ES2401516B1 - Planta desalinizadora solar de agua de mar, salmueras o aguas residuales. - Google Patents

Planta desalinizadora solar de agua de mar, salmueras o aguas residuales. Download PDF

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Abstract

Planta desalinizadora solar de agua de mar, salmueras o aguas residuales, que comprende una carpa de estructura con forma piramidal (1) con doble lámina interior negra y exterior transparente instalada sobre una base de sustentación (9) anclada al suelo o en flotadores en la superficie del mar, en la que se incorporan medios de vaporización en el vértice de la pirámide con micronebulizadores, medios de captación del aire húmedo por columna de condensación (3) continua o seccionada y destilación en subsuelo y disipación del calor en depósito menor (4) de recogida de agua. Además, incorpora un sistema de control informatizado de los procesos que comprende controles de caudal de aire y del agua nebulizada y régimen de funcionamiento de la instalación.

Description

PLANTA DESALINIZADORA SOLAR DE AGUA DE MAR, SALMUERAS O AGUAS RESIDUALES
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La
invención, tal como expresa el enunciado de la
presente
memoria descriptiva, se refiere a una planta
desalinizadora
solar de agua de mar, salmueras o aguas
residuales.
Más en particular, el objeto de la invención se centra en una planta desalinizadora solar de agua (de mar, salmueras o aguas residuales) mediante carpa de captación de irradiación y condensación en columna, basándose en las calorías captadas y las frigorías disponibles en el subsuelo. Monitorización mediante ordenador de las variables del sistema por programa informático de captación de valores y búsqueda de régimen óptimo de rendimiento.
La desalinizadora de agua está basada en la captación de calor por láminas paralelas transparente y negra en exterior e interior, respectivamente, expuestas al sol en forma de pirámide que concentran en su vértice el aire caliente. Aquí, mediante micronebulizadores se evapora el agua de mar que será succionada en una columna de condensación que, en una primera modalidad sencilla, lo conduce hacia el subsuelo donde la temperatura inferior de éste provoca la condensación del vapor contenido. En una segunda opción se mejora el rendimiento mediante la inclusión en la columna de condensación de cámaras seccionadas donde se produce condensación a fin de recuperar el calor latente de evaporación, el cual es transferido al agua salada que ha de vaporizarse.
Dado que las condiciones externas: irradiación, temperaturas del aire y el agua captada son variables a lo largo del día y en los diferentes días de años cambiantes, no se puede pensar en obtener un máximo rendimiento con un único régimen de funcionamiento: caudales de aire y agua, régimen de presiones y temperaturas. Por ello se propone un sistema de control informático que captando los valores de las variables y los rendimientos en cada momento, construya las funciones matemáticas sobre datos empíricos que determinarán la vinculación entre las variables y buscará los máximos relativos para en cada caso optimizar los rendimientos métodos estadísticos de ajuste por mínimos cuadrados y modelos lineales y no lineales generalizados. Se trataría de un sistema de autoaprendizaje continuo.
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La
invención se encuentra dentro del sector técnico
de
tratamiento de aguas por desalinizac ión y evaporación
usando
energía solar.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad, y como referencia al estado de la técnica, debe señalarse que son conocidos distintos sistema para la desalinización del agua, sin embargo, por parte del solicitante se desconoce la existencia de ninguna otra planta

o invención de aplicación similar que presente unas características técnicas semejantes a las que presenta la que aquí se preconiza.
En este sentido hay que señalar que se han revisado todos los métodos de separación del agua de las sales. Desde la ósmosis inversa que es la que más se ha implantado recientemente en el mundo, con grandes costes energéticos y de inversión en las instalaciones, hasta la destilación por efecto flash, que es la que mayor cantidad de agua desala, aunque está asociada a instalaciones pequeñas y también con grandes costes energéticos. Las anteriormente mencionadas recurren a fuentes convencionales de energía, lo que las hace muy caras de operar.
Basadas
en las energías renovables hay, por una
parte,
las que toman la energía de fuentes hidrotermales o
energías
residuales en instalaciones, como por ejemplo
plantas
termoeléctricas y las que recurren al sol o al
viento.

