ES2695774B2 - Sistema autónomo compacto para la producción de agua a partir de la humedad del ambiente a través del uso de líquidos desecantes y fuentes de energía renovables - Google Patents
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Description
D E S C R I P C I Ó N
Sistema autónomo compacto para la producción de agua a partir de la humedad del ambiente a través del uso de líquidos desecantes y fuentes de energía renovables
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema para la producción de agua cuya fuente sea la humedad del propio ambiente, haciendo uso de líquidos desecantes para la extracción del vapor de agua del ambiente. Este sistema pretende ser autónomo desde el punto de vista de necesidades de energía, por lo que se integrará con subsistemas de producción de energía de origen renovable, tanto térmica como fotovoltaica.
Este sistema es aplicable para diferentes aplicaciones en las que sean necesarios equipos de producción de agua autónomos (como en áreas de desastres naturales, localizaciones aisladas,...).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La producción de agua a través de sistemas autónomos tiene gran utilidad en aplicaciones en las que no existe una fuente de energía disponible, como por ejemplo zonas de guerra, de desastres naturales o zonas en las que la densidad de población es muy reducida. Por otro lado, hay también una creciente preocupación por el creciente consumo de energía en las ciudades y por la escasez de agua en determinadas zonas, la combinación de ambos temas hace que se esté evaluando el impacto ambiental de determinadas tecnología para la producción de agua (como la ósmosis inversa) con la finalidad de buscar alternativas que consuman menos energía y que permitan producir agua de forma descentralizada (sobre todo para aplicaciones en las que la calidad del agua no sea excesiva como el riego de zonas verdes).
Actualmente hay sistemas que permiten obtener agua a partir de equipos de frío en los que se hace pasar el aire por un intercambiador de calor que está a una temperatura baja, lo que provoca la condensación del agua en su superficie. Estos sistemas precisan consumir gran cantidad de energía eléctrica para alimentar los equipos de producción de frío.
También es extendido el uso de materiales desecantes (tanto sólidos como líquidos) para el secado de aire, principalmente en aplicaciones para climatización o para eliminar el vapor de agua de corrientes gaseosas. El principal inconveniente de este tipo de sistemas es el escaso rendimiento en la captación del vapor de agua porque es un fenómeno superficial y la superficie de contacto con la tecnología actual es limitada.
Existen algunas patentes en las que se han utilizado materiales desecantes (sólidos o líquidos) para eliminar el vapor de agua de determinados lugares (por ejemplo las invenciones ES2593111T, ES2385044T, US6461413, ES2149937T, ES2058829T, US4407662, US4705543, US4662065, US2005204914 o CN202867262U), todas estas invenciones no tienen como finalidad la producción de agua sino la de eliminar el agua porque puede afectar un determinado proceso o equipo. Este tipo de invenciones no tienen ni la misma finalidad ni usan la misma tecnología pese a que usan materiales desecantes.
Existe una patente, con número US2013319022, en las que la finalidad es obtener agua del aire ambiente, este sistema hace uso de desecantes líquidos pero haciendo uso de bandejas con espumas para favorecer el contacto líquido-aire. Este sistema presenta un bajo rendimiento para la producción de agua ya que la superficie de contacto está limitada, no sólo por la capacidad de mojado de la superficie de la propia espuma, sino que también por la capacidad de penetración del aire por los orificios del sustrato (considerando que habrá sólido y líquido).
Otra patente que hace referencia a la misma aplicación es la de número de referencia US6156102, esta patente describe un método y un equipo que se basa en poner en contacto el líquido desecante con el aire a través de la generación de gotas, en el proceso de contacto se produce la transferencia de masa del aire al desecante. La tecnología que se utilizada para la generación de las gotas es la pulverización a través de una boquilla, con esta técnica las gotas que se obtienen suelen estar por encima de las 100 micras, este aspecto es importante ya que la dependencia de la transferencia de masa con el tamaño de gota es un parámetros crítico, con estos tamaños de gota la transferencia de masa no es tan efectiva y es necesario un elevado volumen de intercambio, lo que redunda en equipos de gran tamaño.
