíntesis.

2.4.1 Leyes de radiación

Para entender mejor cómo la energía radiante del Sol interactúa con la atmósfera de la tierra y su superficie, se deben conocer las leyes básicas de radiación, que son las siguientes:Todos los objetos con temperatura mayor a 0°K emiten energía radiante, por ejemplo: el Sol, la Tierra, la atmósfera, las personas, etc.

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Los objetos con mayor temperatura radian más energía total por unidad de área que los objetos más fríos. Por ejemplo, el Sol con una temperatura media de 5.800K en su superficie emite aproximadamente 64 millones W/m2, 165.000 veces más energía que la Tierra (la cual emite cerca de 390 W/m2) con una temperatura media en superficie de 188K= 15ºC, cifra obtenida al utilizar la ley de Stefan-Boltzmann relacionando estas temperaturas (5.800/188) elevadas a la cuarta potencia.

Los cuerpos con mayor temperatura emiten un máximo de radiación en longitudes de ondas, más cortas. Por ejemplo, el máximo de energía radiante del Sol se produce en

~0,5 µm, mientras que para la Tierra en ~10 µm.

Banda radiante de energía visible

Curva de radiación para un cuerpo negro a la temperatura del Sol

Curva de radiación para un cuerpo negro a la temperatura de una lámpara incandescente

Curva de radiación para un cuerpo negro a la

temperatura de la Tierra

Longitud de onda

Ex

ita

nc

ia r

ad

ian

te e

spec

tral

(W

m-2m

-1)

Ilustración 2.6

Distribución Espectral de la energía radiada a partir de cuerpos negros a diferentes temperaturas.

Los objetos que son buenos absorbedores de radiación son también buenos emisores. Este es un principio importante para comprender el calentamiento en la atmósfera, porque sus gases son absorbedores y emisores selectivos en longitud de onda. Así, la atmósfera es aproximadamente transparente (no absorbe) a ciertas longitudes de onda de radiación y aproximadamente opaca (buen absorbedor) en otras longitudes de onda.

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Un absorbedor perfecto se llama “cuerpo negro”, que se define como un objeto ideal que absorbe toda la radiación que llega a su superficie. No se conoce ningún objeto así, aunque una superficie de negro de carbono puede llegar a absorber aproximadamente un 97% de la radiación incidente. El Sol, la Tierra, la nieve, etc., bajo ciertas condiciones se comportan como un cuerpo negro. En teoría, un cuerpo negro sería también un emisor perfecto de radiación, y emitiría a cualquier temperatura la máxima cantidad de energía disponible.

2.4.2 Magnitudes radiactivas

Las magnitudes radiactivas se clasifican en dos grupos según su origen, a saber, la radiación solar y la radiación extraterrestre.

Radiación solar: Es la energía emitida por el Sol.

Radiación solar extraterrestre: Es la radiación solar que incide en el límite de la atmósfera terrestre.

Radiación de onda corta: la radiación solar extraterrestre se halla dentro del intervalo espectral comprendido entre 0,15 y 4,0 m y se denomina radiación de onda corta. Una parte de la radiación solar extraterrestre penetra a través de la atmósfera y llega a la superficie terrestre, mientras que otra parte se dispersa y/o es absorbida en la atmósfera por las moléculas gaseosas, las partículas de aerosoles y las gotas de agua y cristales de hielo presentes en las nubes.

Radiación solar directa

Radiación solar difusa

Radiación solar global : Es la cantidad de energía solar que incide sobre una superficie. La radiación solar global diaria es la cantidad de radiación global entre las seis de la mañana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 500 y 10.000 W*h/m2 al día.

Radiación solar reflejada: Radiación solar dirigida hacia arriba, tras haber sido reflejada o difundida por la atmósfera y por la superficie terrestre.

Radiación terrestre: La radiación terrestre es la energía electromagnética de onda larga emitida por la superficie terrestre y por los gases, los aerosoles y las nubes de la atmósfera, y es también parcialmente absorbida en la atmósfera. Para una temperatura de 300 ºK, el 99,99 por ciento de energía de la radiación terrestre posee una longitudde onda superior a los 5,0 m y el intervalo espectral llega hasta los 100 m. Para temperaturas inferiores, el espectro se desvía hacia ondas de longitud mayor. Teniendo en cuenta que las distribuciones espectrales de la radiación solar y terrestre

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apenas se superponen, con frecuencia, se las puede tratar por separado en mediciones y cálculos.

Radiación Visible

Radiación Ultravioleta

Radiación Infrarroja: Radiación cuya longitud de onda es superior a 800 nm

2.5 UNIDADES DE MEDIDA

2.5.1 Radiación solar global

Las cantidades de radiación son expresadas generalmente en términos de exposición radiante o irradiación, siendo esta última una medida del flujo de energía recibida por

unidad de área en forma instantánea como

TiempoArea

Energía

y cuya unidad es el vatio por metro cuadrado (W/m2). Un vatio es igual a un Joule por segundo.

La exposición radiante es la medida de la radiación solar, en la cual la irradiancia es

integrada en el tiempo como

Area

Energía

y cuya unidad es el kWh/m2 por día (si es integrada en el día) ó MJ/m2 por día.

Por ejemplo, 1 minuto de exposición radiante es una medida de la energía recibida por metro cuadrado sobre un periodo de un minuto. Sin embargo, un minuto de exposición radiante = irradiación media (W/m2) x 60 (s) y tiene unidades de Joule por metro cuadrado (J/m2). Finalmente, una hora de exposición radiante es la suma de los 60 minutos de exposición radiante. Otras magnitudes radiométricas.