Dentro de las que toman el sol como fuente de energía hay varias propuestas a lo largo de los años, con eficiencias y complejidades varias. La más actual y exitosa hasta el momento es la presentada por la compañía británica seawatergreenhouse® que dispone de instalaciones en Santa Cruz de Tenerife, Omán y Emiratos Árabes Unidos; y que es la más parecida a la que aquí se propone. Consta también de un gran invernadero que sirve de captador de calor, pero la evaporación la efectúa en un panel de evaporación en una de las paredes y condensa gracias a la captación de agua de mar fría procedente de cotas profundas para volver a usarla en la evaporación.
El objetivo primario de estas instalaciones es más el invernadero que la desalinización, y de hecho el agua desalinizada se usa en él. Las eficiencias no están optimizadas para un rendimiento máximo y las soluciones técnicas son diferentes y menos eficientes que la que se propone aquí. No usan el subsuelo como refrigerador (en su caso están condicionados a la disponibilidad de agua de mar de cotas profundas para tener suficientes frigorías) y,
además,
no usan la optimización por ordenador ni la
concentración
de aire cálido propuesta en la estruct ura
piramidal.
Asimismo, y relacionadas con el tema, cabe mencionar la existencia de los siguientes documentos:
P200102272: Planta para la obtención de agua exenta de sal a partir de aguas marinas, a baja temperatura, con funcionamiento continuo y recuperación de entalpía.
-
P9201678: Instalación desalinizadora, en especial para riego.
P0426199: Planta desalinizadora y potabilizadora aprovechando la ENERGIA CALORIFICA DE LAS ZONAS GEOTERMICAS Y VOLCANICAS.
-
P200603102: Desalinizadora de agua.
P0544110: Instalación para la desalinización de agua, en especial del agua del mar.

-E94810291: Dispositivo para la desalinización del agua de mar.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La desalinización del agua de mar (u otras aguas salobres o residuales, aunque nos centraremos en la primera) es la herramienta que hoy día puede permitir la obtención de agua dulce sin más limitación que la energía requerida para separar el agua de la sal contenida. Esto se hace en la actualidad con la técnica de la ósmosis inversa o con otros procedimientos que suponen gran gasto económico por la energía requerida y el coste de las instalaciones.
Teniendo en cuenta que donde más necesaria es el agua dulce es también donde más insolación hay, el sistema que se propone se basa en el aprovechamiento del calor del sol y permite aprovechar la insolación para vaporizar y destilar el agua. Además, es en los meses de mayor necesidad hídrica cuando más rendimiento permite el sistema. Otra de sus ventajas es que el gasto energético es ínfimo ya que la mayor parte de la energía necesaria procede del sol (excepto una pequeña cantidad de energía eléctrica, para funcionamiento general del sistema que también puede provenir del sol mediante placas fotovoltaicas).
En concreto, la planta desalinizadora de agua de mar que la invención propugna consiste en un captador de calor solar mediante una estructura de material oscuro (para retener el máximo de calor) en forma de carpa piramidal y con otra superficie transparente paralela y exterior a la anterior que genere una capa de aire calentado.