La patente US2016187010 hace también referencia a un sistema para el secado en aplicaciones de climatización. En esta patente sí incorpora el uso de fuentes de energía renovables para cubrir las necesidades de energía en la regeneración. El tipo de tecnología que utiliza para poner en contacto el líquido desecante y la corriente de aire se basa en la pulverización.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema propuesto en la presente solicitud se basa en la integración de varios subsistemas para obtener un sistema autónomo, compacto y eficiente en el consumo de energía. La principal innovación introducida por esta invención radica en la utilización de un subsistema de burbujeo para realizar la transferencia de vapor de agua desde la corriente de aire al desecante. Se describen a continuación los diferentes subsistemas que componen la invención:
Subsistema de burbujeo - El burbujeo es una técnica que permite incrementar la superficie de contacto entre el líquido y el aire, de forma que se incremente así el rendimiento en la obtención de agua. La difusión del vapor de agua en aire es mucho más rápida que su difusión en un líquido (del orden de 100.000 veces más rápido para una gota y una burbuja del mismo tamaño), lo cual viene propiciado por la diferencia en los coeficientes de difusión (el coeficiente de difusión del agua en un líquido desecante es del orden de 2 e-10 m2/s, frente al coeficiente de difusión del vapor de agua en aire, que es de 2 e-5 m2/s. En la práctica esto quiere decir que se pueden generar burbujas relativamente grandes de aire húmedo (del orden de varios milímetros de diámetro), dentro de un volumen de varios centímetros de altura de desecante líquido y el aire alcanzaría el equilibrio con el desecante antes de escapar del volumen de líquido. Como la transferencia de masa es más eficiente, los equipos son más compactos y ocupan menos espacio. El subsistema de burbujeo precisa de un ventilador que impulse el aire a través de unos orificios que generarán las burbujas y vencerán la pérdida de carga debida a la presión capilar, la inercia del líquido al ser desplazado cuando se genera la burbuja y los esfuerzos viscosos.
Durante el proceso de burbujeo el vapor de agua se atrapará en el líquido desecante y se incrementará el % de agua en la mezcla, en consecuencia es necesario recircular esta mezcla con la finalidad de mantener la capacidad de deshumectación.
Subsistema de recirculación - es necesario una serie de bombas de recirculación de líquido que tomen la mezcla de líquido desecante y agua para circularla a los diferentes subsistemas.
Subsistema de regeneración - este subsistema es el que se encarga de separar de nuevo el agua del desecante, para ello es necesario aportar energía al subsistema, en este caso en concreto se utilizarán fuentes de energía renovables para alimentar el subsistema de regeneración. El sistema propuesto es el de colectores solares de concentración basados en tubos de vacío con contacto directo, que permiten obtener temperaturas de operación en torno a los 100°C y permitirán reducir el tiempo de contacto para separar el agua del desecante en la corriente de entrada.
La corriente de desecante pobre en agua será circulada al subsistema de acondicionamiento del líquido desecante en donde el vapor de agua será extraído por la parte superior para obtener el agua en el subsistema de condensación.
Subsistema de acondicionamiento de líquido desecante - este subsistema se encarga de reducir la temperatura del líquido desecante para que el proceso de adsorción en el subsistema de burbujeo sea lo más eficiente posible. El subsistema estará formado por dos etapas:
• Etapa 1 - se realizará a través de un intercambiador de calor desecante-aire en el que
se hará circular la corriente de aire a la salida del subsistema de burbujeo para reducir la temperatura del líquido por un lado y por otro para incrementar la temperatura del aire seco para que pueda ser utilizado como fuente de aire caliente y seco.
• Etapa 2 - se realizará a través de un intercambiador de calor desecante-aire en el que se
hará circular aire ambiente a través de un serpentín por el que circula el líquido desecante a la salida de la etapa 1 para reducir la temperatura a un nivel próximo a la temperatura ambiente.
Subsistema de condensación de agua - el subsistema toma el vapor de agua a la salida del subsistema de regeneración y condensa el fluido para generar agua. El proceso de condensación se realizará en dos etapas:
• Etapa 1 - se realizará esta etapa a través de un intercambiador de carcasa-tubo en el
que la mezcla agua y desecante a la salida del subsistema de burbujeo es utilizado como foco frío para, por un lado para incrementar la temperatura del desecante antes de regenerarlo, y por otro lado para condensar parte del vapor de agua.
• Etapa 2 - se realizará a través de un intercambiador de calor con el terreno (geotermia),
de forma que el suelo actúa como foco frío y se cede el calor al terreno, el vapor de agua a la entrada es condensado en agua que es recogido por un depósito.
