BR102021011560A2 - Dessalinizador solar portátil em formato ondular com refletores de radiação integrados para potabilização de água salobra - Google Patents

Abstract

A presente invenção trata-se de um equipamento portátil utilizado no tratamento de águas salobras e efluentes, através de uma fonte alternativa de energia, que é a radiação solar. A invenção refere-se a um dessalinizador de água salobra via energia solar que possui uma placa absorvedora de calor no formato ondular, e refletores de radiação integrados, com características para propicias para tal finalidade, desenvolvendo um produto de alta eficácia, fácil portabilidade e de baixo custo de produção. Esta tecnologia se aplica a área de energia renováveis.

Description

DESSALINIZADOR SOLAR PORTÁTIL EM FORMATO ONDULAR COM REFLETORES DE RADIAÇÃO INTEGRADOS PARA POTABILIZAÇÃO DE ÁGUA SALOBRA Campo da invenção

[001] A presente invenção trata-se de um equipamento portátil utilizado no tratamento de águas salobras e efluentes, através de uma fonte alternativa de energia, que é a radiação solar. A invenção refere-se a um dessalinizador de água salobra via energia solar que possui uma placa absorvedora de calor no formato ondular, e refletores de radiação integrados, com características para propicias para tal finalidade, desenvolvendo um produto de alta eficácia, fácil portabilidade e de baixo custo de produção. Esta tecnologia se aplica a área de energia renováveis.

[002] O sistema de dessalinização em questão tem como objetivo tratar água com níveis de sais elevados, características de diversas águas subterrâneas encontradas no semiárido, através de um equipamento que utiliza energia renovável como fonte energética.

Fundamentos da invenção

[003] A escassez hídrica tem sido um problema presente e crescente ao longo dos anos ao redor do mundo, isso devido a diversos fatores seja o crescimento populacional, que acarreta o aumento da demanda por água, ou seja, pelo mal uso do recurso hídrico, como também a existência de áreas que não dispõem desse recurso seja por baixos índices pluviométricos ou falta de estruturas para receber uma água de qualidade, características muito encontradas em regiões semiáridas.

[004] As comunidades isoladas e pequenas famílias das zonas rurais são os usuários alvos desse invento, além de pequenos e médios empreendimentos, pequenas indústrias e comércios, pois o mesmo necessita de pequenas áreas para a sua instalação e que receba uma insolação diária suficiente para geração de energia solar térmica capaz de dessalinizar a água. Sendo um equipamento portátil o mesmo pode ser instalado perto da residência ou comércio do consumidor, o que diminui a contaminação da água uma vez que a água tratada não precisa ser transporta para o consumo.

[005] A maioria dos dessalinizadores solares existentes são fabricados em alvenaria e são fixos em locais próximos dos mananciais ou poços de principalmente em regiões com altas incidências de radiação solar e que enfrentam problemas relacionados a escassez hídrica. Esse tipo de equipamento tem como característica a dessalinização das águas utilizando a energia solar como fonte de energia, diminuindo os custos energéticos. Geralmente, são tratadas águas com níveis elevados de sais dissolvidos, que nesse caso são impróprias para o consumo.

[006] Apesar de ser uma técnica antiga, a metodologia tem sido renovada ao longo dos anos por meio de diversos modelos que visam uma maior produção de água dessalinizada, como também de melhor qualidade. Dentre os relatos de dessalinizadores de água via energia solar, nenhum apresenta as características do presente invento.

Descrição da invenção

[007] A água salobra inicialmente é armazenada em um recipiente na parte superior do dessalinizador, em seguida é transferida para dentro do dessalinizador ficando contida nas calhas da placa absorvedora ondular de calor. Dentro do dessalinizador, tem-se a reprodução de parte do ciclo hidrológico, onde a incidência de radiação solar direta é refletida pelas placas refletoras que penetra pela placa translúcida, alcançando a água salobra contida na placa absorvedora, fazendo com que essa água aqueça.

[008] Por ser isolado termicamente na parte inferior onde está localizado um isolante térmico, a perda de calor é mínima, fazendo com que dentro do equipamento as temperaturas se mantenham elevadas, o que acarreta a evaporação da água, que em contato com a superfície translúcida mais fria o vapor de água é condensado e escoa pelo lado inferior da placa translúcida, sendo coletada na parte inferior do dessalinizador.

