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PROPUESTA PARA LA CAPTACIÓN DE AGUA MEDIANTE UN SISTEMA DE ATRAPANIEBLA EN TICLIO CHICO Aza Valencia, Kevin [email protected]

Inga Campos, Christian [email protected]

Olortegui Lucas, Guiller Américo [email protected]@uni.pe

Escalante Paucar, Jeancarlo Jesus [email protected]

Cesar Argandoña Salcedo [email protected]

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

1.

RESUMEN

La importancia de este trabajo se basa en la geometría de los sistemas de captación de agua con base a la neblina; se pueden llegar a constituirse como una alternativa viable que suple en parte la demanda de agua, en zonas donde las fuentes hídricas no son suficientes. El objetivo de la investigación es reducir los impactos sociales, económicos, políticos y ambientales en la zona de Ticlio Chico-Villa María del Triunfo mediante el uso de Atrapanieblas.

ABSTRACT The importance of this work is based on the geometry of water collection systems based on fog; they can be established as a viable alternative that partially supplements the demand for water, in areas where water sources are not sufficient. The objective of the research is to reduce the social, economic, political and environmental impacts in the area of Ticlio Chico-Villa Maria del Triunfo through the use of Atrapanieblas.

2.

INTRODUCCIÓN

La poca disponibilidad de agua dulce limpia se ha constituido en uno de los problemas más importantes a los que se enfrenta la humanidad hoy en día, y llegará a ser crítico en el futuro, puesto que la creciente demanda sobrepasa el suministro y la polución sigue contaminando los ríos, lagos y arroyos. Es por tal motivo que se buscan nuevas tecnologías de aprovechamiento del recurso hídrico, con el fin de brindar una mejor calidad de vida a la población.

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO

DEFINICIÓN DE NIEBLA La niebla se define como “suspensión en la atmósfera de gotitas de agua y/o cristales de hielo muy pequeños que reduce la visibilidad horizontal a menos de 1 Km de distancia” (Ledesma, 2000). Si la visibilidad oscila entre 1 y 4 Km es neblina y si es superior a ese umbral se dice que es bruma (Marzol, 1999). CLASIFICACIÓN DE LAS NIEBLAS (SEGÚN SU GÉNESIS) 1. Nieblas de Evaporación: Se producen cuando se evapora agua en el aire frío. 2. Nieblas por Enfriamiento: Se generan mediante la disminución que experimenta la capacidad del aire para retener vapor de agua cuando disminuye la temperatura. Las nieblas producidas por este mecanismo se clasifican a su vez por su origen en, nieblas de radiación, nieblas de advección y nieblas orográficas. 2.1. Nieblas por Radiación: Se forman generalmente en invierno en noches claras cuando la irradiación es intensa. Es necesario un ligero viento del orden de dos a cinco nudos, con el fin de que haya suficiente turbulencia para que el enfriamiento y la humedad se extiendan hacia arriba. Un momento crítico es precisamente a la salida del Sol. También es importante que el suelo esté húmedo 2.2. Nieblas por Advección: Estas nieblas se desarrollan cuando una corriente de aire cálido y húmedo se desplaza sobre una región más fría y tiende a un equilibrio térmico con la superficie sobre la cual se está desplazando. 2.3. Nieblas Orográficas: Se forman por ascensión de una masa de aire a barlovento de la ladera de una montaña,

con el adiabático.

consiguiente

enfriamiento

PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS 1.

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4.

VISCOSIDAD: La viscosidad es la medida de la resistencia interna de un fluido a desplazarse o moverse. En los líquidos la viscosidad se debe a la fuerza de cohesión entre sus moléculas. TENSIÓN SUPERFICIAL: La tensión superficial hace que la superficie libre de un líquido se comporte como una fina membrana elástica. Este fenómeno se presenta debido a la atracción entre las moléculas de un líquido. COHESIÓN: La cohesión es la fuerza de atracción que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia. ADHESIÓN O ADHERENCIA: Es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes que se ponen en contacto; generalmente un líquido con un sólido. CAPILARIDAD: El fenómeno de capilaridad, consiste en el ascenso o descenso de un líquido dentro de un tubo de diámetro pequeño llamado capilar. DENSIDAD: La densidad de una sustancia se define como la masa contenida en la unidad de volumen.