La forma de pirámide de dicha estructura permite acumular el calor en la cúspide hasta proporcionar en ella unas temperaturas elevadas que permiten la vaporización del
agua de mar inyectada mediante micronebulizadores. Esto da lugar a un aire cargado de humedad que se succiona por un tubo central (axial a la pirámide) o columna de condensación que lo dirige hacia un 'punto frío' constituido por un depósito situado en el subsuelo. Con el propósito de tener un circuito cerrado del aire que permita su circulación con un solo compresor, se tienen un depósito cerrado dentro de uno mayor que incluye la red de galerías y un remanente de agua almacenada y sus correspondientes frigorías, para disipar el calor y condensar el vapor. Un purgador transfiere el agua producida en el depósito pequeño hacia las galerías.
En el transcurso del trayecto del agua de mar que se ha de insuflar, ésta ha transcurrido por un tubo vertical dentro de la columna de condensación que transporta contracorriente la mezcla aire-vapor y permitiendo así la condensación de éste en forma de agua dulce mediante intercambiador de calor: aire húmedo-agua de mar; el agua salada de entrada se ha ido calentando. Las circulaciones son siempre contracorriente. En los puntos donde la temperatura a
disipar
es mayor, la temperatura del elemento captador es
mayor,
y viceversa. Así, la eficiencia del proceso de
recuperación
de calorías queda asegurada.
Por su parte, el aire, parcialmente enfriado, así como parte de su carga de agua condensada, llega al depósito anteriormente citado donde se enfría aún más, al estar éste en el subsuelo, el cual mantiene una temperatura siempre inferior (punto más frío de todo el proceso) .

En este punto se produce la condensación máxima del agua contenida. Este aire vuelve hacia la parte superior donde se va calentando a la vez que favorece la condensación
del aire húmedo que circula en sentido contrario durante un tramo, también con intercambiador de calor y de nuevo contracorriente.
Se requiere enfriamiento nocturno de las galerías o aljibes subterráneos para que al día siguiente se disponga de un buen recurso de frigorías para el sistema.
Circulando el aire por el tubo previsto a tal efecto, llega al punto en que es de nuevo introducido al sistema en la base de la pirámide donde podrá colaborar en el secado del resto de agua salada que no se vaporizó al salir por los micronebulizadores; se calienta con la radiación solar y vuelve a contribuir a la vaporización del agua cerrando así el circuito del aire.
En la zona central inferior de la pirámide se recogen, o bien salmueras o sal marina, dependiendo del interés en obtener ésta y de los ajustes de las variables del sistema.
La invención contempla así mismo la incorporación de un control informático de los procesos que evalúe las variables en cada momento, a fin de llegar a optimizar los rendimientos; todo ello con la utilización de técnicas estadísticas de toma de datos y ajuste de ecuaciones complejas por mínimos cuadrados y modelos lineales y no lineales generalizados en un proceso que se podría denominar de quot;auto-aprendizajequot; del propio sistema.

Los controles del sistema son: caudal de aire y del agua nebulizada, régimen de funcionamiento de la instalación. Éstos son evaluados y modificados (monitorizados) a fin de
alcanzar
los mayores rendimientos en cualquier caso:
inclinación
de la incidencia de los rayos solares,
temperaturas
del aire y el agua, etc.
A diferencia de otras máquinas, esta instalación no puede funcionar al mismo régimen en todo momento, ya que al variar el elemento primario (el sol) y algunos secundarios
(temperaturas del aire y del agua) cada hora es diferente a todas las demás.
Por ello, mediante el control informatizado de quot;auto-aprendizajequot; y monitorización de parámetros puede alcanzar los máximos rendimientos.
La instalación en su conjunto consta de materiales muy ligeros y económicos: láminas de polivinilo, tuberías de polietileno y estructuras de poliéster reforzado con fibra de vidrio, lo cual permite instalarlo en tierra, en el mar
(flotando) o en el tejado de una vivienda o bloque de viviendas.

Por último, cabe destacar que el espacio encerrado en la carpa de la estructura piramidal permite otras utilizaciones, tales como viviendas, granjas y/o viveros. El entorno es confortable y en la noche el sistema es silencioso, deja de funcionar cuando se va el sol. El propio sistema permite utilizar las galerías y aljibes como fuente de calor o frío para aclimatar a conveniencia el espacio dentro de la carpa. Al no cerrar completamente la pirámide de lámina oscura (queda en forma de tronco de pirámide) hay una entrada de luz al interior de la carpa que permite su utilización como invernadero u otros usos.
En un ejemplo de realización situado en Ibiza, se calculan unos rendimientos teóricos de más de 2 m3 anuales por m2 de carpa de captación (20000 m3 por Ha año, latitud 39° N, Ibiza) .
Visto lo que antecede, se constata que la descrita planta desalinizadora solar de agua de mar, salmueras o aguas residuales representa una estructura innova dora de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para tal fin, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando del mecanismo objeto de la invención y para ayudar a una mejor comprensión de las características que lo
distinguen,
se acompaña la presente memoria descriptiva, como
parte
integrante de la misma, de un plano, en el que con
carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado lo
siguiente:

