1198-2005-ESIME-ZAC-MAESTRIA-arias-torres-jorgeernesto

Vista previa del material en texto

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL z 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA 
MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
 
 
 
 
 
ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO TÉRMICO DE UN 
COLECTOR DE ROCÍO ATMOSFÉRICO 
 
 
 
 
 
 
 T E S I S 
 
 QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 
 Maestro en Ciencias con Especialidad en 
 Ingeniería Mecánica 
 
 P r e s e n t a: 
 
 FÍS. JORGE ERNESTO ARIAS TORRES 
 
 
 DIRECTOR DE TESIS: DR. ENRIQUE BARRERA CALVA 
 
 CO-DIRECTOR DE TESIS: M.en C. GUILIBALDO TOLENTINO ESLAVA 
 
 
 
MÉXICO, D.F. FEBRERO 2005 
 
 
 
DEDICATORIA 
 
 
A mi familia, 
 
A mis amistades, 
 
A mis profesores, 
 
A mis compañeros de estudio y de trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
A los contribuyentes, que con sus impuestos han hecho posible mi formación escolar. 
 
A todos aquellos que directa e indirectamente me apoyaron en mis estudios de maestría. 
 
 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 
CONTENIDO 
 
 
RESUMEN ii 
ABSTRACT iii 
RELACIÓN DE FIGURAS Y TABLAS iv 
NOMENCLATURA vi 
INTRODUCCIÓN vii 
 
CAPÍTULO 1: PANORAMA NACIONAL DEL AGUA Y COLECTORES DE ROCÍO 1 
1.1 Panorama Nacional del Agua 1 
1.2 Procesadores de Vapor de Agua Atmosférica 3 
1.3 Colectores de Rocío Atmosférico 6 
 
CAPÍTULO 2: INTERACCIÓN DEL COLECTOR DE ROCÍO CON LA ATMÓSFERA 
 Y EL CIELO 13 
2.1 Vapor de Agua Atmosférica 13 
2.2 Radiación Térmica Celeste y Atmosférica 17 
 
CAPÍTULO 3: MODELO MATEMÁTICO DE PREDICCIÓN DE TEMPERATURAS 
 EN LA PLACA ENFRIADORA 27 
3.1 Modelo Físico 27 
3.2 Modelo Matemático del Desempeño Térmico de Superficies Condensadoras 
 Enfriadas por Radiación Térmica 28 
3.3 Método de Solución del Modelo Matemático 36 
3.4 Evaluación de la condensación de vapor de agua atmosférica 38 
 
CAPÍTULO 4: EXPERIMENTACIÓN CON SUPERFICIES CONDENSADORAS 41 
4.1 Descripción del Experimento 41 
4.2 Equipo e Instrumentos de Medición 46 
4.3 Desarrollo Experimental 50 
 
CAPÍTULO 5: ANÁLISIS DE RESULTADOS 52 
5.1 Resultados del Modelo Matemático 52 
5.2 Análisis Paramétrico 54 
5.3 Resultados Experimentales 57 
5.4 Comparación de Resultados 64 
 
CONCLUSIONES 65 
RECOMENDACIONES 67 
REFERENCIAS 68 
 
 
 
 
 
 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico ii 
RESUMEN 
 
 
 
 En esta tesis se realizó un estudio termodinámico de seis placas enfriadoras de diferentes materiales 
−acero inoxidable, aluminio, cobre, cobre recubierto con óxido de cobre, lámina galvanizada, y vidrio− 
que pueden ser utilizadas en colectores de rocío atmosférico. Este estudio se hizo tanto de manera 
teórica, a través de un modelo matemático que considera el enfriamiento de dichas placas a lo largo de 
la noche, como de manera experimental exponiendo las placas a la bóveda celeste nocturna. 
 
 Con respecto al modelo teórico, se hizo un balance térmico sobre cada una de las placas para obtener 
una ecuación diferencial que describe la variación de la temperatura de la placa en función del tiempo. 
Con este resultado se hizo una elección teórica del mejor material, de entre los seis, para los propósitos 
del enfriamiento radiativo nocturno y su aplicación en los colectores de rocío atmosférico. 
 También, empleando dicha ecuación, se hizo un análisis paramétrico para determinar los parámetros 
más significativos de las placas y entonces, modificarlos favorablemente para lograr que la placa pueda 
disminuir aún más su temperatura nocturna. 
 