Donde: m =flujo másico (Kg/s) v = velocidad media del viento (m/s) p = densidad del agua en la niebla (Kg/m3) (se debe determinar) A = sección transversal (m2) La densidad del agua de niebla se puede estimar basado en estudios realizados entre 0,22 g/m3 y 0,73 g/m3. Una primera aproximación es de 0,5 g/m3. También, se debe definir la eficiencia de la recolección. Por lo tanto, el flujo másico recolectado será: Donde: E = eficiencia de recolección de la niebla (%) Para pasar de flujo másico a caudal líquido, se definirá un periodo de medición (1 día) y conociendo que un Kg de agua líquida equivale a 1 litro, se podrá obtener el potencial de producción en L/m2 -día. Donde la velocidad media del viento se toma de los datos obtenidos de SENAMHI, en las estaciones meteorológicas cercanas a al lugar de colocación: ESTACIÓN PANTANOS DE VILLA y la ESTACIÓN TABLADAS DE LURIN.

PARÁMETROS DE MEDICIÓN

FACTORES QUE INCIDEN EN LA FORMACIÓN DE LA NIEBLA Las condiciones necesarias para el aprovechamiento de niebla están basadas en los factores climáticos y geográficos. Los factores climáticos a tomar en cuenta son la temperatura, humedad relativa del aire, velocidad y dirección del viento; los factores geográficos son los obstáculos, la orientación, altitud y orografía. FACTOR RELIEVE Los relieves o situaciones geográficas inciden indirectamente en la formación de la niebla, en su dirección y desarrollo. FACTOR VIENTO El viento, aire en movimiento, es el factor que determinara la dirección y velocidad de la niebla FACTOR TEMPERATURA Este factor será importante a la hora de relacionar los datos de HR, y punto de roció, que permitirá saber de manera empírica y rápida si hay opción a la formación de niebla. ECUACIÓN DE FLUJO MÁSICO La ecuación de flujo másico se define como la velocidad a la cual la masa de una sustancia pasa a través de una superficie dada, expresado en unidades de masa por unidad de tiempo (Kg/s)

Para hacer una primera estimación, se considerará los siguientes valores: De acuerdo a las recomendaciones dadas por los autores Schemenauer and Joe la densidad del agua en la neblina puede estimarse entre 0,22g/m3 a 0,73g/m3. Sin embargo, para este trabajo se utilizó 0,5 g/m3 La eficiencia de recolección se asumirá como 10% (valor conservador) Remplazado todos los valores en la fórmula de flujo másico tenemos: ESTACIÓN PANTANOS DE VILLA.

El flujo másico recolectado será:

La producción diaria para la superficie de 1 m2 al día será:

Lo cual equivale a 24.84 L/d-m2 ESTACIÓN TABLADA DE LURIN

Midiendo el volumen V de la mezcla de aire y vapor de agua en el tubo invertido determinamos la presión Pv de vapor del agua. Si representamos en el eje vertical el logaritmo neperiano de la presión de vapor, lnPv en el eje horizontal la inversa de la temperatura 1/T obtendremos un conjunto de puntos que se sitúa sobre una recta verificándose la ecuación de ClausiusClapeyron. TEMPERATURA Para la medición de temperatura se hará uso de un termómetro.

El flujo másico recolectado será:

La producción diaria para la superficie de 1 m2 al día será:

Lo cual equivale a 41.25 L/d-m2 Como se observa los valores obtenidos son muy altos, según los estudios realizados por Oscar Rivera, los valores obtenidos son valores máximos, y para estimar los valores mínimos podríamos tomar el 25% de los valores máximo.

INSTRUMENTACIÓN PRESIÓN DE VAPOR (HUMEDAD RELATIVA) Utilizaremos un termómetro y un tubo, donde en el momento de invertir el tubo y colocarlo dentro del recipiente de agua, procederemos a calcular el volumen final del aire húmedo y la temperatura, que nos servirá para obtener la presión de vapor.

VIENTO Para poder tomar los datos continuamente, se decidió realizar una veleta y un anemómetro casero con una placa ARDUINO, de tal forma que podamos registrar ángulos a través del tiempo y podamos conocer la dirección predominante en la zona.

5.