La figura número 1.-Muestra una representación esquemática de la planta desalinizadora solar de agua de mar, salmueras o aguas residuales objeto de la invención en la que se aprecian los elementos que comprende y el funcionamiento del sistema, habiéndose representado para ello los movimientos de circulación del agua y del aire mediante flechas.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de la descrita figura 1 y única, y de acuerdo con la numeración adoptada en ella, se puede apreciar las partes y elementos que comprende la planta desalinizadora de la invención así como el proceso de funcionamiento de la misma.
Así, dichos elementos esenciales consisten en:
una estructura en forma de carpa piramidal ( 1) con una lámina interior de color oscuro (para retener el
máximo de calor) y con una superficie o lámina exterior transparente (2) dispuesta paralela a la anterior, de forma que genera una capa de aire calentado.
unos micronebulizadores (6) en la parte superior de una columna de condensación (3) cons tituida por un tubo central axial a la estructura piramidal (1), a cuyo extremo inferior se acopla un depósito menor (4) y unos tubos de entrada de aire (5) .
-
un depósito colector (7) de agua dulce, el cual, dispuesto a cierta profundidad, por ejemplo en el subsuelo o sumergido en el agua de mar, debajo de la columna de condensación (3), proporciona la temperatura baja al depósito menor (4) que queda situado dentro de él para permitir la condensación. Este depósito colector (7) se enfría durante la noche para permitir evacuar el calor acumulado durante el día, en caso de que el sistema se encuentre en el suelo no así en caso de estructura flotante. Además puede estar

conectado a galerías con un sistema que homogeneíce la temperatura y permita una buena dispersión del calor en el
subsuelo,
además de servir de aljibe para acumular agua en
los
momentos de máxima produ cción para ser usada en
los
momentos
de máximo consumo.
Si la planta se instala sobre el mar, la baja temperatura del depósito colector está asegurada, dado que la temperatura del agua de mar a cierta profundidad es siempre más baja que la del entorno (en condiciones externas de insolación) .
Un purgador de agua ( 8) incorporado en el depósito menor ( 4) , para descargar éste, puesto que está cerrado para permitir la circulación del aire con un sólo impulsor. A medida que se acumula agua en dicho depósito menor (4) ésta se descarga al depósito colector (7), que es quien almacena el agua producida y que debe proporcionar las frigorías necesarias al sistema.
Se calcula el contenido mínimo que debe mantenerse para asegurar esta tarea y el enfriamiento que se debe proporcionar en la noche para que al día siguiente sea capaz de ejercer su labor de condensador. Además sirve de aljibe.
Una base de sustentación (9) o área de instalación, que es el lugar donde se sitúa la planta y que puede ser en tanto en el suelo, como sobre el mar con flotadores -línea discontinua, pudiendo así mismo tratarse del tejado de una vivienda, ya que el peso no es elevado.