 Se llevó a cabo una serie de experimentos, en los cuales se expusieron al cielo nocturno seis placas, 
cada una de ellas elaborada con cada uno de los materiales indicados arriba. A lo largo de las noches de 
experimentación, cada placa emitió radiación térmica, provocando así la disminución de su 
temperatura. Los valores de estas temperaturas, junto con los de la humedad relativa del medio 
ambiente, fueron registrados cada siete minutos. A partir de ellos se calcularon las temperaturas del 
punto de rocío. Con estas últimas temperaturas y con las de las placas se pudo ver qué tan lejos estaba 
cada una de estas de poder condensar vapor de agua atmosférica. Aunque en ningunade las noches en 
que se experimentó se logró condensar vapor, sí se estuvo cerca de hacerlo −a tres grados centígrados 
de separación. 
 
 De los materiales probados se encontró, tanto teórica como experimentalmente, que el vidrio es el 
que más disminuye su temperatura durante la noche, siendo por lo tanto el mejor para lograr, bajo 
condiciones adecuadas de temperatura y humedad relativa, condensar agua contenida en el aire 
atmosférico. 
 
 Con los estudios efectuados en esta tesis puede asegurarse que sí es factible, en México, obtener agua 
a partir del recurso atmosférico. Resta seguir estudiando el proceso y los materiales para, mejorándolos, 
hacer más eficiente la obtención de agua. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico iii 
ABSTRACT 
 
 
 In this thesis we made a thermodynamic study of six cooling plates made with different materials 
−stainless steel, aluminum, copper, copper covered with copper oxide, galvanized sheet, and glass− that 
can be used as atmospheric dew collectors. This study was done in two ways: theoretically, through a 
mathematical model which considers the cooling of such plates along the night, and experimentally, 
exposing the plates at the nocturnal sky. 
 
 To construct the mathematical model, a thermal balance was made over each plate, to get a 
differential equation, which describes temperature variation for the plate as function of time. With this 
result it can be done a theoretical choice for the best material to be used as cooling plate in an 
atmospheric dew collector. 
 Using that equation it was made a parametric study to determine which were the most significant 
parameters from the plates, and then modify it to obtain lower temperatures from it at night. 
 
 An experimental series was carried out, with six plates exposed to nocturnal sky, each one of them 
manufactured with some of the materials mentioned above. During each night, each plate was emitting 
thermal radiation, inducing so its temperature decrease. Ambient temperature and relative humidity 
were registered each seven minutes. This data was used to calculate the dew point temperature. 
Comparing this temperature with that of each plate we could realize about the proximity of water vapor 
to be condensed over each plate. Although in neither plate was condensed water vapor none night, it 
was near to do it, with 3°C of difference. 
 
 It was found, theoretically and experimentally, that glass was the material with the best nocturnal 
decreasing of temperature, being the best for condensing atmospheric water vapor. 
 
 With the results obtained in this thesis, we can assure that in many regions of Mexico it is possible to 
get water from atmosphere. We have to continue studying the process and the materials to make more 
efficient the water vapor condensation. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico iv 
RELACIÓN DE FIGURAS Y TABLAS 
 
 
 
FIGURAS 
 
Capítulo 1 
1.1 Usos del Agua 2 
1.2 Procesos para la obtención de agua atmosférica 3 
1.3 Colector estándar de niebla en la República Dominicana 7 
1.4 Colector de rocío en Ajaccio, Isla de Córcega, Francia 8 
1.5 El condensador 9 
 
Capítulo 2 
2.1 Variación típica diaria de temperatura y humedad relativa 17 
2.2 Espectro electromagnético ilustrando las longitudes de onda 19 
2.3 Espectro típico de radiación electromagnética debido a la temperatura de un cuerpo 20 
2.4 Comparación de la intensidad de la radiación solar con la radiación emitida por la Tierra 22 
2.5 Absortancia de algunos gases de la Atmósfera y de la Atmósfera como un todo 24 
 
Capítulo 3 
3.1 Intercambio radiativo entre la placa del colector de rocío y el cielo nocturno 30 
3.2 Intercambio convectivo de calor entre la placa enfriadora y el aire ambiente 31 
3.3 Temperaturas del aire ambiente y del cielo 33 
3.4 Tasa de condensación como función de la temperatura ambiente con dos diferentes 
 rapideces de viento 42 
 
