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Cálculo y diseño de un destilador solar para la producción de Pisco
Gonzalo Chávez Oblitas
Alex Ventura Luis
CÁLCULO Y DISEÑO
DE UN DESTILADOR
SOLAR PARA LA PRODUCCIÓN
DE PISCO
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Gonzalo Chávez Oblitas &Alex Ventura Luis
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0457
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.
Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.
Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.
Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos
de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.
Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
1
“CALCULO Y DISEÑO DE UN DESTILADOR SOLAR PARA LA
PRODUCCION DE PISCO”
(Autores: M Sc. Gonzalo Chávez Oblitas;
Bach. Alex Ventura Luis)
Institución: Universidad Nacional de San
Agustín
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación,
titulado “CALCULO Y DISEÑO DE UN
DESTILADOR SOLAR PARA LA
PRODUCCION DE PISCO” se da a conocer
la importancia de la energía solar, como
fuente alternativa de energía en la actualidad
y así evitar el uso de combustibles fósiles,
como el petróleo. La energía solar es una
alternativa en muchos lugares del mundo,
este trabajo se desarrolla con datos de
radiación solar en la zona sur del Perú, los
altos índices de radiación y la cantidad de
días soleados al año, hacen que este
proyecto sea técnicamente factible, se ha
tenido que fabricar un modelo de destilador
solar a escala para las pruebas en esta zona
privilegiada en el mundo y se debe
realizar este tipo de proyectos y estudios
para demostrar que el proceso tradicional
peruano de elaborar el Pisco en las
legendarias Falcas, se lo puede reemplazar
con el uso de la energía solar.
Se determina el modelo más adecuado y
eficiente para el propósito de elaborar 100
litros de Pisco al día de alta concentración.
Se calcula el área de concentradores solares
y se diseña la planta, que estará ubicada en
la localidad de Majes ,Arequipa, Perú.
Se analiza la factibilidad económica
encontrando un alto costo de inversión
inicial con una planta solar, pero también
se demuestra que el periodo de
recuperación de esta inversión es
relativamente corto de acuerdo al tiempo de
vida del proyecto.
Por último, se analiza la importancia de este
tipo de proyectos para atenuar el cambio
climático actual, ocasionado por el efecto
invernadero, se dejara de producir una
cantidad de Ton de CO2, con el proceso
convencional de quemar petróleo por usar
la energía limpia del sol.
1.- ANTECEDENTES.-
Cada vez la aplicación de la energía solar
es más amplia en el mundo, en nuestra
región se tiene una de las radiaciones
solares más altas a nivel mundial, así
mismo la necesidad de energía para la
elaboración de variados productos
agroindustriales a veces es limitante por
los altos costos de los combustibles,
sobre todo los hidrocarburos líquidos
como el petróleo o kerosene, que hacen
no competentes a nuestros productos por
sus altos costos de producción.
La energía eléctrica es costosa para
aplicaciones industriales, dado que los
costos operativos en nuestras centrales
térmicas de la región llegan a valores
entre 90 a 120 $/MW-h, esto se traduce
2
en las altas tarifas de la E.E. para el
sector industrial.
Existen diversas experiencias aisladas en
la aplicación de la energía solar para fines
de destilación, algunas exitosas y
sostenibles, se han desarrollado
diferentes modelos físicos para lograr el
objetivo del presente trabajo.
2.- NECESIDAD.-
La producción de Pisco, licor tradicional
peruano que se realiza a partir del mosto
de la uva, por un proceso de destilación,
está en aumento, habiendo más de 500
fabricantes en la zona sur del Perú. El
grado de competitividad es cada vez
mayor y la necesidad de bajar los costos
de producción así como mejorar la calidad
es una preocupación del productor.
El proceso mayormente usado es por
destilación, en alambiques o falcas de
cobre, usando energéticos como el
petróleo, GLP y kerosene para procesos
industriales y carbón o leña para procesos
artesanales, los primeros tienen un alto
costo y contribuyen con el efecto
invernadero y el cambio climático
FIG 1.- PROCESO TRADICIONAL
3.- JUSTIFICACION DE INVESTIGAR.-
- Se justifica la investigación por
realizarse para fines industriales de
producción, con una capacidad de
producción entre 90 a 100 litros/día
de producto.