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Unidad Equivalencia1 vatio (W) 1Joule/segundo (J/s)1 W*h 3.600 J1 KW*h 3,6 MJ1 W*h 3,411 Btu1 Caloría 0.001163 W*h1 Caloría 4,187 Joule1 cal/cm2 11,63 W*h/m2

1 MJ/m2 0,17778 kW*h/m2

1 MJ/m2 177,78 W*h/m2

1 MJ/m2 13,88 cal/cm2

1BTU 151 calorías1BTU 1,05506 KJ1 cal/(cm2*min) 60,19 MJ/m2 por día

Tabla 2.3

Conversiones útiles para radiación

2.5.2 Radiación visible y ultravioleta

Para algunas bandas espectrales, como la visible y la ultravioleta se utilizan las siguientes unidades, en particular:

Radiación visible o radiación activa en fotosíntesis (PAR, por sus siglas en inglés): instantánea (µE/cm²seg: donde E = Einsten) y la integrada (µEh/cm²).Radiación ultravioleta: instantánea (µW/cm²nm) y la integrada (µWh/cm²nm), en cada longitud de onda medida.

Unidad Equivalencia1 µW/cm² 0,01 W m-1

1 klux 18 µmol m-1 s-1

1 W m-1 4.6 µmol m-1 s-1

1 klux 4 W m-1

1 µmol m-1 s-1 1 µE m-1 s-11 klux 18 µE m-1 s-11 W m-1 4.6 µE m-1 s-1

Tabla 2.4

Conversiones útiles para radiación visible y ultravioleta

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Constante solar: En el tope de la atmósfera, a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol, el flujo de energía de onda corta interceptada por una superficie normal a la dirección del sol en vatios por metro cuadrado (W/m2) es llamada constante solar.Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo básico del sistema climático. Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmósfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el día como consecuencia de las “pérdidas” de radiación por fenómenos (procesos de atenuación) como la reflexión, refracción y difracción durante su trayectoria.

Según el Centro de Referencia Radiométrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiación (World Radiation Center - WRC), la constante solar tiene un valor aproximado de:

Io= 1.367 W/m2

= 433.3 Btu/(ft2*h)= 1,96 cal/(cm2*min)

Con una desviación estándar de 1,6 W/m2 y una desviación máxima de + 7 W/m2.

2.6 RADIACIÓN INCIDENTE SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE

Es muy grande la cantidad de energía solar que fluye hacia y desde la Tierra y la atmósfera. Una comparación que permite apreciar la cantidad de energía solar que cada año incide sobre la Tierra es que equivale a cerca de 160 veces la energía de las reservas mundiales de energía fósil o que es similar a más de 15.000 veces la energía anual usada de los combustibles fósiles y nucleares y de las plantas hidráulicas.

Una aproximación de la cantidad de energía incidente en la Tierra y de cómo se transforma en la atmósfera y la superficie terrestre se puede establecer de la siguiente manera: de la radiación total incidente, 173.000Teravatios, el 30% es reflejado al espacio exterior. La mayor parte del 70% restante calienta la superficie terrestre, la atmósfera y los océanos (47%) o se absorbe en la evaporación de agua (13%). Relativamente, muy poca energía es usada y dirigida al viento y las olas o para ser absorbida por las plantas en la fotosíntesis. En realidad prácticamente toda la energía es radiada al espacio exterior en forma de radiación infrarroja.

El efecto de atenuación de la radiación solar al atravesar la atmósfera se muestra en laIlustración 2.7. La radiación que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en radiación directa, difusa y global.

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Ilustración 2.7

Atenuación de la radiación solar por la atmósfera terrestre.1

2.6.1 Radiación directa (Hb)

Es la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del Sol sin haber sufrido difusión, ni reflexión alguna. Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

ec. 7

Donde:

I = Componente vertical de la radiación solar directa h =Altura del sol sobre el horizonte.

Es evidente que I es mayor que I y son iguales solamente cuando el Sol se encuentra en el Cenit (ver Ilustración 2.).

1 (Fuente: Atlas de radiación solar).

R

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Ilustración 2.8

Componente directa de la radiación sol

Sobre la superficie de la tierra, el flujo de la radiación directa depende de los siguientes factores:

Constante solar. Altura del sol sobre el horizonte (h). Transparencia atmosférica en presencia de gases absorbentes, nubes y niebla.

2.6.2 Radiación difusa (Hd)

Es la componente de la radiación solar que al encontrar pequeñas partículas en suspensión en la atmósfera en su camino hacia la tierra e interactuar con las nubes, es difundida en todas las direcciones; el flujo con el cual esta energía incide sobre una superficie horizontal por segundo es lo que llamamos radiación solar difusa. También es definida como la cantidad de energía solar que incide sobre una superficie horizontal desde todos los lugares de la atmósfera diferente de la radiación solar directa. Cuando no hay nubes en el cielo, la radiación difusa se produce por medio del proceso de difusión a través de partículas atmosféricas.

La radiación solar difusa diaria es la cantidad de radiación difusa entre las seis de la mañana y las seis de la tarde y sus valores oscilan entre 300 y 5.500 W*h/m1 al día.

Sobre la superficie de la tierra la radiación difusa depende de:a) La altura del Sol sobre el horizonte. A mayor altura, mayor es el flujo de radiación difusa.

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b) Cantidad de partículas en la atmósfera. A mayor cantidad de partículas, mayor es la componente difusa; por consiguiente aumenta con la contaminación.c) Nubosidad. Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente delgadas. d) Altura sobre el nivel del mar. Al aumentar la altura, el aporte de la radiación difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la atmósfera.

2.6.3 Radiación global (H)

La radiación global es toda la radiación que llega a la tierra que se mide sobre una superficie horizontal en un ángulo de 180 grados, resultado de la componente vertical de la radiación directa más la radiación difusa. El aporte de cada componente a la radiación global, varía con la altura del Sol, la transparencia de la atmósfera y la nubosidad.

Su evaluación se efectúa por el flujo de esta energía por unidad de área y de tiempo sobre la superficie horizontal expuesta al sol y sin ningún tipo de sombra; de esta manera, si llamamos H al flujo de radiación global, Hd al flujo de radiación difusa y Hb

la componente directa; se tiene que:

ec. 8

La radiación solar global diaria es el total de la energía solar en el día y sus valores típicos están dentro del rango de 1 a 35 MJ/m2 (megajoules por metro cuadrado).

