PRIMEIROS RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO SECADOR SOLAR PASSIVO PARA PRODUÇÃO DE SAL E TRATAMENTO DE EFLUENTE DE DESSALINIZAÇÃO

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1 PRIMEIROS RESULTADOS EXPERIMENTAIS DO SECADOR SOLAR PASSIVO PARA PRODUÇÃO DE SAL E TRATAMENTO DE EFLUENTE DE DESSALINIZAÇÃO Collares-Pereira M. *, Mendes J. F. *, Horta P. * * Departamento de Energias Renováveis, INETI Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inovação, Estrada do Paço do Lumiar, Lisboa, , Portugal, Tel , Fax , collares.pereira@ineti.pt RESUMO A dessalinização apresenta-se hoje como uma importante resposta à crescente escassez de água potável à escala mundial. O projecto AQUASOL (AQUASOL, 1), cuja fase de investigação se encontra em conclusão, apresenta-se como uma nova tentativa do aproveitamento da energia solar neste contexto. No âmbito do projecto, encontra-se em estudo um secador solar passivo para concentração de salmoura e produção de sal, a partir do efluente do processo de dessalinização, levando à introdução de mais-valias e à melhoria do desempenho económico do processo. A partir de um modelo numérico para a evaporação de água numa salina, encontra-se em desenvolvimento e validação um novo modelo numérico para simulação da operação anual do secador, validação que será realizada com base nas medições obtidas para a operação de um protótipo preliminar. PALAVRAS CHAVE: Dessalinização, Energia Solar, Secagem, Efluente ABSTRACT Water desalination is an important idea to alleviate potable water scarcity all around the World. The ongoing AQUASOL project (AQUASL, 1) is one more attempt at putting solar energy to use in this context. Within this project, an advanced solar dryer is being studied, allowing for brine concentration and/or ultimate salt recovery from the MED brine effluent, adding environmental and economic benefits to the desalination process. After a numerical model for brine evaporation in a Traditional Saltworks, a new model is under development, allowing simulation of year-round dryer operation. Validation of the developed model is undergoing after the operation results under monitoring on a preliminary prototype. KEYWORDS: Desalination, Solar Energy, Drying, Effluent

2 INTRODUÇÃO A crescente exploração dos recursos aquíferos em décadas recentes, tem resultado em situações de stress hídrico ou escassez de água em muitas regiões europeias e mesmo à escala mundial. Frequentemente este problema surge em regiões onde se verifica uma abundância de recursos de água marinha e de energia solar, podendo a exploração destes recursos num processo de dessalinização traduzir-se numa solução sustentável, a médio prazo. Dada a proximidade, nestas zonas, de ecossistemas marinhos sensíveis, especial atenção deve ser dada à rejeição do efluente do processo de dessalinização. Tendo em conta estes argumentos, o projecto AQUASOL (AQUASOL, 1) em curso tem como objectivo o desenvolvimento de um processo de dessalinização MED de baixo custo, fazendo uso da energia solar não só na destilação mas também no tratamento do efluente do processo, gerando expectativas quanto a uma maior competitividade do processo MED com a tecnologia de Osmose Inversa. No presente artigo é abordado o tratamento do efluente do processo de dessalinização. Após desenvolvimento de uma nova concepção para um secador solar passivo, baseado no estudo de um modelo numérico para simulação da operação do secador, foi construído e testado um protótipo preliminar, permitindo a observação dos resultados de evaporação e o estudo de diferentes estratégias de optimização, para além da validação do modelo. O artigo encontra-se organizado do seguinte modo: descrição das alterações introduzidas no protótipo; resultados obtidos na monitorização do protótipo; análise aos resultados obtidos; análise dos resultados obtidos por simulação com o modelo numérico e conclusões do estado actual dos trabalhos. ALTERAÇÕES AO PROTÓTIPO PRELIMINAR Após análise dos resultados obtidos com a operação do protótipo inicial, apresentados em (Collares-Pereira, 4), concluiu-se pela necessidade de redução da altura do canal de evaporação, promovendo um regime de maiores velocidades do escoamento de ar na interface salmoura-ar, tendo-se rebaixado todo o canal para uma altura constante de 3 mm ao solo, como ilustrado na figura 1. Fig. 1. Protótipo preliminar após rebaixamento do canal de evaporação