Subsistema de generación fotovoltaica - los subsistemas que consumen energía eléctrica (electrónica de control, bombas y ventiladores) serán alimentados por una instalación de generación de energía eléctrica fotovoltaica para garantizar la autonomía del sistema global.
Aunque la finalidad de la invención propuesta coincide con las de patentes ya existentes, la técnica empleada tanto para la adsorción del agua como para la regeneración son diferentes. Por otro lado, el sistema propuesto pretende ser un sistema autónomo, para ello, las necesidades energéticas del proceso serán cubiertas por fuentes de energía renovables: solar térmica y solar fotovoltaica.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con la finalidad de completar la descripción de la invención que se presenta, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra el esquema general del sistema objeto de la presente invención, en este esquema se pueden observar los componentes principales que forman el sistema completo y los flujos de material que se dan en el proceso.
La figura 2 muestra el detalle del subsistema de burbujeo, en esta figura se puede apreciar, por un lado, los deflectores para convertir la corriente de aire horizontal y vertical (de forma que se facilite un reparto homogéneo y se reduzca la pérdida de carga) y por otro lado, los orificios que permiten realizar el burbujeo del aire en el interior del reservorio de líquido desecante.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
El sistema toma el aire exterior (1) y es impulsado a través de un subsistema de burbujeo (102) en el que se provoca el contacto entre el líquido desecante y el aire que se tiene que secar.
El subsistema de burbujeo precisa de un ventilador (101) que impulse el aire a través de los orificios que generarán las burbujas y vencerán la pérdida de carga debida a la presión capilar, la inercia del líquido al ser desplazado cuando se genera la burbuja y los esfuerzos viscosos. La figura 2 muestra el detalle del subsistema de burbujeo, en esta figura se muestra el subsistema de distribución de aire a través de una pluralidad de láminas (201) que convierten una corriente horizontal en una corriente vertical, y los orificios sobre la placa superior (202) que provocan la generación de burbujas de aire en el interior del líquido desecante. Es durante esta parte del proceso en la que se produce la transferencia de masa de vapor de agua al líquido desecante, incrementando así el % de agua en la mezcla. Si el líquido desecante no se recirculara, llegaría un momento en el que se saturaría el desecante líquido y dejaría de retener vapor de agua del aire. Es necesario pues recircular la mezcla con la finalidad de mantener la capacidad de deshumectación en unos valores aceptables.
El líquido desecante es impulsado con una bomba (103) que toma el desecante líquido de la cámara en las condiciones (11) a la salida (12) del subsistema de burbujeo (102) y lo impulsa a la primera etapa del subsistema de condensación de agua (104). En esta etapa se produce el calentamiento de la mezcla desecante-agua desde las condiciones de salida (112) de la bomba (103), este calentamiento hace que la cantidad de energía necesaria en el subsistema de regeneración (105) sea menor. El subsistema de regeneración (105) es el
que se encarga de separar de nuevo el agua del desecante, para ello es necesario aportar energía al sistema, para ello se utilizarán fuentes de energía renovables para alimentar el subsistema de regeneración, la cantidad de energía necesaria se invertirá en incrementar la temperatura de la mezcla hasta la temperatura de evaporación del agua y en el propio proceso de evaporación. Mediante el empleo de subsistemas de generación fotovoltaica, tales como colectores solares de concentración se permite obtener temperaturas de operación en torno a los 100°C y reducir el tiempo de contacto para separar el agua del desecante en la corriente de entrada (13) hacia el subsistema de regeneración (105). El vapor de agua (21) generado en el subsistema de regeneración (105) será extraído por la parte superior para obtener el agua en el subsistema de condensación (104), así como en un segundo subsistema de condensación (106).
Por otro lado, a través de un subsistema de recirculación materializado en una bomba (108) se toma el líquido desecante de los colectores del subsistema de regeneración (105) en unas condiciones (14), siendo impulsado a través de los subsistemas de acondicionamiento de líquido desecante (109 y 110) para obtener un líquido desecante (17) en unas condiciones de baja concentración de agua y a la temperatura próxima al ambiente. El objetivo del subsistema de acondicionamiento de líquido desecante es reducir la temperatura del líquido desecante para que el proceso de adsorción en el subsistema de burbujeo sea lo más eficiente posible. El subsistema estará formado por dos etapas:
• Etapa 1- El subsistema de acondicionamiento de líquido desecante (110) se materializará en un intercambiador de calor, desecante de aire en el que se hará circular la corriente de aire a la salida (2) del subsistema de burbujeo (102) para reducir la temperatura a la salida (15) del líquido por un lado y por otro para incrementar la temperatura del aire seco para que pueda ser utilizado en aplicaciones de secado como fuente de aire caliente y seco (3). El aire a la salida del deshumidificador será circulado a través de ventiladores axiales.