Recordando que I es la intensidad de la radiación directa sobre la superficie normal a los rayos solares, h la altura del Sol, e I la componente vertical de la radiación directa sobre una superficie horizontal, entonces:

ec. 9

El aporte de cada componente a la radiación global, varía con la altura del Sol, la transparencia de la atmósfera y la nubosidad.

Balance radiactivo

Los métodos de transferir energía en la atmósfera incluyen la conducción, la convección, el calor latente, la advección y la radiación. El método de transferencia de energía a través de procesos radiactivos es diferente de los otros mecanismos ya que en este proceso no intervienen moléculas. La Tierra intercambia energía con su ambiente (el sistema solar) por medio de la radiación. El balance radiactivo del planeta es un parámetro fundamental ya que determina nuestro clima (la atmósfera se calienta o se enfría dependiendo de sí recibe más o menos energía). Este balance incluye la energía solar, que es la principal fuente de energía para el planeta,

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igualmente, la atmósfera y el océano pueden trasladar excesos de energía de una región a otra diferente en el globo.

La energía proveniente del sol puede ser absorbida por el suelo, difundida en la atmósfera o reflejada. De la energía absorbida por el suelo, parte penetra en el terreno, parte se utiliza en la evaporación del agua existente en el suelo y luego es transportada en la atmósfera en forma de calor latente y la ultima parte, viene cedida por contacto, a la atmósfera, que la distribuye en su interior mediante un mecanismo de convección turbulenta. En el balance energético global interviene también la radiación de onda larga emitida por la tierra.

Considerando, que al tope de la atmósfera llega un 100% de radiación solar, sólo un 15% llega directamente a la superficie de la Tierra y un 15% es dispersado por la atmósfera como radiación difusa hacia la superficie, esto hace que cerca de un 50% de la radiación total incidente llegue a la superficie terrestre. Un 10% es absorbido por las nubes y gases atmosféricos (como el ozono en la estratosfera). El otro 30% se pierde hacia el espacio, de este porcentaje, la atmósfera dispersa un 6%, las nubes reflejan un 10% y el suelo refleja el otro 4 %.

El flujo medio incidente en el tope de la atmósfera es un cuarto de la constante solar, es decir, unos 341 w/m1 y queda reducida en superficie (por reflexión y absorción) a unos 170 w/m2.

La Ilustración 2. muestra los flujos verticales medios de energía en el sistema terrestre (atmósfera y superficie), en vatios por metro cuadrado. Los más importantes son los 342 W/m2 de energía solar que entran por el tope de la atmósfera y los 390 W/m2 que salen del suelo en ondas infrarrojas. Tanto en superficie como en el tope de la atmósfera el balance entre lo entrante y lo saliente es nulo.

Ilustración 2.9Esquema de la distribución de la radiación en el sistema tierra – atmósfera.

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A partir de la energía terrestre emitida por la superficie, 390 W/m2, solo 40 W/m2

escapan directamente al espacio por la ventana atmosférica. El exceso de energía recibida por la superficie es compensado por procesos no-radiactivos tales como la evaporación (flujo de calor latente de 80 W/m2) y la turbulencia (flujo de calor sensible de 14 W/m2).

La diferencia entre la emisión radiactiva de la superficie de la Tierra (390 W/m2) y el total de emisión infrarroja al espacio (40 + 100 = 140 W/m2) representa la energía atrapada en la atmósfera (150 W/m2) por el efecto de invernadero. La parte del efecto invernadero causado por el aumento de CO1 debido a las emisiones atópicas supone en la actualidad un incremento radiactivo de 1,4 W/m2.

La Tierra tiene una temperatura media constante en el tiempo, por la existencia del balance entre la cantidad de radiación solar entrante y la radiación terrestre saliente, sino se calentaría o enfriaría continuamente. Por otra parte algunas regiones del planeta reciben más radiación solar que otras, pero la radiación terrestre saliente es aproximadamente la misma en cualquier lugar del planeta. Por lo tanto, el balance de calor, debe producirse en dos formas:Balance de energía total tierra/atmósfera. La cantidad de energía que llega a la superficie de la Tierra desde el Sol y desde la atmósfera, tiene que ser igual a la cantidad de energía que se refleja desde la superficie, más la que emite la Tierra al espacio.

Balance de energía entre diferentes zonas del planeta. En promedio la zona latitudinal entre 35ºN y 35ºS recibe más energía que la que pierde y lo contrario ocurre en zonas polares. Es conocido que las zonas centradas en el ecuador son las regiones más cálidas del planeta, lo contrario se produce en altas latitudes, donde se pierde mas calor por emisión de radiación de onda larga que la recibida en onda corta del Sol. Pero estas zonas no se calientan ni enfrían continuamente, por lo que existe un transporte de calor desde las regiones con exceso a las regiones con déficit de calor. Es un transporte desde el ecuador hacia los polos y viceversa, que lo realizan la atmósfera y los océanos a través de los vientos y las corrientes.

En resumen, la energía recibida y emitida por el sistema tierra – atmósfera es la misma, hay ganancia de energía entre los trópicos y pérdida en zonas polares, el exceso y déficit es balanceado por la circulación general de la atmósfera y de los océanos. Además el balance de radiación de un lugar dado sufre variaciones con la cobertura nubosa, composición de la atmósfera, el ángulo de incidencia del Sol y la longitud del día. Así las áreas de exceso y déficit de energía migran estacionalmente con los cambios en la longitud del día y del ángulo de inclinación del Sol. En la siguiente tabla se resume el balance de radiación en unidades de energía.