[009] A água que não é evaporada e ainda percorre a placa coletora de calor ondular é coletada na parte inferior do dessalinizador por meio de uma tubulação, e pode retornar para o primeiro recipiente de água salobra presente na parte superior do equipamento, conferindo assim um sistema de recirculação, fazendo com que toda a água seja aproveitada.

[010] A dessalinização via energia solar é uma alternativa ideal para implementação em comunidades isoladas, que não tem acesso à água de qualidade ou até que tem dificuldades na obtenção. O sistema em questão vem com a vantagem de se tratar de um equipamento portátil autossustentável, o que facilita a sua instalação próximo às residências ou comércios, o que diminui os riscos de contaminação, além de estar sob os cuidados da família ou comerciante beneficiado, facilitando na coleta do produto final e na manutenção do equipamento.

[011] Algumas tecnologias baseadas no objeto da presente invenção já foram descritas, no entanto, não há nenhum invento com características aqui apresentadas. Na patente CN210855362U, intitulada: “Portable solar membrane distillation seawater desalination device”, sendo este invento diferenciado da presente invenção, porque usa uma membrana polimérica para absorver o calor, e essa membrana fica imersa em uma bandeja com a água salobra, além de ter a configuração diferente do nosso modelo. A presente invenção utiliza uma placa absorvedora de calor com formato ondular, no qual água salobra absorve calor à medida que à percorre. Enquanto que a patente CN111302423A, com o título “Solar water purifier based on interface solar photothermal conversion”, que descreve uma bandeja de armazenamento para a água salobra e nessa bandeja existe um material fototérmico absorvedor de calor, e esse material fica imersa em uma bandeja com a água salobra, o material de conversão fototérmica é formado pelo crescimento direto de nanosulfeto de cobre em um substrato de espuma de cobre e, em seguida, anexando um filme de álcool polivinílico; a abertura da espuma de cobre é de 0,1-0,8 mm, a relação de abertura é superior a 98%, a porosidade é superior a 60% e a espessura é de 2-3 mm, com configuração diferente da presente invenção. A patente CN111233064A, “Solar seawater desalination device”, descreve um equipamento composto por três placas paralelas, o nosso é formado por uma placa translúcida de condensação e outra de evaporação com formado ondular. A presente invenção opera em pressão ambiente e não existem partes móveis, enquanto o outro opera no vácuo e existem partes móveis dentro do dessalinizador, além da recuperação de calor da água condensada e na presente invenção não existe esse artifício. No presente invento também não possui tanque de evaporação da água salobra como no invento citado, no nosso equipamento a água salobra evapora ao percorrer a placa absorvedora de calor.

[012] Existem algumas tecnologias nacionais de dessalinizadores via energia solar com aplicação semelhante da presente invenção, que é dessalinizar água salobra, usando o sol como fonte de energia. No entanto, existem vários modelos, materiais construtivos e configurações de funcionamento, porém a presente invenção se destaca por sua configuração de funcionamento exercida pela placa absorvedora de calor. Podemos citar como exemplo as patentes: BR 10 2013 001233-5 A2, “DESSALINIZADOR MOVIDO A ENERGIA SOLAR", BR 102016015662-9 A2, “DESSALINIZADOR E GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE ENERGIA SOLAR” e BR 202018002446-4 U2, CONJUNTO DESSALINIZADOR MÓVEL.

[013] Exemplo 01. Análise físico-química da água salobra e dessalinizada.

[014] O dessalinizador solar portátil no formato ondular foi experimentalmente testado obtendo valores significativos em relação a reduções nos níveis de sais dissolvidos na água, sendo finalizado com valores de acordo com o máximo permissível pela portaria de potabilidade vigente PORTARIA GM/MS Nº 888, de 4 de maio de 2021 do Ministério da Saúde. A Tabela 01 apresenta os resultados do processo de dessalinização.

[015] Tabela 1 - Análise físico-química da água salobra e dessalinizada.