• Etapa 2 - El subsistema de acondicionamiento de líquido desecante (109) se materializará en un intercambiador de calor desecante de aire en el que se hará circular aire ambiente a través de un serpentín por el que circula el líquido desecante a la salida (15) de la etapa 1 para reducir la temperatura a un nivel próximo a la
temperatura ambiente (16). El aire ambiente será circulado a través de ventiladores axiales.
Finalmente, el vapor de agua (21) generado en el subsistema de regeneración (105) debe ser condensado para generar agua. El proceso de condensación se realizará en dos etapas:
• Etapa 1 - El subsistema de condensación de agua (104) se materializará en un intercambiador de carcasa-tubo en el que la mezcla agua y desecante a la salida (12) del subsistema de burbujeo (102) es utilizado como foco frío para, por un lado para incrementar la temperatura del desecante antes de entrar en el subsistema de regeneración (105), y por otro lado para condensar parte del vapor de agua (23) a la salida del subsistema de condensación de agua (104).
• Etapa 2 - se realizará a través de un intercambiador de calor con el terreno (geotermia), en que se materializa el segundo subsistema de condensación de agua (106) de forma que el suelo actúa como foco frío y se cede el calor al terreno, el vapor de agua a la entrada (22) de este segundo subsistema de condensación de agua (106) es condensado en agua (24) que es recogido por un depósito (107).
Habrá también un subsistema estándar de generación de energía eléctrica fotovoltaica compuesto por paneles solares, inversor y baterías para alimentar los siguientes equipos de consumo: bombas, ventiladores y sistema de control.
Claims (4)
1a.- Sistema autónomo compacto para la producción de agua a partir de la humedad del ambiente a través del uso de líquidos desecantes y fuentes de energías renovables, que siendo del tipo de los que se basan en el uso de líquidos desecantes, de manera que a través de un subsistema de impulsión del aire húmedo y un subsistema de recirculación del líquido desecante el aire se hace entrar en contacto con el líquido desecante, contando con un subsistema de regeneración del líquido desecante para la separación del agua del desecante, un subsistema de condensación para la producción de agua; y un subsistema de acondicionamiento del líquido desecante caracterizado por que incluye un subsistema de burbujeo (102) de aire en el seno del líquido desecante, en el que participa un ventilador (101) que genera un flujo de aire que es redirigido a través de una serie de lamas (201) de distribución uniforme del aire sobre el baño de líquido a través de una placa superior (202) sobre la que se disponen una serie de agujeros de generación de burbujas de aire en torno a 1 mm de diámetro que viajan a través de un baño del líquido desecante, contando el sistema con fuentes de energía renovables como medios de separación del agua del desecante.
2a.- Sistema autónomo compacto para la producción de agua a partir de la humedad del ambiente a través del uso de líquidos desecantes y fuentes de energías renovables, según reivindicación 1a, en donde el subsistema de regeneración se materializan en un equipo de regeneración basado en colectores solares de tubos de vacío con contacto directo.
3a.- Sistema autónomo compacto para la producción de agua a partir de la humedad del ambiente a través del uso de líquidos desecantes y fuentes de energías renovables, según reivindicación 1a, en donde el subsistema de condensación del agua se distribuye en dos etapas, una primera etapa en la que se materializan en un intercambiador de carcasa-tubo en el que la mezcla agua y desecante a la salida del subsistema de burbujeo (102) es utilizado como foco frío, y una segunda etapa, en la que se materializan en un intercambiador de calor con el terreno a cuya salida se establece un depósito (107) de recogida del agua condensada.
4a.- Sistema autónomo compacto para la producción de agua a partir de la humedad del ambiente a través del uso de líquidos desecantes y fuentes de energías renovables, según
reivindicación 1a en donde el sistema incluye medios de generación de energía fotovoltaica para alimentar de forma autónoma a los subsistema que participan en el sistema.
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