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ENTRANTE SALIENTEBalance de calor de la superficie de la tierra

Radiación solar 170

Radiación terrestre 390

Radiación atmosférica 314

Evaporación 80

Conducción y Convección 14

Total 494

Total 494

Balance de calor de la atmósferaRadiación solar

70Radiación al espacio

100Condensación

80Radiación a la superficie

314Radiación terrestre

390Radiación de la tierra al espacio

40Conducción

14Total 564

Total 564

Balance de calor planetarioRadiación solar

341Reflejada y dispersada

101Radiación de atmósfera

y nubes al espacio 100

Radiación de la tierra al espacio 40

Total 341

Total 341

Tabla 2.5Balance de radiación en W/m2

Los experimentos para la determinación del balance radiactivo de la Tierra han utilizado satélites para medir los parámetros fundamentales de la radiación (la cantidad de energía solar recibida por el planeta, el albedo planetario, la radiación terrestre emitida -referida como la Radiación saliente de Onda Larga ó ROL- y el balance planetario de energía neto -diferencia entre la energía solar absorbida y el ROL-). El experimento más reciente para medir estos parámetros es el Experimento del Balance de la Radiación de la Tierra de la NASA (ERBE).

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2.7 DISTRIBUCIÓN GLOBAL DE LA RADIACIÓN SOLAR

El flujo medio incidente de radiación solar en el tope de la atmósfera es un cuarto de la constante solar, es decir, unos 341 w/m2 y queda reducida en superficie (por reflexión y absorción) a unos 170 w/m2.

La siguiente Ilustración 2. muestra la radiación solar media recibida en superficie, expresada en W/m2, oscilando entre un máximo de 250 W/m2 en las regiones despejadas de nubosidad del Sahara y Arabia, hasta un mínimo de 75 W/m2 en las islas brumosas del Ártico. La media global, como se mencionó, es 170 W/m2.

Ilustración 2.10

Distribución global de la radiación.

Los valores máximos se concentran en las zonas subtropicales, en torno a los 30º de latitud, debido a que los rayos solares llegan a la superficie terrestre en forma más perpendicular sobre esas latitudes, principalmente, en las épocas de verano de cada uno de los hemisferios. En la noche polar de cada hemisferio, la radiación solar que llega a las zonas polares es cercana a cero. En el día polar la radiación solar en los polos es equivalente a la radiación solar de latitudes medias del hemisferio opuesto al día polar, pero las temperaturas no son equivalentes, ya que en días polares las temperaturas son siempre cercanas o menores a 0°C.

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CAPITULO III

DESARROLLO DEL

TRABAJO

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Para la realización del proyecto habrá que considerar varios factores para su realización lo cual implica estudios, económicos, sociales, técnicos; para que este proyecto sea factible. 3.1 FACTOR TÉCNICO

Los factores técnicos a tener presente son la producción u oferta y la demanda de agua:

Producción u “oferta” de agua; está relacionada directamente con la precipitación durante el año y con las variaciones estacionales de la misma. Por ello, en el diseño del sistema de captación de agua de lluvia es altamente recomendable trabajar con datos suministrados por la autoridad competente y normalmente representada por la oficina meteorológica del país para este caso INEGI.

Demanda de agua; A su vez, la demanda depende de las necesidades del interesado y que puede estar representada por solamente el agua para consumo humano, hasta llegar a disponer de agua para todas sus necesidades básicas como son preparación de alimentos, higiene de personal, lavado de vajillas y de ropa e inclusive riego de jardines.

3.2 FACTOR ECONÓMICO

Al existir una relación directa entre la oferta y la demanda de agua, las cuales inciden en el área de captación y el volumen de almacenamiento, se encuentra que ambas consideraciones están íntimamente ligadas con el aspecto económico, lo que habitualmente resulta una restricción para la mayor parte de los interesados, lo que imposibilita acceder a un sistema de abastecimiento de esta naturaleza.

3.3 FACTOR SOCIAL

En la evaluación de las obras de ingeniería a nivel comunitario, siempre se debe tener presente los factores sociales, representados por los hábitos y costumbres que puedan afectar la sostenibilidad de la intervención. Al efecto, el profesional responsable del estudio debe discutir con las comunidades las ventajas y desventajas de la manera tradicional de abastecimiento de agua y de la tecnología propuesta, buscando que la propia comunidad seleccione lo que más le conviene emplear.

3.4 USOS DEL AGUA DE LLUVIA

Para muchos usos caseros, la calidad del agua no precisa ser la de "apta para el consumo humano". Nos referimos al empleo en la lavadora, el lavavajillas, la limpieza de la casa, la cisterna del inodoro y el riego en general. En estos casos el

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agua de lluvia puede reemplazar perfectamente al agua potable. Además al ser un agua muy blanda nos proporciona un ahorro considerable de detergentes y jabones.Pero incluso más allá de estas indicaciones, el agua de lluvia se ha empleado históricamente para lavarse, beber y cocinar directamente con ella. Hoy día los criterios son un poco más restrictivos y no suele aconsejarse el empleo directo del agua de lluvia para estos usos. Pero es relativamente fácil adaptarla para poder disponer de ella como única fuente de agua si así se desea, con todas las garantías sanitarias que se requieren. En este caso, sí se deben tomar una serie de precauciones e instalar unos sistemas complementarios de depuración del agua sencillos, pero con controles absolutamente estrictos.

La captación de agua de lluvia para uso doméstico presenta las siguientes ventajas:

Alta calidad físico química del agua de lluvia.

Sistema independiente y por lo tanto ideal para comunidades dispersas y alejadas.

Empleo de mano de obra y/o materiales locales.

Requiere de poca energía para la operación del sistema.

Fácil de mantener.

Comodidad y ahorro de tiempo en la recolección del agua de lluvia.

A su vez las desventajas de este método de abastecimiento de agua son las siguientes:

Alto costo inicial que puede impedir su implementación por parte de las familias de bajos recursos económicos.

La cantidad de agua captada depende de la precipitación del lugar y del área de captación.

3.5 EQUIPO BÁSICO DE RECOGIA Y GESTIÓN DEL AGUA DE LLUVIA

Para entender el diseño de los equipos, es preciso recordar que el agua de lluvia suele captarse en unos meses precisos y que debe conservarse para ser utilizada durante el periodo posterior hasta la nueva época de lluvias. Por ese motivo, el empleo del agua de lluvia se combina con otra fuente de suministro de agua como puede ser la de red en muchos casos.