Descrição detalhada da tecnologia

[016] De acordo com a Figura 1-A, o presente invento compreende uma carcaça retangular vazada, estruturada sob quatro faces laterais (1a-d), unidas em suas extremidades com encaixes e ou aparafusamento em meia esquadria. Esta estrutura de quatro faces laterais (1a-d) pode ser constituída por única peça indivisível denominada de estrutura lateral vazada (1), fabricada em madeira, fibra, liga metálica, plástico, mistura compósita ou qualquer outro tipo de material rígido. Internamente, esta estrutura lateral vazada (1) possui um ressalto modular (2), projetado para acomodar adequadamente a parede de fundo (3), nas laterais e na parte superior da estrutura retangular vazada são acoplados os refletores moveis de radiação (25) conforme Figura 1-B. Esta parede de fundo (3) também pode ser fabricada em madeira, fibra, liga metálica, plástico, mistura compósita ou qualquer outro tipo de material rígido. Internamente à estrutura lateral vazada (1) e sob esta parede de fundo (3), está posicionada uma camada de isolante térmico (4), conforme Figura 1-C. Acima da camada de isolante térmico (4) está posicionada uma estrutura de calhas ondulares sequenciais (5), fabricada em uma única peça, cujo material e coloração são favoráveis a absorção calor proveniente da radiação solar (Figura 1-D). A superfície superior externa deste equipamento compreende uma lâmina retangular translúcida (6), posicionada acima da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5) (Figura 1-E). Esta lâmina retangular translúcida (6), por sua vez, é hermeticamente selada com a estrutura lateral (1) e pode ser fabricada em vidro, quartzo, acrílico, ou qualquer outro material rígido não poroso com propriedades ópticas que possibilitem a passagem de luz. A face (1-d) da estrutura lateral vazada (1) possui uma abertura circular (7), posicionada estrategicamente acima da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5). Acoplada a esta abertura circular (7) está um tubo para entrada da água bruta (8). Na face (1-a) da estrutura lateral vazada (1) está posicionada duas conexões de saída: a conexão de saída de efluente concentrado (9) e a conexão de saída de água tratada (10).

[017] Conforme a Figura 2, internamente à estrutura lateral vazada (1) encontram-se sobrepostas as camadas da parede de fundo (3), isolante térmico (4), estrutura de calhas ondulares sequenciais (5) e a uma lâmina retangular translúcida (6). Também neste espaço interno, encontrase uma calha de coleta para efluente concentrado (11), que está posicionada na altura da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5). Esta calha de coleta para efluente concentrado (11) está acoplada a conexão de saída de efluente concentrado (9) e a um cap de vedação lateral (13) (Figura 1-F). Esta estrutura também compreende internamente uma calha de coleta para água dessalinizada (11), posicionada na altura da lâmina retangular translúcida (6) e acoplada a conexão de saída de água tratada (10) e ao cap de vedação lateral (14) (Figura 1-f).

[018] Conforme Figura 3-A, o conjunto de itens descritos de 1 a 14 estão devidamente organizados e fixados sob uma estrutura base, que compreende um suporte de fixação (15), ao qual está acoplada uma haste de fixação (16), que é fixada ao cavalete central (17), por meio de um eixo de rotação (18). O cavalete central (17) é fixado a uma base (19). Este conjunto de fixação que estruturado sob os itens de 15 a 19 possibilita que o equipamento tenha inclinação (20) ajustável em relação superfície na qual a base (19) esteja disposta, os refletores moveis de radiação (25) estão acoplados na carcaça do dessalinizador do (Figura 3-B). De acordo com a Figura 3-B, quando o sistema está em funcionamento, água a ser dessalinizada (21) é inserida no tubo para entrada da água bruta (8). Esta inserção de água bruta pode ser feita por uma bomba, pela gravidade, manualmente, por um sistema microcontrolado, dentre outras possibilidades. Uma vez no sistema, a água preenche igualmente a primeira calha da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5), transbordando pela parte superior da estrutura ondular para a calha subsequente, e assim sucessivamente, até chegar na calha de coleta para efluente concentrado (11). A radiação solar que incide sob o sistema e transpassa a superfície lâmina retangular translúcida (6) ocorre de duas maneiras, direta (22) e refletida através dos refletores móveis de radiação (25), trocando calor com a água e com estrutura de calhas ondulares sequenciais (5). Neste processo de aquecimento, o vapor de água formado é condensado sob a superfície interna lâmina retangular translúcida (6) e, devido a inclinação (20) do sistema, esta água dessalinizada escorre até a calha de coleta para água dessalinizada (11). Deste modo, é possível coletar o efluente concentrado (23) na conexão de saída de efluente concentrado (9) e coletar a água dessalinizada (24) na conexão de saída de efluente concentrado (9).

