Estudio de la transferencia de calor en un sistema desalinizador mediante humidificación y deshumidificación de aire

El presente trabajo es un estudio del fenómeno de la humidificación y deshumidificación de aire aplicado a la desalinización de agua. Debido a que este fenómeno puede efectuarse en un amplio intervalo de temperaturas y no requiere condiciones constantes, es idóneo para ser energizado mediante el recurso solar, que es inherentemente variable.

Se presenta un modelo físico para un sistema desalinizador solar que se basa en evaporar agua de una salmuera, en presencia de aire, sin ebullición, para posteriormente remover la humedad del aire mediante condensación y así obtener agua destilada. Con referencia a ese modelo físico se desarrolló un modelo matemático basado en balances de masa y de energía en los diversos elementos físicos del sistema, así como en las tasas de transferencia de calor y de masa. El modelo matemático incorpora un factor de humedad a la salida del evaporador, lo cual permite simular adecuadamente el sistema físico y resulta en un modelo más general que el suponer el aire saturado en todo el sistema. Se presenta un modelo, desarrollado como parte del trabajo, para el cálculo de la presión de vapor del agua, que a su vez se incorpora en los cálculos de la humedad y de la entalpía del aire saturado, con buenos resultados. Estas dos propiedades a su vez se emplean en el modelo del sistema completo. El modelo matemático permite calcular con exactitud razonable las temperaturas de operación del sistema en el estado estacionario y con menor exactitud la tasa de producción de destilado.

Se presenta también el diseño, construcción y evaluación de un prototipo experimental, que se estudió en estado estacionario y con un tren de resistencias eléctricas para suministrar la entrada de calor en forma controlada. Este prototipo muestra propiedades interesantes en sí mismo, tales como la completa recuperación del calor de condensación del agua, la operación con coeficientes de operación cercanos a la unidad y la productividad de agua destilada del orden de 2.5 veces la que se obtiene mediante destiladores solares de caseta. El sistema es capaz de producir hasta 2.98 litros de destilado por hora, operando con una entrada de calor de 2000 W. El prototipo experimental se utilizó también para calibrar el modelo matemático y evaluar los cuatro parámetros que requiere. Los parámetros obtenidos fueron: factor de humedad a la salida del evaporador, f = 0.77; coeficiente global de pérdidas de calor al exterior, Uperd = 3.3 J/(m2 s K); coeficiente global de transferencia de calor en el condensador, Ucond = 56 J/(m2 s K); coeficiente de transferencia de masa en el evaporador, K = 0.0010 kg/(m2 s). El prototipo experimental muestra que es necesario dosificar la entrada de agua según la energía disponible, de modo que se logren temperaturas altas para favorecer los procesos de transferencia de masa. Por otro lado, la principal pérdida de calor en el prototipo experimental ocurre a través de la salida de la salmuera rechazada.