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Esta duplicidad de calidades de agua, implica la necesidad de un sistema eficiente de gestión de ambos tipos de aguas. Aquí es preciso hacer una aclaración importante. Este criterio tiene en general dos deficiencias. Por una parte, la mezcla periódica de aguas de características diferentes en el depósito, dificulta la adaptación y asentamiento del sistema en muchos casos, así como disminuye la vida del mismo. Por otra, implica la no utilización de toda la capacidad de almacenamiento de agua de lluvia, dado que antes de que ésta se agote ya añadimos agua de otra procedencia.

El diseño básico de recogida de aguas pluviales consta de los siguientes elementos:

Área de captación: Área de 100m2.Canalones: Sistema para recoger el agua y llevarla hacia el depósito de almacenamiento, con dimensiones: 10m de largo por 10cm de diámetro para cada lado, considerando techo a dos aguas, sujetadas por ménsulas a 2.5m de distancias. Antes de los bajantes se pone un sistema que evite entrada de hojas y similares para este caso se usa malla.

Tanque de filtración: De arena y grava, necesario para hacer una mínima eliminación de la suciedad y evitar que entre en el depósito o cisterna como se muestra en los dibujos posteriormente.

Depósito o Tanque de almacenamiento: Espacio donde se almacena el agua ya filtrada. Su lugar idóneo es enterrado o situado en el sótano de la casa, evitando así la luz (algas) y la temperatura (bacterias).

Bomba: Para distribuir el agua a los lugares previstos. Es muy importante que esté construida con materiales adecuados para el agua de lluvia, e igualmente interesante que sea de alta eficiencia energética.

Sistema de drenaje de las aguas excedentes, que puede ser la red de alcantarillado, o el sistema de vertido que disponga la vivienda.

3.6 CAPTACIÓN

Está conformado por el techo de la edificación, el mismo que debe tener la superficie y pendiente adecuadas para que facilite el escurrimiento del agua de lluvia hacia el sistema de recolección.

En el cálculo se debe considerar solamente la proyección horizontal del techo.

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3.7 RECOLECCIÓN Y CONDUCCIÓN

Este componente es una parte esencial, ya que conducirá el agua recolectada por el techo directamente hasta el tanque de almacenamiento. Está conformado por las canaletas que van adosadas en los bordes más bajos del techo, en donde el agua tiende a acumularse antes de caer al suelo.

El material de las canaletas debe ser liviano, resistente al agua y fácil de unir entre sí, a fin de reducir las fugas de agua. Al efecto se puede emplear materiales, como el bambú, madera, metal o PVC.

Las canaletas son de metal por su mayor durabilidad y menor mantenimiento, sin embargo son costosas. Las canaletas se fijan al techo mediante soportería de ángulo, el ángulo va soldado a una placa atornillada al techo. Se debe considerar una pendiente del 2% para los canalones y canalizaciones. Es muy importante que el material utilizado en la unión de los tramos de la canaleta no contamine el agua con compuestos orgánicos o inorgánicos. En el caso de que la canaleta llegue a captar materiales indeseables, tales como hojas, excremento de aves, etc. El sistema contará con una malla para evitar que obstruya la tubería.

3.8 TANQUE DE FILTRACIÓN

Conocido también como dispositivo de descarga de las primeras aguas provenientes del lavado del techo. Este dispositivo impide que el material indeseable ingrese al tanque de almacenamiento y de este modo minimizar la contaminación del agua almacenada y de la que vaya a almacenarse posteriormente. El tanque contiene materiales filtrantes como arena y grava de diversos tamaños.

3.9 CISTERNA

Es la obra destinada a almacenar el volumen de agua de lluvia necesaria para el consumo diario de las personas beneficiadas con este sistema, en especial durante el período de sequía.

La unidad de almacenamiento debe ser duradera y al efecto debe cumplir con las especificaciones siguientes:

Impermeable para evitar la pérdida de agua por goteo o transpiración,

Dotado de tapa para impedir el ingreso de polvo, insectos y de la luz solar,

Disponer de una escotilla con tapa sanitaria lo suficientemente grande como para que permita el ingreso de una persona para la limpieza y reparaciones necesarias.

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Dotado de dispositivos para el retiro de agua y el drenaje. Esto último para los casos de limpieza o reparación del tanque de almacenamiento. En el caso de tanques enterrados deberán ser dotados de bombas que se requiera.

3.10 FILTRACION DEL AGUA DE LLUVIA

Se llevan a cabo dos procesos para el tratamiento de agua de lluvia: El agua al paso por el tanque de captación se filtra y posteriormente en la cisterna se clora para eliminar algunos microorganismos.

Nota:

(VER EN ANEXOS PLANOS 1 y 2)

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CAPITULO IV

ANÁLISIS DE

RESULTADOS

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4.1 METODOLOGÍA Y ANÁLISIS DE DATOS

Gran parte del consumo del agua en una casa se puede lograr sustituyendo el agua potable por el agua de lluvia, ésta ya elevada su temperatura la podemos utilizar en los siguientes casos como se indica en la gráfica 4.1.

Algunas de las ventajas al utilizar el agua de lluvia son las siguientes:

Proteger los recursos de agua potable y su alcance. Reducir el consumo de agua potable. Reducir el consumo de gas. Reducir los gastos económicos en el hogar. Reducir el consumo de energía debido que el agua potable se necesita

transportar a lugares retirados que implican grandes gastos de energía eléctrica.

Reducir el peligro de inundaciones, ya que la lluvia no se descarga directamente a un sistema de drenaje el cuál no está diseñado para retener tales cantidades.

Los porcentajes indicados en la gráfica representan un promedio y dependen mucho de las condiciones de la vivienda y de las costumbres personales.

Como se mencionó al inicio este proyecto está referido para la localidad del Edo. de México, donde la precipitación anual según datos del INEGI es de 881 mm por metro cuadrado anuales.