Capítulo 4 
4.1 Diagrama de experimentación 44 
4.2 Placas de diferentes materiales 45 
4.3 Medición de la emitancia de una placa de cobre 46 
4.4 Placas y sensor de humedad relativa 46 
4.5 Diagrama de las placas con sus sensores de temperatura, y con los de humedad relativa y 
 temperatura del medio ambiente 47 
4.6 Edificio “T” de la UAM Iztapalapa 47 
4.7 Azotea del edificio donde se instaló el sistema de placas 48 
4.8 Sistema de placas montado sobre una base metálica 48 
4.9 Sistema de adquisición de datos 49 
4.10 Termistor 50 
4.11 Sensores de humedad 50 
4.12 Circuito eléctrico para el sensor “MiniCap 2 HR” 51 
4.13 Termohigrómetro con su unidad a control remoto 51 
4.14 Emisómetro 52 
 
Capítulo 5 
5.1 Temperatura de las diferentes placas según el modelo matemático 56 
5.2 Enfriamiento de placas de vidrio de cuatro diferentes espesores 58 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico v 
5.3 Temperaturas de enfriamiento de placas de cobre con diferentes emitancias 59 
5.4 Temperaturas de enfriamiento de una placa de vidrio con diferentes coeficientes convectivos 60 
5.5 Temperaturas, humedad relativa y punto de rocío. 21 de Enero de 2003 61 
5.6 Temperaturas, humedad relativa y punto de rocío. 22 de Enero de 2003 62 
5.7 Temperaturas, humedad relativa y punto de rocío. 23 de Enero de 2003 63 
5.8 Temperaturas, humedadrelativa y punto de rocío. 24 de Enero de 2003 64 
5.9 Temperaturas, humedad relativa y punto de rocío. 25 de Enero de 2003 65 
5.10 Temperaturas, humedad relativa y punto de rocío. 26 de Enero de 2003 66 
5.11 Temperaturas de enfriamiento de una placa de vidrio. Modelo matemático vs experimentación 67 
 
 
 
TABLAS 
 
Capítulo 1 
1.1 Usos del Agua 2 
1.2 Comparación de rendimientos de colectores de vapor de agua atmosférica 4 
1.3 Ventajas y desventajas de distintos tipos de procesadores de vapor de agua atmosférica 5 
1.4 Resumen de los estudios llevados a cabo para investigar el desempeño de los sistemas de 
 enfriamiento 6 
1.5 Cantidades de rocío recolectadas sobre diferentes superficies de condensación 11 
1.6 Valores horarios medidos de punto de rocío, contenido de vapor de agua y tasa de 
 condensación en Enero 11 
1.7 Valores horarios medidos de punto de rocío, contenido de vapor de agua y tasa de 
 condensación en Agosto 11 
 
Capítulo 2 
2.1 Razón de mezcla saturada 15 
 
Capítulo 3 
3.1 Valores de velocidad y viento y su respectivo coeficiente convectivo 34 
3.2 Parámetros usados en la solución de la ecuación 3.15 36 
3.3 Valores de las constantes y de los parámetros empleados en la ecuación del modelo 37 
 
Capítulo 4 
4.1 Materiales de los cuales están hechas las placas y espesores de éstas 45 
4.2 Valores de emitancia de las placas 54 
 
Capítulo 5 
5.1 Material de la placa y su parámetro a variar 57 
5.2 Diferentes espesores e incidencia en el factor de la ecuación 5.7 57 
5.3 Diferentes valores de emitancias y del producto εσ 58 
5.4 Velocidades de viento y coeficientes convectivos 59 
 
 
 