Área de recogida (10) de la sal, que en el ejemplo representado se sitúa en la zona central inferior de la estructura pirámide (1), lugar donde cae el agua no vaporizada y la sal, ello debido a que la molécula de ClNa es
más pesada que la del agua.
Así pues, el funcionamiento de la planta es, como ya se ha apuntado anterior, el siguiente:
En primer lugar, el agua de mar (A) a desalar es inyectada a través unos micronebulizadores ( 6) previstos en la parte superior de la columna de condensación (3), aire saturado que se recoge cerca del vértice para dirigirlo a través del conducto columna de condensación a la parte inferior de la carpa de estructura de piramidal (1)
El vértice de dicha estructura piramidal (1) acoge el aire menos denso, que es mayormente aquél que está cargado de humedad, ya que cuanta mayor sea la carga de humedad del aire menos denso será. De aquí toma el aire que transcurrirá por la columna de condensación (3) que lo succiona por su parte superior y lo dirige hacia el depósito menor (4) que es un 'punto frío' y donde se sitúa el depósito colector (7) al que descarga agua mediante el purgador, y las calorías restantes mediante difusión. La condensación en la columna puede seccionarse para recuperar mejor el calor latente de condensación.
En el transcurso del trayecto del agua de mar que se ha de insuflar, ésta ha transcurrido por un tubo vertical dentro de la columna de condensación (3) que transporta contracorriente la mezcla aire-vapor permitiendo la condensación en forma de agua dulce mediante el intercambiador de calor, aire húmedo-agua de mar.

Por su parte, el aire, parcialmente enfriado, así como parte de su carga de agua condensada, llega al depósito
menor ( 4) (punto más frío de todo el proceso) .
En este punto se produce la condensación máxima del agua contenida. El aire vuelve hacia la parte superior donde se va calentando a la vez que favorece la condensación del aire húmedo que circula en sentido contrario durante un tramo, también con intercambiador de calor y de nuevo contracorriente.
Circulando por los tubos el aire (5) llega al punto en que es de nuevo introducido al sistema en la base de la pirámide, que normalmente coincide con la base de sustentación (9) donde podrá colaborar en el secado del resto de agua salada que no se vaporizó al salir por los micronebulizadores (6) se calienta con la radiación solar y vuelve a contribuir a la vaporización del agua cerrando así el circuito del aire.
La invención contempla así mismo la incorporación
de
un sistema de control informatizado (no representado)
de
los
procesos que comprende: controles de caudal de aire y del
agua
nebulizada y régimen de funcionamiento de la
instalación.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba

siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    l.-PLANTA DESALINIZADORA SOLAR DE AGUA DE MAR, SALMUERAS O AGUAS RESIDUALES, caracterizada porque comprende una carpa de estructura con forma piramidal (1) , con una lámina interior oscura y una lámina exterior transparente (2) paralela a la anterior, instalada sobre una base de sustentación (9) anclada al suelo o en flotadores en la superficie del mar, en la que se incorporan medios de vaporización en el vértice de la pirámide con micronebulizadores, medios de captación del aire húmedo por columna de condensación (3) y destilación, y condensación en subsuelo y disipación del calor en depósito menor (4).
  2. 2.-PLANTA DESALINIZADORA SOLAR DE AGUA DE MAR, SALMUERAS O AGUAS RESIDUALES, según la reivindicación 1, caracterizada porque incorpora un sistema de control informatizado de los procesos que comprende controles de caudal de aire y del agua nebulizada y régimen de funcionamiento de la instalación.
  3. 3.-PLANTA DESALINIZADORA SOLAR DE AGUA DE MAR, SALMUERAS O AGUAS RESIDUALES, según la reivindicación 1 y 2, caracterizada porque la columna de condensación (3) está constituida por un tubo central axial a la estructura piramidal (1), a cuyo extremo inferior se acopla un depósito menor ( 4) y unos tubos de aire ( 5) y los micronebulizadores
    (6) en su parte superior.
  4. 4.-PLANTA DESALINIZADORA SOLAR DE AGUA DE MAR, SALMUERAS O AGUAS RESIDUALES, según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque dispone de un depósito colector menor
    (4) de agua dulce producida, dispuesto a cierta profundidad debajo de la columna de condensación (3), que transfiere el agua producida hacia las galerías del depósito colector (7) así como las calorías generadas. Se dispone un purgador de agua (8), para descargar al depósito colector (7)
  5. 5.-PLANTA DESALINIZADORA SOLAR DE AGUA DE MAR, SALMUERAS O AGUAS RESIDUALES, según la reivindicación 4, caracterizada porque el depósito colector (4) está conectado
    10 y en contacto con las galerías del subsuelo para disipación del calor.
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