Total

ene

Feb

Mar

abr

May

Jun jul ago

Sep

oct

nov

Dic

Edo. México

881 13 6 9 14 60 155

180

174

160

71 10 8

Tabla 4.1

Precipitación pluvial en el Edo. de México. Datos INEGI.

Según los datos anteriores se puede observar que los meses de junio, julio, agosto, septiembre y octubre es donde la precipitación se eleva. Para los cálculos del sistema se deben tomar en cuenta los siguientes puntos.

Precipitación media. Precipitación mínima. Precipitación máxima por día. Consumo diario. Superficie de captación.

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Espacio de almacenamiento.Para razones de cálculo y diseño de los elementos se tienen los siguientes datos.

Precipitación media 7341 litros por mes. Precipitación mínima 0.006 litros por mes (febrero). Precipitación máxima por día 241 litros. Consumo diario por persona 80 litros. Superficie de captación 100 m2. Superficie de almacenamiento 40 m3.

6% 6%

4%

12%

30%

35%

7%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

1

Consumo diario de agua por persona

Cocina/Beber Higiene Jardin Lavadora WC Regadera Otros

Grafica 4.1

Consumo diario de agua por persona

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Selección de la tubería de bajada

DiámetroBajada Intensidad media máxima anual para accesoriosen mm de 5 min expresada en mm/hr.

75 100 125 150 20050 50 38 30 25 1963 91 68 55 46 3475 148 111 89 74 56100 320 240 192 160 120125 580 435 348 290 217150 943 707 566 471 354200 2030 1523 1218 1015 761

Tabla 4.2

Selección de tubería

4.2 TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y FILTRACIÓN

El tanque de filtración en este caso se diseñó de acuerdo a las dimensiones y especificaciones del proyecto. Éste tiene superficies finamente pulidas para su fácil aseo, el aseo y mantenimiento dependerá del estado en que se encuentre, el tanque cuenta con una tapa móvil para su aseo.

Para dar mantenimiento a la cisterna debe contar con una entrada para una persona y estar acondicionada con una escalera para su fácil acceso, además de tener una tapa para evitar que el agua se contamine, tener una tapa fija para evitar la contaminación del agua, poseer una pendiente en el piso. Las aristas de los tanques deberán de tener un radio de 5cm.

Para mayor comodidad las cubiertas de los tanques deberán estar completamente libres, no deberán establecerse sobre ellas ningún servicio, considerando pendientes necesarias para evitar encharcamientos y de esta forma evitar la contaminación del agua almacenada.

Los materiales para la construcción de los tanques son con tabique rojo con las siguientes dimensiones 6x12x24 cm., los recubrimientos y aplanados elaborados con concreto que indique el constructor.

Para razones de cálculo tomamos la precipitación máxima de 241 litros por día, así mismo el depósito debe ser de 1.728 m3 con las siguientes dimensiones:

Largo=150 cmAlto=150 cm

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Ancho=150 cm

Para filtrar el agua que se capte, se utiliza filtros de arena y grava como se indica en el plano que se muestra más adelante, cuando el gasto sea mayor del que se filtra, el tanque de filtración lleva un ducto de fuga de excedentes de agua, para evitar lasfiltraciones que se tengan el tanque.

En el tanque filtración deberá contar con un cono de lámina galvanizada perforada que tenga como función colar el agua reteniendo la basura que contenga esta. Materiales y especificaciones (Canalizaciones, tanques de almacenamiento y tuberías de conexión de la bomba al tanque).

No. Pieza Material Especificaciones1 Canalones Lamina o similar 10x10x20002 2 Adaptadores PVC 103 Tubo PVC 10x330004 6 Codos 90° PVC 105 1 Tee PVC 106 Soportería Angulo7 Bomba Tipo centrifuga ½ H.P8 Pichancha 1” 9 Tubo Cobre tipo “M” 1 ¼ x 22010 Tubo Cobre tipo “M” 1” x 1400

Tabla 4.3

Lista de materiales y especificaciones. Dimensiones en cm.

Nota:

(VER EN ANEXOS PLANOS 4 Y 5)

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4.3 SELECCIÓN DE LA BOMBA

Para la selección del tipo de bomba se puede determinar a partir de las siguientes tablas dependiendo de las necesidades que se requieran; la bomba que se seleccionara en este caso esta resaltada en letra negrita tomando en cuenta la altura requerida 16m.Tipo: Moto-bomba tipo centrifuga.

No. Bomba H.P. Volts R.P.M. Ciclos Succión y descarga1 ¼ 115 3450 60 1” x ¾”2 ¼ 115 2850 50 1” x ¾”3 ½ 115/230 3450 60 1 ¼” x 1”4 ½ 115/230 2850 50 1 ¼” x 1”

Tabla 4.4Tipos de Bombas2

Altura (m) No. Bomba 2 No. Bomba 18.00 75 L.P.M. 90 L.P.M.10.00 68 L.P.M. 82 L.P.M.12.00 60 L.P.M. 72 L.P.M.14.00 50 L.P.M. 60 L.P.M.16.00 34 L.P.M. 50 L.P.M.

Tabla 4.5Rendimientos para bomba 1 y 2

Altura (m) No. Bomba 4 No. Bomba 310.00 114 L.P.M. 138 L.P.M.12.00 108 L.P.M. 130 L.P.M.14.00 99 L.P.M. 120 L.P.M.16.00 90 L.P.M. 108 L.P.M.18.00 78 L.P.M. 97 L.P.M.20.00 64 L.P.M. 75 L.P.M.

Tabla 4.6Rendimientos para bomba 3 y 4

Nota: El tubo de succión debe ser exactamente del tamaño de la bomba; de ninguna manera reducir la entrada de succión.

2 (Manual de Instalaciones hidráulicas, sanitarias, gas, aire comprimido, vapor, pag. 283) Referencia en Bibliografía.

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4.4 SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA

El calentar el agua de lluvia es un elemento importante para la realización de nuestro proyecto, ya que mediante éste se logrará alcanzar nuestros objetivos.