 
 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico vi 
NOMENCLATURA 
 
 
A área, m2
cp calor específico, J/kg·K 
CC cubierta de nubes 
ea presión de vapor de agua ambiente, Pa 
ep presión de vapor de agua cercana a la placa, Pa 
E flux de radiación, W/m2; 
 tasa de condensación, mm/hora 
Eb potencia emisiva del cuerpo negro, W/m2
h coeficiente convectivo, W/m2·°C 
ha coeficiente convectivo de transferencia de calor, W/m2·°C 
hi coeficiente conductivo de transferencia de calor, W/m2·°C 
hv coeficiente de transporte de vapor de agua 
k coeficiente de extinción, m-1
 conductividad térmica del aire, W/m·°C 
L longitud de la placa, m; calor latente de condensación, MJ/Kg 
Nu número de Nusselt 
P pérdida neta de potencia térmica radiativa, W 
Pr número de Prandtl 
Q energía calorífica, W 
Qa calor, por unidad de tiempo, transportado hacia la placa enfriadora desde el aire, por convección y 
 conducción, W 
Qi calor, por unidad de tiempo, transportado por conducción hacia la placa enfriadora, a través de su 
 aislante inferior, W 
q flux de radiación térmica, W/m2
Re número de Reynolds 
S radiación celeste, W/m2
T temperatura absoluta, K 
Tb temperatura del cielo nocturno (bóveda celeste), K 
Ta temperatura del aire ambiente, °C, K 
Tp temperatura de la placa, °C, K 
ua velocidad del aire, m/s 
 
Letras Griegas 
Δz espesor de la placa, m 
ε emitancia 
λ longitud de onda, m 
μ viscosidad del aire, N·s/m2 
ν viscosidad cinemática del aire, m2/s 
ρ densidad del aire, kg/m3
σ constante de Stefan-Boltzmann, W/m2·K4
τ trasmitancia 
ξ constante psicrométrica, Pa/K 
 
 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico vii 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 Uno de los problemas mundiales que se está agravando y al cual no escapa el país, es la creciente 
escasez de agua dulce. Para este problema debe de haber varias soluciones, de tal manera que para cada 
caso particular de país o de comunidad se pueda ofrecer una solución. 
 Un problema asociado al de la escasez de agua es el de la potencial escasez de combustibles 
convencionales, con la agravante de que al ser quemados provocan un deterioro del medio ambiente. 
Por lo tanto es conveniente que las soluciones al primer problema contemplen un bajo o nulo consumo 
de combustibles. 
 
 En el caso particular de nuestro país, se tiene diversidad de consumidores de agua, cada uno de 
ellos con necesidades diferentes −sector industrial, agrícola, de servicios, hogares, servicios 
municipales, etc. Por esta razón se tiene que escoger un segmento de dichos consumidores y hacia ellos 
enfocar la propuesta de solución al problema del agua. En general las comunidades pequeñas, más aún 
las que están aisladas, carecen de servicios básicos, entre ellos el suministro de agua potable. Hacia la 
contribución a la solución parcial de este problema en estas comunidades va dirigida esta tesis. 
 
 Para ello se ha pensado que un primer paso en esta solución consiste en desarrollar una tecnología de 
colectores de rocío atmosférico que aproveche las características de los materiales fabricados en el país, 
ya que en el estudio bibliográfico para este trabajo de tesis no se encontraron referencias nacionales a 
colectores de rocío. Los colectores de rocío reportados en la literatura corresponden a los construidos 
con materiales fabricados en otros países, o con procesos diferentes y/o de calidades diferentes, de tal 
manera que los resultados divulgados no pueden ser aplicados, al cien por ciento a nuestra realidad. 
 
 Los colectores de rocío consisten en una placa metálica o de algún otro material, que expuesta en 
forma casi horizontal hacia el cielo nocturno, emite radiación infrarroja, lo cual provoca que la placa se 
enfríe, lográndose en algunas ocasiones que su temperatura disminuya por debajo de la temperatura del 
punto de rocío. Esta situación provoca que el vapor de agua contenido en el aire circundante se 
condense sobre dicha placa, obteniéndose así cierta cantidad de agua dulce. 
 
 En esta tesis se estudia el comportamiento térmico de seis materiales de fabricación nacional, que por 
ser económicos, usuales y resistentes a la intemperie, pueden ser utilizados como placas enfriadoras de 
los colectores de rocío. El estudio se hace teórico y experimental, y la finalidad es hallar cuáles de ellos 
son los mejores en disminuir su temperatura y en consecuencia provocar, sobre ellos, la condensación 
de vapor de agua atmosférica. 
 