[019] Breve descrição dos desenhos

[020] A Figura 1 apresenta os componentes da unidade de dessalinização do equipamento, sendo uma carcaça retangular vazada, estruturada sob quatro faces laterais (1a-d), unidas em suas extremidades com encaixes e ou aparafusamento em meia esquadria. Esta estrutura de quatro faces laterais (1a-d) pode ser constituída por única peça indivisível denominada de estrutura lateral vazada (1), fabricada em madeira, fibra, liga metálica, plástico, mistura compósita ou qualquer outro tipo de material rígido. Internamente, esta estrutura lateral vazada (1) possui um ressalto modular (2), projetado para acomodar adequadamente a parede de fundo (3), nas laterais e na parte superior da estrutura retangular vazada são acoplados os refletores moveis de radiação (25) conforme Figura 1-B. Esta parede de fundo (3) também pode ser fabricada em madeira, fibra, liga metálica, plástico, mistura compósita ou qualquer outro tipo de material rígido. Internamente à estrutura lateral vazada (1) e sob esta parede de fundo (3), está posicionada uma camada de isolante térmico (4), conforme Figura 1-C. Acima da camada de isolante térmico (4) está posicionada uma estrutura de calhas ondulares sequenciais (5), fabricada em uma única peça, cujo material e coloração são favoráveis a absorção calor proveniente da radiação solar (Figura 1-D). A superfície superior externa deste equipamento compreende uma lâmina retangular translúcida (6), posicionada acima da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5) (Figura 1-E). Esta lâmina retangular translúcida (6), por sua vez, é hermeticamente selada com a estrutura lateral (1) e pode ser fabricada em vidro, quartzo, acrílico, ou qualquer outro material rígido não poroso com propriedades ópticas que possibilitem a passagem de luz. A face (1-d) da estrutura lateral vazada (1) possui uma abertura circular (7), posicionada estrategicamente acima da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5). Acoplada a esta abertura circular (7) está um tubo para entrada da água bruta (8). Na face (1-a) da estrutura lateral vazada (1) está posicionada duas conexões de saída: a conexão de saída de efluente concentrado (9) e a conexão de saída de água tratada (10).

[021] A Figura 2 ilustra os componentes internos da unidade de dessalinização, sendo internamente à estrutura lateral vazada (1) encontram-se sobrepostas as camadas da parede de fundo (3), isolante térmico (4), estrutura de calhas ondulares sequenciais (5) e a uma lâmina retangular translúcida (6). Também neste espaço interno, encontra-se uma calha de coleta para efluente concentrado (11), que está posicionada na altura da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5). Esta calha de coleta para efluente concentrado (11) está acoplada a conexão de saída de efluente concentrado (9) e a um cap de vedação lateral (13) (Figura 1-F). Esta estrutura também compreende internamente uma calha de coleta para água dessalinizada (11), posicionada na altura da lâmina retangular translúcida (6) e acoplada a conexão de saída de água tratada (10) e ao cap de vedação lateral (14) (Figura 1-f).

[022] A figura 3 ilustra as vistas inferior e superior do equipamento. Na Figura 3-A, o conjunto de itens descritos de 1 a 14 estão devidamente organizados e fixados sob uma estrutura base, que compreende um suporte de fixação (15), ao qual está acoplada uma haste de fixação (16), que é fixada ao cavalete central (17), por meio de um eixo de rotação (18). O cavalete central (17) é fixado a uma base (19). Este conjunto de fixação que estruturado sob os itens de 15 a 19 possibilita que o equipamento tenha inclinação (20) ajustável em relação superfície na qual a base (19) esteja disposta, os refletores moveis de radiação (25) estão acoplados na carcaça do dessalinizador do (Figura 3-B). De acordo com a Figura 3-B, quando o sistema está em funcionamento, água a ser dessalinizada (21) é inserida no tubo para entrada da água bruta (8). Esta inserção de água bruta pode ser feita por uma bomba, pela gravidade, manualmente, por um sistema microcontrolado, dentre outras possibilidades. Uma vez no sistema, a água preenche igualmente a primeira calha da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5), transbordando pela parte superior da estrutura ondular para a calha subsequente, e assim sucessivamente, até chegar na calha de coleta para efluente concentrado (11). A radiação solar que incide sob o sistema e transpassa a superfície lâmina retangular translúcida (6) ocorre de duas maneiras, direta (22) e refletida através dos refletores móveis de radiação (25), trocando calor com a água e com estrutura de calhas ondulares sequenciais (5). Neste processo de aquecimento, o vapor de água formado é condensado sob a superfície interna lâmina retangular translúcida (6) e, devido a inclinação (20) do sistema, esta água dessalinizada escorre até a calha de coleta para água dessalinizada (11). Deste modo, é possível coletar o efluente concentrado (23) na conexão de saída de efluente concentrado (9) e coletar a água dessalinizada (24) na conexão de saída de efluente concentrado (9).