Los colectores solares son usados para la captación térmica de la energía solar al ser interceptada por una superficie absorbente, se degrada apareciendo un efecto térmico. Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede alcanzar la superficie captadora. Así se suelen distinguir: temperatura baja, temperatura media y temperatura alta.

La tecnología de baja temperatura va destinada al calentamiento de agua por debajo de su punto de ebullición.

La tecnología de media temperatura va destinada a aquellas aplicaciones que requieren temperaturas superiores a los 100º C. Este tipo de sistemas se puede utilizar para la producción de vapor o para el calentamiento de otro tipo de fluido, pudiéndose alcanzar hasta los 300º C.

La tecnología de alta temperatura está dirigida a aquellas aplicaciones que requieren temperaturas superiores a los 300º C, fundamentalmente producción de energía eléctrica. En este caso se pueden emplear dos sistemas de concentración: Parabólicos (que reflejan la radiación en un punto reducido donde se encuentra el absorbedor) y Planos (formadas por un campo de espejos orientables que reflejan la radiación sobre una caldera independiente y situada en lo alto de una torre). El calor captado en el absorbedor es cedido a un fluido que suele ser vapor de agua a presión o sodio fundido. Este fluido primario caliente se hace pasar por un sistema de almacenamiento, para luego ser utilizado como medio de calefacción de un sistema de generación de vapor.

El generar energía térmica sin que exista un proceso de combustión supone, desde el punto de vista medioambiental, un procedimiento muy favorable por ser limpio y exento de cualquier tipo de contaminación. Algunos usos son en la agricultura en invernaderos y en secadores de grano; en la industria en el precalentamiento de fluidos, en el acondicionamiento de naves y edificios auxiliares y en la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS); en el sector industrial y terciario en calefacción y en climatización de piscinas. Incluso se utiliza para la producción de frío utilizando sistemas de absorción.

El sistema consta de un captador solar y un tambo con capacidad de 200 litros, tiene un material aislante, para que de esta forma se mantenga el calor absorbido durante el día, para de esta forma poder utilizar el agua durante la noche, aunque el agua no tenga la temperatura máxima alcanzada durante el día, es bien sabido que si se tiene en el tambo un agua de temperatura de 30 a 35 ºC no es el mismo consumo de gas

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para elevar la temperatura hasta 50 o 60 ºC, que si se tuviera en el tambo un agua de temperatura de 15 a 20 ºC.

Nota:

(VER EN ANEXOS PLANOS 5, 6 Y 7)

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4.5 CALCULOS

En nuestro proyecto se propone la concentración de los rayos solares en la tubería, y de esta forma reducir las pérdidas de calor por conducción.

Para el cálculo de transferencia de calor se toma la radiación solar en día despejado, con un valor de 240 w/m2.3 Éste nos indica la radiación incidente en la superficieterrestre por metro cuadrado, multiplicándolo por 2m2 que es la superficie de captación. (Para razón de corrección y un análisis dependiendo las consideraciones que se tomen, se utiliza el coeficiente de sombra de una ventana de vidrio transparente de una sola hoja SC=1, por lo tanto para obtener el coeficiente de ganancia de calor solar SHGC por sus siglas en ingles, se multiplica el coeficiente de sombra por 0.87).

Quedándonos de la siguiente manera:

Q = 240w/m2(2m2)(0.87) = 417.6 W

Este es el calor suministrado a nuestro sistema. Como sabemos el calor puede ser transferido por radiación, convección y conducción. Por lo tanto se parte del balance de energías en el sistema.

De la ecuación (ec. 1):

Ee= Es + Ea

Donde:

Ee= energía entrante o suministradaEs= energía saleEa= energía almacenada

Es de suma importancia interpretar cada una de las variables.

Quedándonos de la siguiente manera:

Ee= QS

Es= QR + QP

Ea= QA

3 Ver ilustración (2.4 RADIACIÓN SOLAR2.7 DISTRIBUCIÓN GLOBAL DE LA RADIACIÓN SOLAR pag. 38

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Donde:

QS = calor suministrado.QR = calor rechazado por reflexión en el vidrio (se considera 5% de QS).QP = calor perdido por conducción en la tubería.

Obteniendo:

Por convención de signos, el calor entrante al sistema es positivo y el saliente negativo. En la siguiente ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se muestra de forma grafica el sentido de los calores:

Ilustración 1.1Diagrama de calores.

NOTA: en las ½ cañas se considera que todo el calor que llega es reflejado al centro donde se encuentra el tubo y no se tienen perdidas de calor por conducción y convección.

Cálculo de los calores:

QS = SHGCAqx = 240w/m2(2m2)(0.87) = 417.6 W

QR = 417.6W(5%) = 20.88 W

Para el cálculo de QP tenemos los siguientes datos:

QS

QRQ

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Diámetro de la tubería=D= 1pulg.Diámetro interior=DI=1.055pulg.Espesor de la tubería=e=0.035pulg.=8.89x10-4mAltura de la tubería=h=5.5m

Además de que se considera la tubería como un plano

Ilustración 4.2Diagrama representativo de la tubería

Cálculo del área:

rLPLA 2

Donde:

A= ÁreaP = Perímetro = r2 = 8.4185cm=0.0841m L = Longitud de la tubería = 5.5 m

24630.0)0841.0(5.52 mmmrLPLA

Cálculo de Rx:

Ilustración 4.3

Rx Qs

Ts1 Ts2

A

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Circuito térmico equivalente.

De la tabla 2.1 se considera un Rx= KmW

372

W

Km

KmW

mx

k

eRx

26

4

103897.2372

1089.08

De la ley de Fourier:

1

2

2

1 dx

dTk

dx

dTk

A

Qq x

x

xxx

ssx RqT

R

T

k

e

TTq

21

KxW

Km

m

WT

4

26

210735.5103897.2240

Por lo tanto:

Wmx

Kxm

Km

W

e

TkAQP 01.111

1089.8

1073.54630.0372

4

42

De nuestro balance de energías:

WWWWWQ

QQQQ

QQQQ

A

RPSA

RAPS

28670.28588.2001.1116.417

Este resultado se multiplica por el tiempo para obtener el calor total radiado absorbido.