- El desarrollo de las energías
renovables en nuestra región, esta
aplicación se proyecta para la
localidad de Majes, lugar de
producción de la materia prima,
donde se registra un buen nivel de
radiación solar durante el año.
- Debe lograrse un modelo físico
eficiente y con materiales resistentes
a las condiciones ambientales de la
zona y con características sanitarias.
- La producción de Pisco aumenta
considerablemente cada año.
CUADRO 1.- PRODUCCION DE PISCO EN
Año
Volumen (Millones
de Litros)
2000 1.64
2001 1.83
2002 1.5
2003 2.36
2004 2.9
2005 3.96
2006 5.00
2007 6.13
2008 6.59
2009 6.67
3
EL PERU (PRODUCE)
CUADRO 2.- ENERGIA SOLAR POR DEPARTAMENTO
FIG. 2.- MAPA SOLAR PERUANO
4.- OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION.- 4,1.- OBJETIVO PRINCIPAL.-
Obtener un diseño eficiente de
destilador de capacidad industrial,
que use la energía solar como
fuente de energía.
4,2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS.-
- Usar las energías renovables
para reemplazar la combustión
de los combustibles fósiles.
- Desarrollar la innovación
tecnológica y competitividad entre los
productores.
- Reducir los costos de fabricación de
productos como el pisco para fines de
comercialización y exportación.
- Desarrollar la industria de
maquinaria agroindustrial para
dar el valor agregado a nuestras
materias primas
5.- HIPOTESIS DE LA INVESTIGACION.-
La aplicación de un destilador solar
con un diseño adecuado, reducirá
los costos de producción del Pisco.
6.- ALTERNATIVAS DE DISEÑO
6,1.- DESTILADOR SOLAR TIPO INVERNADERO-
Este es un modelo de destilador solar de
gran tamaño. Se trata de estructuras de
invernaderos que en su interior
4
albergan un estanque de agua de poca
profundidad y con el fondo de color
negro. El agua evaporada se condensa
en las paredes del invernadero y se
desliza hacia los receptáculos situados
en la base de las paredes. En esencia
es el mismo modelo que el destilador
solar de dos vertientes pero de grandes
proporciones.
FIG.3.- DESTILADOR INVERNADERO
6.2.- DESTILADOR SOLAR DE CASCADA-
Modelo de destilador en forma de
terrazas. En la parte superior de cada
una de las terrazas se disponen los
estanques con fondo de color negro
llenos de agua para destilar. Cuando la
radiación solar incide en el destilador
comienza la evaporación. El agua en
estado gaseoso se condensa en una
superficie transparente dispuesta de
forma inclinada sobre las terrazas y se
desliza hacia el receptáculo situado en
la parte baja del destilador.
El nombre de cascada le viene dado
por los momentos en los que se
repone agua para destilar o en los que
se efectúan labores de limpieza. En
estos procesos se deja correr el agua
desde una cañería en la parte superior
provocando el efecto cascada
conforme esta se desliza por las
terrazas. En la base del destilador hay
un desagüe para recoger la salmuera o
otros residuos dejados por el agua al
evaporarse.
FIG. 4.- DESTILADOR EN CASCADA
6,3.- DESTILADOR SOLAR ESFÉRICO DE BARREDERA-
La particularidad de este modelo se
basa en la forma esférica del material
transparente así como en la
introducción de una barredera que
lame su cara interna y que está
accionada por un pequeño motor. En
una bandeja con fondo de color oscuro
situada en la parte central de la esfera
se coloca el agua a destilar.
Este modelo tiene forma esférica
buscándose favorecer la captación
solar al evitarse las sombras que
alguna parte del destilador pueda
5
provocar en otra. Además la forma
esférica logra mantener una mayor
inercia térmica facilitando un mayor
aprovechamiento del calor producido
por la energía solar.