A continuación se exponen los objetivos de este trabajo: 
 
Objetivo General 
 Analizar teórica y experimentalmente el desempeño térmico de algunos materiales que puedan ser 
empleados como placas enfriadoras en colectores de rocío atmosférico, encontrando cuáles disminuyenmás su temperatura al estar expuestos al cielo nocturno, y en consecuencia conocer cuáles puedan 
favorecer más la condensación de vapor de agua atmosférica sobre ellos. 
 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico viii 
Objetivos Particulares 
1. Desarrollar un modelo matemático que prediga la temperatura de una placa de cualquier material, 
 expuesta horizontalmente y durante toda la noche a la bóveda celeste. 
2. Hallar experimentalmente, desde el punto de vista de la disminución de su temperatura, la 
 jerarquización de los materiales enlistados abajo al ser expuestos horizontalmente y durante toda la 
 noche a la bóveda celeste: acero inoxidable, aluminio, cobre, cobre cubierto con una película de 
 óxido de cobre, lámina galvanizada, y vidrio. 
3. Comparar los resultados experimentales con los del modelo matemático. 
 
 Para lograr los objetivos, esta tesis se encuentra integrada por cinco capítulos: 
 En el capítulo 1 se presenta un panorama nacional del agua, donde se muestran algunos datos 
oficiales que ponen en evidencia el problema creciente de la escasez de agua dulce. A continuación se 
presentan los procesadores de vapor de agua atmosférica, como una tecnología que puede contribuir a 
la solución de esta problemática. 
 
 En el capítulo 2 se revisan algunos conceptos teóricos relacionados con el agua atmosférica, en 
particular con el vapor, con el fin de entender su comportamiento. Se ve, también, la interacción de una 
placa −de las empleadas en los colectores de rocío− con la atmósfera terrestre y con la bóveda celeste. 
 
 En el capítulo 3 se explica cómo es un modelo físico de un colector de rocío y se obtiene el modelo 
matemático del mismo, expresado en forma de ecuación diferencial. Se explica el método empleado 
para resolver numéricamente dicha ecuación diferencial. 
 
 En el capítulo 4 se describe lo relacionado a la preparación e instalación del experimento. Se 
muestran algunas fotos de las placas enfriadoras y del equipo e instrumentación para medir las 
variables que se requerían. 
 
 En el capítulo 5 se muestran las curvas solución obtenidas al resolver numéricamente el modelo 
matemático. Con estas soluciones se hace un análisis paramétrico. Se presentan, gráficamente los 
resultados de la experimentación. Finalmente se comparan dichos resultados experimentales con los del 
modelo matemático. 
 
CAPÍTULO 1 
 
 
 
PANORAMA NACIONAL DEL AGUA Y 
COLECTORES DE ROCÍO 
 
 
 
 En este capítulo se describen algunos aspectos relacionados con el problema de escasez de agua dulce 
para consumo humano en la República Mexicana. Se mencionan algunos procesos, no contaminantes, 
que pueden contribuir a atenuar dicho problema, poniéndose especial interés en la captación de vapor 
de agua atmosférica por medio de colectores de rocío, cuyo funcionamiento se basa en enfriamiento 
radiativo nocturno. Se presentan también algunos trabajos publicados de la recolección de rocío 
atmosférico. 
 
 
 
1.1 PANORAMA NACIONAL DEL AGUA 
 
 
 Hace tres décadas empezó a manifestarse en algunos lugares de México la escasez de agua, debido al 
fuerte incremento en la demanda de bienes y servicios provocado por el explosivo crecimiento 
poblacional. Para satisfacer la creciente demanda de agua se ha tenido que recurrir, principalmente, a la 
explotación de recursos acuíferos subterráneos provocando, en algunos casos, efectos indeseables. Por 
ejemplo, en la ciudad de México esto ha traído como consecuencia su hundimiento, el agrietamiento 
del suelo y la ruptura de tuberías, entre otros efectos. 
 
 El problema de la creciente escasez de agua no va a ser resuelto con una única acción; deberá ser 
resuelto por medio de muchas y diversas acciones. La primera de ellas –y tal vez la más importante– 
consiste en reeducar a la gente, de tal forma que se forme una cultura del cuidado del agua, haciendo un 
uso racional y eficiente de ella. Algunas otras acciones no convencionales pueden ser: 
 
 
1. Inducir a la gente –por medio de una legislación adecuada– a recolectar el agua de lluvia por 
 medio de los techos de casas y edificios, y 
2. Extraer agua del aire atmosférico. 
 