Por ejemplo, 1 minuto de exposición radiante es una medida de la energía recibida sobre un periodo de un minuto. Sin embargo, un minuto de exposición radiante = irradiancia media (W) x 60 (s) y tiene unidades de Joule (J).

Calor Radiado:

Tiempo minutos Q (J)30 514271.24

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Tabla 4.7Calor radiado por tiempo.

Q es la cantidad de calor absorbida por el agua en nuestro captador solar.

Por lo que se ocupa la siguiente ecuación para el cálculo de la temperatura final:

TCpmQ

Se calcula el volumen para determinar la masa en el sistema:

hrv 2

Donde:h= altura=5.5mr=1.3398cm=0.01339mv=volumen

3322 10101.35.501339.0 mxmmhrv

Cálculo de la masa:

vmvm

Donde:

m= masav = 3310101.3 mx

=1g/cm3

kggcmcm

gvm 101.387.310187.31011 33

Como conocemos el calor radiado en 30min, la masa, el calor especifico del agua (4180 J/Kg ºC) y la temperatura inicial;

De la ecuación:

TCpmQ Despejamos Tf:

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CCCKgJkg

JT

TCpm

QT

TTCpm

Q

f

if

if

67.6425/4180101.3

24.514271

)(

En la siguiente tabla se muestra la temperatura final expuesta a 30 min.Para razones de cálculo la temperatura inicial se toma a 25° C.

Tiempo(minutos) Q (J) Tf (ºC) salida de agua a 25ºC

30 514271.24 64.6747Tabla 4.8

Resultado de calor y temperatura.

Los resultados arrojados demuestran un incremento considerable en la temperatura inicial, lo que hace factible el proyecto

Por lo tanto se llega a la conclusión de que podemos elevar la temperatura del agua en el colector solar de una temperatura inicial de 25 ºC hasta una temperatura máxima de 31.8985ºC en un tiempo de 6 horas en un día soleado.

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COSTOS

Costos de Material del sistema de captación y almacenamiento

No. Pieza Material Unidad Cantidad c.u(base) C.U.

1 Canalones Lamina o similar m 10 30 3002 Adaptadores PVC pza. 2 15 303 Tubo PVC m 18 224 6724 Codos 90° PVC pza. 6 11 665 Tee PVC pza. 1 20 206 Soportería Angulo pza. 40 9 3607 Bomba Tipo centrifuga pza. 1 1200 12008 Pichancha pza. 1 120 1209 Tubo 1 1/4" Cobre tipo “M” m 2.2 1030 377.610 Tubo 1" Cobre tipo “M” m 1.4 675 15711 Tubo 1/2" Cobre tipo “M” m 5.5 280 185.612 Tubo 3/4" Cobre tipo “M” M 6 465 46513 Codo 3/4" 90° Cobre tipo “M” pza. 8 10 8014 Codo 1/2" 90° Cobre tipo “M” pza. 6 5 3015 Tuercas Unión Cobre tipo “M” pza. 2 47 9416 Tanque Cap. 200 lts. Ac. INOX. pza. 1 2000 200017 Vidrio 3mm. 2m2 1 250 25018 Madera Triplay m2 4 300 30019 Lamina Ac. INOX. m2 4 400 40020 Pija 1" P/madera pza. 40 0.34 13.621 Tornillo 1" x 1/4 Ac. INOX. pza. 20 0.85 1722 Válvula de paso 1/2" pza. 2 67 13423 Tabique pza. 300 500 50024 Arena Kg. 100 20 10025 Grava Kg. 100 20 10026 Cemento Kg. 50 110 110

27 Cal Kg. 50 30 30

Total: $8111.8

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RECOMENDACIONES

Para una mayor eficiencia del captador solar considerar los siguientes puntos:

Incremento del área de captación solar. Utilizar aislantes de mayor eficiencia en las tuberías a lo largo de la red. Desarrollar el mismo procedimiento de cálculo en zonas de mayor radiación

solar. Se puede hacer una configuración en paralelo con otros captadores. Sustituir el vidrio comercial por el vidrio flotado absorbente de calor teñido en

gris. Disminuir la longitud entre el tanque y el calentador para reducir pérdidas por

conducción y convección.

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CONCLUSIÓN

A través de las investigaciones y observaciones realizadas se puede decir que, el empleo y la instalación en conjunto, de diversos dispositivos como son los captadores solares y sistemas de canalización y almacenamiento, ayudan a reducir el consumo del agua potable teniendo como alternativa el uso de agua de lluvia, el uso del agua de lluvia es una elección viable para el uso común.

El agua de lluvia es un elemento importante, a partir del proceso por el que pasa el agua se puede tener beneficios tanto económicos como en lo que concierne a la naturaleza, ya que de esta forma en el caso económico se tiene una reducción en el gasto y también se puede ayudar a disminuir la explotación de los mantos acuíferos previniendo futuros gastos ecológicos.

Al finalizar nuestro proyecto, después de realizar los cálculos necesarios y de investigar lo referente al mismo, nos convencimos de que en este momento, tanto México como el mundo entero necesita de tecnologías alternativas, las cuales nos ayuden a tener un ahorro de energía, y no solo es de presentarlas como un proyecto sino también de fomentarlas en la población en general para que tengan conciencia de la situación del agua en el mundo.

Como se observó en este proyecto la finalidad es de optimizar el uso de los recursos naturales como el agua pluvial y el sol, ya que esta es una fuente de energía inagotable y gratuita. El uso de este tipo de recursos naturales en una casa es óptimo a pesar de que la inversión es algo elevada, aunque la inversión se recupera a largo plazo con la seguridad de que se tendrá un ahorro energía.

Para nosotros este es un proyecto que un futuro podría ser implantado como una norma en la construcción de casas, y de esta forma ayudar a la conservación del medio ambiente y los recursos naturales.

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ANEXOS

PLANOS