Por su parte la barredera arrastra las
pequeñas gotas que se van formando
en el interior de la esfera juntándolas y
provocando que se precipiten por
gravedad a la parte baja donde se
acumulan. Con el sistema de
barredera se evita que las gotas
reflejen la radiación solar y se permite
que el agua en estado gaseoso se
condense con mayor facilidad en las
paredes. Estos factores aumentan el
rendimiento del equipo si bien como
contrapartida se tiene que es
necesario suministrarle energía
eléctrica para hacer posible el
movimiento de la barredera.
FIG. 5.- DESTILADOR ESFERICO
6,4.- ALTERNATIVA MÁS CONVENIENTE.-
DESTILADOR TIPO INVERNADERO.-
- Diseño sencillo y de buena eficiencia
- Diseño económico para la ejecución y de fácil operación. - Requiere un área considerable para el proyecto, que se la dispone.
7.- CALCULO DEL DESTILADOR.- 7,1.- PARAMETROS INICIALES.-
PARAMETRO CANTIDAD
CAPACIDAD 100 Litros/día
AREA DISPON. 2 000 m2
RADIACION (p/a) 6 Kw-h/m2
TEMP. EVAPOR. 76 ° C
EFICIENCIA DEST. 30 %
Cp PICSO (Etanol) 2,2 kJ/kg K
TEMP. AMBIENTE 20 ° C
NUMERO DE HORAS 6 (9 a 15)
AREA COLECTOR 9,00 m2
7,2.- PARAMETROS A DETERMINAR.-
PARAMETRO CANTIDAD
PORCENT. EVAPORAD ? litros
CANT. DE MOSTO ? litros
AREA DE COLECTOR ? m2
NUMEROS DE COLECT ? unds
7,3.- PORCENTAJE DE EVAPORADO.
Para determinar el porcentaje de
evaporado se tuvo que realizar
experiencias de laboratorio con un
modelo físico de evaporador
fabricado a escala.
Por datos de experiencia en otros
lugares este valor está entre 4 a
8%
6
7,4.- DETERMINACION EXPERIMENTAL DEL PORCENTAJE DE EVAPORACION.-
Se realizaron tres pruebas en
diferentes fechas, logrando un
promedio de 6% de evaporación, con
una película de tres cm. en el
concentrador. (Ver protocolo de pruebas en anexo)
7,5.- DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE MOSTO PARA EL PROCESO.-
De acuerdo a las experiencias
realizadas se obtiene 120 ml de licor a
partir de 2 litros de mosto en el modelo
para obtener los 100 litros de producto
se requerirán de:
X = Cantidad de mosto para evaporar
100 litros de Pisco.
7,6.- AREA DEL COLECTOR POR CAPACIDAD.-
7,7.- NUMERO DE COLECTORES.-
Cada colector propuesto es de 9 m2,
por lo tanto el numero de colectores
será:
Se consideran 7 colectores de 9 m2 cada
uno.
7,8.- CANTIDAD DE ENERGÍA REQUERIDA PARA EL PROCESO.-
E = Energía en kJ
m = masa en kg
Cp = Coeficiente de calor especifico
Δt = Variación de la temperatura
7,9.- AREA DEL COLECTOR SOLAR POR ENERGIA.-
A = Área de colector en m2
E = Energía requerida en kJ
R = Radiación promedio 6 kW-h/día
n = Eficiencia 0,30 (Asumido por
experiencias publicadas)
7
Se considera el Área por capacidad.
CONCLUSION: Por la disposición en planta se corrige a:
Numero de colectores: 8
Área de cada colector: 8 m2
Área del colector: 64 m2
8.- DISEÑO DEL DESTILADOR.- 8,1.- CONSIDERACIONES.-
- Material de fabricación acero
inoxidable 304-2B
- Área efectiva de 8 m2
- Acabado sanitario, pulido.
- Aislante térmico de poliuretano
- Vidrio de 4 mm. a dos aguas
- Drenaje sanitario
FIG. 6.- SECCION DEL DESTILADOR
FIG.7.- SECCION DEL COLECTOR
FIG.8.- DISPOSICION EN PLANTA (1 500 m2)
9.- COSTO DEL ENERGETICO EQUIVALENTE.- Normalmente los alambiques o las Falcas
usan:
- Petróleo D2
- GLP
- Energía eléctrica
Con cualquiera de estos energéticos
tenemos que lograr 204 512 kJ
9,1.- COSTO CON PETROLEO D2.-
8
C = Cantidad de petróleo D2
E = Energía necesaria kJ
PC = Poder calorífico del combustible.