3 A observação de baixíssimas velocidades do escoamento de ar na chaminé (resultado apresentado no capítulo seguinte), na operação do protótipo rebaixado, indiciaram a presença de um grande constrangimento ao escoamento no interior do canal, nomeadamente o estrangulamento excessivo provocado pelo último arco do canal de evaporação, antes da subida para a chaminé solar, ilustrado na figura. Introduziu-se, deste modo, uma nova alteração ao protótipo preliminar, recuperando o último arco do canal de evaporação do protótipo preliminar, com uma altura ao solo de 14 mm, procurando uma redução do estrangulamento do escoamento e consequente diminuição da perda de carga, promovendo maiores velocidades. Fig.. Arco do canal de evaporação na transição para a chaminé solar no protótipo preliminar rebaixado Fig. 3. Configuração final do protótipo preliminar, com último arco do canal de evaporação elevado RESULTADOS OBTIDOS NA MONITORIZAÇÃO DO PROTÓTIPO A monitorização das três evoluções do protótipo preliminar de secador solar passivo - o 1º protótipo com todo o canal de evaporação elevado; o º protótipo com todo o canal de evaporação rebaixado; o 3º protótipo com o último arco do canal de evaporação elevado - foram realizadas, para o 1º, entre 13 de Fevereiro e 19 de Março, ao longo de 4 dias, para o º entre 16 de Abril e 1 de Maio ao longo de 14 dias e para o 3º ente 4 e 31 de Maio, ao longo de 3 dias, tendo-se contabilizado apenas dias completos de monitorização. A necessidade de comparar dados registados em períodos de operação com diferentes condições climáticas, levou à adopção de um parâmetro indicador da força motriz do escoamento, traduzindo não só a influência da irradiação, através do aquecimento do ar e da salmoura resultando num gradiente de densidade do ar, mas também a influência do escoamento exterior, traduzida num diferencial de pressões estática e dinâmica entre a entrada no canal de evaporação e a saída da chaminé solar. A contabilização deste parâmetro decorre da aplicação da expressão: P df = 1 [ ] ( ρ ρ ) gh + ρ u ( a) + ρ u ( a) u ( b) in out in inlet 1 in ext ext [Pa] (1)

4 onde in e out se refere às condições do ar à entrada do secador e à saída da chaminé, inlet e ext se refere às condições de velocidade do escoamento na entrada do secador e no exterior, respectivamente, e (a) e (b) se refere à cota a que é tomada a velocidade do escoamento exterior, do canal de evaporação ou do topo da chaminé solar, respectivamente. A contabilização da evaporação de salmoura acumulada bem como da força motriz, calculada de acordo com a Eq.(1), está de acordo com o gráfico da figura 4: [mm] [kpa.s] 13-Fev-4 8-Fev-4 14-Mar-4 9-Mar-4 13-Abr-4 8-Abr-4 13-Mai-4 8-Mai-4 1º Prot. evap.acum. º Prot. evap.acum. 3º Prot. evap.acum. 1º Prot. f.mot.acum. º Prot. f.mot.acum. 3º Prot. f.mot.acum. Fig.4. Resultados de evaporação e força motriz acumulados nos períodos de monitorização das diferentes evoluções do protótipo ANÁLISE RESULTADOS DE MONITORIZAÇÃO OBTIDOS Analisando as velocidades de escoamento registadas na chaminé solar em função da força motriz do escoamento, calculada de acordo com a Eq.(1), pode verificar-se o impacto das alterações efectuadas na configuração do canal de evaporação. [m/s] [Pa] 1º Protótipo º Protótipo 3º Protótipo Fig. 5. Velocidade do escoamento na chaminé solar em função da força motriz instantânea nas diferentes evoluções do protótipo [mm/kpa.s] Factor Evaporação/Força Motriz º Protótipo.17 º Protótipo.1 3º Prototipo Fig. 6. Comparação de resultados de evaporação nas diferentes evoluções do protótipo