Claims (1)

1. “DESSALINIZADOR SOLAR PORTÁTIL EM FORMATO ONDULAR COM REFLETORES DE RADIAÇÃO INTEGRADOS PARA POTABILIZAÇÃO DE ÁGUA SALOBRA.” caracterizado por compreender: uma carcaça retangular vazada, estruturada sob quatro faces laterais (1a-d), unidas em suas extremidades com encaixes e ou aparafusamento em meia esquadria, sendo constituída por única peça indivisível denominada de estrutura lateral vazada (1), fabricada em madeira, fibra, liga metálica, plástico, mistura compósita ou qualquer outro tipo de material rígido, na parte interna: possui um ressalto modular (2), projetado para acomodar adequadamente a parede de fundo (3), também pode ser fabricada em madeira, fibra, liga metálica, plástico, mistura compósita ou qualquer outro tipo de material rígido, nas laterais e na parte superior da estrutura retangular vazada são acoplados os refletores moveis de radiação (25), e sob esta parede de fundo (3), está posicionada uma camada de isolante térmico (4), acima da camada de isolante térmico (4) está posicionada uma estrutura de calhas ondulares sequenciais (5), fabricada em uma única peça, cujo material e coloração são favoráveis a absorção calor proveniente da radiação solar, a superfície superior externa possui uma lâmina retangular translúcida (6), hermeticamente selada com a estrutura lateral (1) e pode ser fabricada em vidro, quartzo, acrílico, ou qualquer outro material rígido não poroso com propriedades ópticas que possibilitem a passagem de luz, posicionada acima da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5), a face (1-d) da estrutura lateral vazada (1) possui uma abertura circular (7), posicionada estrategicamente acima da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5), acoplada a esta abertura circular (7) está um tubo para entrada da água bruta (8), na face (1-a) da estrutura lateral vazada (1) está posicionada duas conexões de saída: a conexão de saída de efluente concentrado (9) e a conexão de saída de água tratada (10), encontra-se uma calha de coleta para efluente concentrado (11), que está posicionada na altura da estrutura de calhas ondulares sequenciais (5) e está acoplada a conexão de saída de efluente concentrado (9) e a um cap de vedação lateral (13) e ao cap de vedação lateral (14), o conjunto de itens descritos de 1 a 14 estão devidamente organizados e fixados sob uma estrutura base, que compreende um suporte de fixação (15), ao qual está acoplada uma haste de fixação (16), que é fixada ao cavalete central (17), por meio de um eixo de rotação (18), o cavalete central (17) é fixado a uma base (19), este conjunto de fixação que estruturado sob os itens de 15 a 19 possibilita que o equipamento tenha inclinação (20) ajustável em relação superfície na qual a base (19) esteja disposta, os refletores moveis de radiação (25) estão acoplados na carcaça do dessalinizador, no processo de aquecimento, o vapor de água formado é condensado sob a superfície interna lâmina retangular translúcida (6) e, devido a inclinação (20) do sistema, esta água dessalinizada escorre até a calha de coleta para água dessalinizada (11), de modo que é possível coletar o efluente concentrado (23) na conexão de saída de efluente concentrado (9) e coletar a água dessalinizada (24) na conexão de saída de efluente concentrado (9), para dessalinizar água salobra dentro dos padrões de potabilidade para consumo humano, utilizando como fonte energética a energia solar.

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