 
 La creciente preocupación respecto al problema de escasez de agua se ve reflejada en algunos medios 
de comunicación, donde cada vez con más frecuencia se publican notas relacionadas con dicho 
problema que va afectando gradualmente a la mayoría de los estados del país. 
 
 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 2 
Extracción y Usos 
 
 Es conveniente conocer de qué manera está distribuido el uso del agua, para así poder establecer, de 
manera general, estrategias de ahorro y uso eficiente, y de manera particular, métodos de tratamiento 
según el uso al cual esté destinada el agua. A continuación se muestran en la Tabla 1.1 y Figura 1.1, las 
extracciones brutas de agua que son consumidas por tres grandes grupos de usuarios. 
 
 
 Tabla 1.1. Usos de agua. Extracciones brutas a 
Origen 
Uso Superficial 
(km3) 
Subterráneo 
(km3) 
Volumen 
total 
(km3) 
Porcentaje 
de la 
extracción 
Agrícola 47.9 16.9 64.8 82.7 
Público (industria y servicios) 3.1 6.8 9.9 12.6 
Industria autoabastecida (incluye 
termoeléctricas) 
 
2.0 
 
1.7 
 
3.7 
 
4.7 
Total 53.0 25.4 78.4 100.0 
 Fuente: Documentos Internos (2000), Comisión Nacional del Agua, Gerencias Regionales, Sugerencias de 
 Programación, México, D.F. a Estimadas para 1999 
 
 
 
Agrícola
82.7
Público
12.6 Industria
autoab. 4.7
0
20
40
60
80
100
%
 d
e 
la
 e
xt
ra
cc
ió
n
Fig. 1.1. Usos del Agua. Fuente: Documentos Internos (2000). Comisión Nacional del Agua. 
 
 
Acuíferos 
 
 El país ha sido dividido por la Comisión Nacional del Agua en trece regiones administrativas, de las 
cuales solamente en tres de ellas –la X (Golfo Centro), la Xl (Frontera Sur), y la Xll (Península de 
Yucatán)– los acuíferos no están sobre explotados; en las restantes diez regiones, los acuíferos se 
encuentran sobre explotados [1] (Compendio de Planos del Agua, 2001). 
 
 Con relación a los cuerpos de agua subterráneos, se han definido cerca de 650 acuíferos distribuidos 
en el territorio nacional, de los cuales unos 450 se consideran como acuíferos regionales, por su 
extensión, capacidad e importancia relativa. De estos, alrededor de 100 están sometidos a 
sobreexplotación. Estos acuíferos suministran aproximadamente el 50% de la extracción nacional para 
todos los usos. Debido a la sobreexplotación, la reserva de agua subterránea se está minando a un ritmo 
de cerca de 8 km3 por año. 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 3 
 Dicha sobreexplotación ha inducido problemas de intrusión salina en 18 acuíferos, ubicados en los 
estados de Baja California, Baja California Sur, Colima, Sonora, y Veracruz [2] (Compendio Básico 
del Agua en México, 2001) 
 
 
 
1.2 PROCESADORES DE VAPOR DE AGUA ATMOSFÉRICA 
 
 
 Algunos métodos innovadores para la obtención de agua proveniente de fuentes alternas son el 
sembrado de nubes, la desalación, la recolección de niebla y la recolección de vapor de agua 
atmosférica. Para este último método se han desarrollado tres tipos de dispositivos (Fig. 1.2). 
 
 
 
 
 Humedad del 
Aire Atmosférico
Tipo
Enfriamiento de la 
superficie por 
medio de bombas 
de calor o enfria- 
miento radiativo 
Concentración 
de vapor de 
agua por medio 
de desecantes 
Convección 
inducida, 
controlada en 
una estructura 
Tipo
Absorción en 
líquidos 
desecantes 
Adsorción 
en sólidos 
desecantes
Fig. 1.2. Procesos para la obtención de agua atmosférica (Wahlgren, 2001) 
 
 
 