GEOMETRÍA Y ORIENTACIÓN

DISEÑO CLOUDFISHER En la COP22 realizado en el 2016, uno de los temas que se trataron fue la dependencia hídrica de Marruecos. Para poder hacer frente a esta problemática la fundación alemana AQUALONIS ORG. realizó una propuesta novedosa valiéndose de años ensayos en distintas partes del mundo. Con dicha propuesta se evidencio la actual deficiencia de los sistemas de captación mediante atrapanieblas en base a la malla Raschel, los cuales son usados en varias partes del mundo. Figura N° ensayo de distintos materiales

DISEÑO CICLOIDAL Diseño, construcción y evaluación de un prototipo mejorado de atrapanieblas en el distrito de ventanilla – callao. El neblinómetro propuesto es de 1m2 la cual es recubierta por una malla doble raschel de 65% de sombra y consta de una canaleta para la cosecha de agua. El neblinómetro convencional se construyó usando varillas de fierro de construcción de 127 mm de diámetro de forma de un cuadrado de área de 1m2 recubierta por una malla doble raschel de 65% de sombra y consta también de una canaleta.

Figura N°3 diseño cicloidal y rendimiento

Entre los materiales ensayados, se llegó a demostrar un mayor rendimiento en 2 tipos de diseños ambos de doble capa o espaciadas. Figura N°1 tipos de net 3D y propiedades

Otra de las ventajas del sistema de doble capa es la optimización del agua mediante un uso de otra capa la cual captará el agua de la niebla que pase la primera capa. De ese modo el rendimiento del sistema aumentará.

DISEÑO NATURAL El desierto de Namib tiene una gran variedad de escarabajos oscuros, uno de ellos Onymacris unguicularis utiliza la superficie de su propio cuerpo como colector de agua de niebla. Al adoptar una postura erguida frente al viento, el agua de niebla se acumula en su elite y corre hacia su boca, para ser bebida. Fotografía de un O. unguicularis empañado en la niebla dentro de la cámara de niebla (ver métodos) que exhibe un soporte característico de cabezal empapador de niebla. Esta postura permite que el agua de niebla acumulada en la superficie dorsal del escarabajo caiga hasta su boca.

Figura N°4 postura e inclinación del escarabajo

Figura N°2 niebla vs partículas de niebla y viento

Figura N°8 modelado en Autodesk Flow Design

6. Figura N°5 superficie hidrofóbica e hidrofílica DISEÑO PROPUESTO -Tomando en consideración la postura contra el viento del escarabajo de Namibia y su ángulo de inclinación, se propone un panel con una pendiente aproximada y similar a la indicada. -Se considerará las dimensiones de los paneles cloudfisher y la forma interior del sistema. -Se realizará una cicloide con una circunferencia de radio r=1.6m; el cual intersectado con los ejes X,Y nos dará una altura de 5.8m y un largo de 5.6m. -Se tomará en cuenta una distribución de zonas o partes con características hidrofílicas e hidrofóbicas.

MATERIALES

RASCHELL La Malla Raschell es un tejido confeccionado a partir de HDPE (polietileno de alta densidad). Se caracteriza por los pequeños espacios formados por el entre tejido que permite cierto paso de luz y aireación. Las mallas se encuentran en porcentajes que determinan el grado de sombra que generan o desde otro punto de vista de la cantidad de luz o partículas que dejan pasar.

Figura N°9 Procentaje de sombra en malla Raschell

Figura N°6 diseño cicloidal modelado en AutoCAD

MACMAT-S Es una geomanta flexible tridimensional que presenta más de 90% de vacíos, fabricada a partir de filamentos de polipropileno fundidos en los puntos de contacto. El espesor del filamento del tejido de polipropileno es de 0.65mm.

Figura N°7 diseño cicloidal y convencional

Figura N°12 Geomalla MacGrid MOSQUITERAS

Figura N°10 Geomanta MacMat-S MACMAT-R MacMat®R es un geocompuesto formado por una geomanta flexible tridimensional que presenta más de 90% de vacíos, fabricada a partir de filamentos gruesos de polipropileno fundidos en los puntos de contacto, y un refuerzo longitudinal que trabajan juntos.

La malla mosquitera se usa para la retención de insectos en el sector industrial y agrícola. Se utiliza en agricultura como elemento de protección contra insectos de mayor tamaño y como barrera protectora contra las inclemencias del tiempo, son muy económicas y de muy buena calidad, además, su instalación es muy simple y sencilla. La protección anticorrosiva se consigue por el recubrimiento obtenido durante la inmersión del material en un crisol con zinc fundido. La reacción de difusión entre los metales da como resultado la formación de una barrera impermeable que protege a las superficies metálicas del medioambiente.