Costo del Petróleo D2 = 4,20 $/gl
COSTOpetroleo = 18,50 $/día
COSTOpetroleo = 554 $/mes
9,2.- COSTO CON GLP.-
Costo del kg de GLP = 1,4 $
COSTOglp = 5,2 * 1,4
COSTO glp = 7,3 $/dia
COSTOglp = 220 $/mes
9,3.- COSTO CON E.E..-
ENERGIA (kW) = E (Kj)/28800 s
ENERGIA (kW) = 7,10 kW
1 Kw-h = 0,3 $
COSTOee = 7,10 * 8 * 0,3
COSTOee = 17 $/día
COSTOee = 510 $/mes
RESUMEN:
RECURSO COSTO OP.
$/mes
Petróleo D2 554,00
GLP 220,00
E.E. 510,00
Energ. Solar 00,00
10.- EVALUACION ECONOMICA.- El tiempo de recuperación de la inversión
T.R.I. = ?
Costo de alambique a GLP = $ 15 000
Ahorro neto mensual: $ 220,00
El costo de fabricación de los ocho
colectores con la instalación de los
tanques para el mosto y recepción del
Pisco en acero inoxidable, sin considerar
obras civiles asciende a la suma de
$ 34 000,00
Resulta 19 000 dólares más caro, esta
inversión se recupera en:
T.R.I = 19 000/ 220 = 87 meses.
T.R.I = 7 años
9
FIG. 9.- ALAMBIQUE A GAS 11.- IMPACTO AMBIENTAL DEL PROYECTO.-
La Energía Solar Térmica tiene dos
grandes ventajas ambientales en
comparación con otras energías no
renovables.
• Emplea un recurso inagotable: la
radiación solar.
• Su impacto sobre el medio
ambiente es mínimo. Los posibles
impactos medioambientales en la fase
de instalación no tienen un carácter
permanente, y desaparecen en la fase
de explotación.
• No emite gases contaminantes a la
atmósfera, ni gases de efecto
invernadero. Un elemento favorable de
la energía solar térmica es que su
aplicación suele tener lugar en el
entorno urbano, en donde la
concentración de contaminantes
atmosféricos es más elevada.
• No afecta a la calidad de las aguas ni
al suelo. No produce ruidos molestos.
• El principal impacto de los sistemas
solares térmicos sobre el medio físico es
el efecto visual sobre el paisaje, por lo
que se ha de poner especial atención
en su integración cuidadosa en el
entorno, así como en su adaptación a
los edificios.
• No existen efectos negativos sobre
flora y fauna, aunque sí se ha de prestar
especial atención en aquellas
instalaciones que ocupen una gran
extensión de terreno
12.- CONCLUSIONES.-
1.- Se ha logrado un diseño adecuado de
destiladores solares para la elaboración de
Pisco en la localidad de Majes.
2.- Si bien el costo de inversión es alto, el
tiempo de recuperación de la inversión es
de siete años, periodo relativamente corto
según la vida de 20 años del proyecto.
3.- Con este proyecto de innovación
tecnológica y uso de la energía solar
térmica para fines agroindustriales, se
muestra al empresario que esta
tecnología que ha dado resultado en otros
países como España y Chile también resulta
en el sur peruano por la alta radiación con la
que contamos.
4.- Se debe tomar conciencia del cambio
climático y los perjuicios que esto puede
traer para el mundo, sino desarrollamos
10
estos proyectos que son una alternativa
limpia y económica para muchos sectores
BIBLIOGRAFIA
ENERGIA SOLAR TERMICA…… Cámara
de Comercio de Madrid – 2010
DESTILACION INDUSTRIAL ……Revista
industrial volumen 4 México.
QUÍMICA INDUSTRIAL ORGÁNICA por
Silvia Álvarez Blanco 2005 Madrid España
Estadísticas del MINISTERIO DE AGRICULTURA – Perú 2009