5 Na figura 5 pode observar-se o grande aumento de perda de carga do 1º para o º protótipo e a diminuição da mesma para um regime semelhante ao inicial, para o 3º protótipo, sendo que a evolução do escoamento interior no secador solar passivo, parâmetro crítico da evaporação, está intimamente relacionado com o formato do canal de evaporação e com a perda de carga associada. Os resultados de evaporação avaliados em função da força motriz estão de acordo com o gráfico da figura 6, donde resulta uma clara melhoria dos resultados de evaporação obtidos com a introdução de alterações ao protótipo. ANÁLISE RESULTADOS DE SIMULAÇÃO NUMÉRICA As evoluções introduzidas no protótipo, entre a versão inicial e a versão actual, traduziramse numa alteração ao modelo numérico no que toca ao cálculo das perdas de carga. Assim, e seguindo os resultados obtidos para as velocidades de escoamento registadas na chaminé solar em função da força motriz do escoamento, de acordo com a figura 4.1, o cálculo da velocidade na chaminé passou a ser realizado, em função do cálculo da força motriz instantânea, pela seguinte expressão: U chim =.8 + DF.4 [m/s] () onde U chim representa a velocidade média do escoamento na chaminé solar e DF a força motriz instantânea, em Pa, calculada de acordo com a Eq.(1). Os resultados obtidos na simulação de operação do secador solar passivo no período de observação da última evolução do protótipo (canal de evaporação rebaixado com último arco elevado) estão de acordo com a figura 7, tendo sido utilizado, no cálculo da velocidade do escoamento no canal de evaporação, uma posição no perfil de velocidades 3 mm acima da superfície da salmoura, de acordo com (Collares-Pereira, 4). Evaporação acumulada 1 8 [mm] Mai-4 7-Mai-4 1-Mai- 13-Mai- 16-Mai- 19-Mai- -Mai- 5-Mai- 8-Mai- 31-Mai- simulação observação Fig. 7. Resultados de evaporação observados e simulados na operação do 3º protótipo

6 A extrapolação destes resultados numa simulação anual de operação do secador solar está de acordo com o gráfico da figura 8: Volume de efluente à concentração final [m 3 ] Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 3º Protótipo Salina Tradicional Fig. 8. Resultados de operação anual do secador solar passivo e de uma salina tradicional simulação de acordo com o modelo numérico desenvolvido concluindo-se por uma melhoria da evaporação em três vezes face a uma salina tradicional. CONCLUSÕES As alterações introduzidas no protótipo, rebaixando o canal de evaporação à excepção do último arco, traduziram-se num melhor desempenho, tendo aumentado os resultados obtidos para a evaporação da salmoura. A actualização destas alterações no modelo numérico, nomeadamente quanto ao módulo de cálculo de perdas de carga, traduziu-se em resultados de simulação muito próximos dos resultados observados na operação da última evolução do protótipo, o que parece validar, para já, o modelo numérico desenvolvido. A extrapolação dos resultados apresentados para uma simulação anual, traduz-se num resultado final que melhora os resultados previstos para a versão inicial do protótipo preliminar, que duplicava o volume de salmoura evaporado face a uma salina tradicional. REFERÊNCIAS Projecto AQUASOL Enhanced Zero Discharge Seawater Desalination using Hybrid Solar Technology ; Ctr. Nr. EVK1-CT1-1C; Project Consortium: CIEMAT-PSA (Sp), INABENSA (Sp), AO SOL (Por), NTUA (Gr), INETI (Por), CAJAMAR (Sp), HELLENIC SALTWORKS (Gr), CUATRO VEGAS DE ALMERIA (Sp); Página electrónica: Collares-Pereira M., Mendes J. F. e Horta, P. (4) Advanced Solar Dryer For Salt Recovery From Brine Effluent Of Desalination Med Plant. Proceedings of EuroSun4 - The 5th ISES EUROPE SOLAR CONFERENCE, -3 June, Freiburg, Germany