Figura N°13 Protección anticorrosiva CLOUDFISHER

Figura N°11 Geomanta MacMat-R

Según “Fog Harvesting Project in UAE A Research and Design project conducted by the following Final Year Chemical Engineering UAE Students Advised by the Faculty Member” (proyecto desarrollado por estudiantes de Ingeniería Química de los Emiratos Árabes Unidos):

MACGRID Las geomallas MacGrid son geosintéticos de alta resistencia a la tracción, especialmente desarrollado para el refuerzo de suelos. El mecanismo fundamental de trabajo de las geomallas es por fricción, debido a la interacción directa con el suelo y el efecto de confinamiento sobre las partículas que se alojan en las aberturas de la geomalla.

Se hizo una investigación considerando tres tipos de diseño del material de la malla del atrapanieblas, que son los siguientes.

Figura N°14 1) Malla Raschell 2) Malla de acero 3) Red tridimensional de poliamida.

Siendo la primera malla Raschel (que es el material más usado), la segunda una malla de acero inoxidable y al tercera una red tridimensional de poliamida. Después de ensayos con los diferentes materiales, se seleccionó la malla tridimensional como la de mayor eficiencia. A lo largo de un período de dos años entre 2013 y 2016, el equipo puso a prueba la tecnología de recolección de agua de niebla en las laderas del monte Boutmezguida (Marruecos) para mejorar el diseño y la estructura de los colectores de agua de niebla y demostrar que es la vía idónea para obtener agua pura. En la fase experimental se ensayaron 10 clases de tejido de malla. El equipo observó que la malla trenzada y los tejidos fabricados de acero inoxidable recogen menos agua que el tejido espaciador tridimensional, que es el que usa Aqualonis desde entonces. El tejido espaciador tridimensional posee una superficie más extensa y así, a diferencia de los demás materiales, recoge mayor cantidad de las gotas de agua más pequeñas, y la distancia entre los monofilamentos es muy importante, ya que no debe ser ni muy pequeña ni muy grande.

Figura N°15 Gotas de agua red tridimensional de poliamida

7.

PREDIMENSIONAMIENTO

8.

CONCLUSIONES El sistema de doble capa o capa espaciada aumenta el rendimiento del sistema evitando un desperdicio de agua debido a la salpicadura. El sistema CloudFisher es el más óptimo en comparación a otros sistemas de capa simple o capa doble. La distribución de zonas con características hidrofílicas e hidrofóbicas aumentará el rendimiento del sistema. Asimismo, el ángulo de inclinación y su orientación, maximiza la captación del agua. El sistema cicloidal en comparación al sistema convencional tendrá una mayor captación de agua debido a su geometría. Se muestra una mayor distribución de presiones en el sistema convencional en comparación al sistema cicloidal. El cual contribuirá a un menor desgaste con el tiempo.

Las mallas para atrapanieblas pueden estar hechas de cualquier material que resista la intemperie, especialmente la radiación solar. Lo que más se ha usado hasta la fecha es la malla Raschell fabricada con cintas de polietileno de aproximadamente 2 milímetros de ancho y algunas décimas de milímetro de espesor. Sin embargo, existe una gran variedad de mallas plásticas que pueden ser apropiadas. En general, mallas de monofilamento cilíndrico son mejores que las de cintas (como la Raschel típica) porque tienen un mejor comportamiento aerodinámico y son más resistentes. El coeficiente o porcentaje de sombra es la característica más relevante de la malla. La tecnología CloudFisher, resulta ser la más eficiente, respecto a los otros materiales, debido a su geometría tridimensional y superficie más extensa, haciendo que recoja más cantidad de gotas de agua.

9.

REFERENCIAS

[1] Eficiencia de cuatro tipos de mallas en la captación de agua de neblina en el Caserio Casadencito, distrito de Chetilla, Cajamarca - Bach. Briones Rabanal,Erika Lizeth, Bach. Mejia Llatas, Cinthia Marilu, UPN, Perú, 2017 [2] Evaluación de la eficiencia de cinco materiales de malla para el sistema de atrapanieblas en el Municipio de Siachoque – Departamento de Boyacá, Poveda Lancheros, Julián & Sanabria Infante, Juan Carlos, Colombia, 2017 [3] Optimal Design of Permeable Fiber Network Structures for Fog Harvesting, Langmuir Journal, USA, 2013 [4] https://www.maccaferri.com/br/es/productos-lista/ [5] Fog Water Collection, Mc Adams, 2016 [6] Diseño, construcción y evaluación de un prototipo mejorado de atrapanieblas en el distrito de ventanilla-Callao, Mg. Contreras, 2012 [7] Fog-basking behavior and water collection efficiency in Namib Desert Darkling beetles, Thomas Nørgaard, 2010