Cada uno de estos tres tipos de sistemas queda explicado por su nombre: 1er tipo: el enfriamiento de la 
superficie de la placa condensadora, sobre la cual se va a condensarel vapor de agua atmosférica, se 
lleva a cabo o por medio de bombas de calor o por medio de enfriamiento radiativo; 2do tipo: el vapor 
de agua va a ser atrapado por desecantes, y 3er tipo: forzando al aire a pasar por una estructura (tubos) 
la cual va a provocar un enfriamiento adiabático del aire. 
 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 4 
 Los procesos para la obtención de agua atmosférica son atractivos debido a que cada metro cúbico de 
aire dentro de la capa atmosférica de 600 m de espesor contiene de 4 a 25 g de vapor de agua, 
dependiendo de la humedad relativa [3] (Wahlgren, 2001), siendo así que prácticamente cualquier 
comunidad habitada por seres humanos tiene este recurso a la mano; el reto es desarrollar la tecnología 
económica competitiva para explotarlo. En la tabla 1.2 se muestra una comparación de rendimientos de 
algunos procesadores de vapor de agua atmosférica [3] (Wahlgren, 2001). 
 
 
 
 Tabla 1.2. Comparación de rendimientos de colectores de vapor de agua atmosférica 
Tipo Rendimiento (litros/día) Rendimiento (medido / 
hipotético) 
1. Superficies enfriadas 
 Bombas de calor 50 – 170 medido 
 3 790 000 hipotético 
 Enfriamiento radiativo 1 200 medido 
 5 000 - 20 000 hipotético 
 
2. Desecantes 
 Líquidos 1.7 millones hipotético 
 Sólidos 15 500 medido 
 1 000 – 100 millones hipotético 
 
3. Convección 
 108 000 medido 
 (5 – 31) millones hipotético 
 Fuente: Wahlgren R.V. (2001). Atmospheric water vapor processor designs for potable water 
 production: a review. Water Resources 35, 1-22. 
 
 
 De la tabla 1.2 se desprenden las siguientes observaciones: 
 
• Comparando entre sí los tres tipos de colectores de vapor de agua atmosférica, puede observarse 
 que, el rendimiento medido del procesador tipo “superficies enfriadas” es de 90 a 980 veces menor 
 que el rendimiento del procesador tipo convección, el cual es el de mayor rendimiento. 
 
• Dentro del tipo de procesador “superficies enfriadas”, los de enfriamiento radiativo tienen un 
 rendimiento medido de aproximadamente 7 a 24 veces mayor que el tipo “bombas de calor”. 
 
• Los rendimientos teóricos discrepan de los medidos en tres y cuatro órdenes de magnitud. 
 
 A continuación (Tabla 1.3) se muestran las ventajas y desventajas para los tres diferentes tipos de 
procesadores indicados en la figura 1.2. La importancia de esta tabla, al igual que la de la 1.2, reside en 
que permite, en un momento dado, hacer una elección adecuada del mejor tipo de procesador para 
satisfacer cierto tipo de necesidades particulares. 
 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 5 
Tabla 1.3. Ventajas y desventajas de diferentes tipos de procesadores de vapor de agua atmosférica 
Ventajas Desventajas 
Tipo 1: Superficies enfriadas 
Bombas de Calor 
• El enfriamiento mecánico es una tecnología bien 
desarrollada usada para refrigeración, aire acondicionado y 
deshumidificación 
• El proceso de enfriamiento puede congelar el vapor 
condensado 
• Bastante eficiente cuando la temperatura del aire de 
condensación es baja y la temperatura del aire del circuito de 
enfriamiento es alta 
• La escarcha actúa como aislante para enfriamiento 
posterior 
• La capacitación para el mantenimiento es bastante común • El flujo de aire puede reducirse cuando los elementos 
enfriadores son bloqueados por escarcha 
• Se requieren diseños especiales para puntos de rocío 
menores a 4.5 °C 
• El tamaño finito del serpentín enfriador significa que el 
aire fluyente que ha transitado no es enfriado a la misma 
velocidad. Existe un mezclado inevitable de aire seco y aire 
sin procesar dentro del procesador. 
• Requerimientos de potencia bastante altos 
• La refrigeración convencional todavía usa 
clorofluorocarbonos (CFCs), los cuales contribuyen a la 
reducción global de ozono a grandes alturas 
Enfriamiento radiativo 
• No requiere de fuentes externas de energía • La tecnología existente depende de la radiación hacia un 
cielo nocturno claro como sumidero de calor 
• Requerimientos mecánicos sencillos 
 
Tipo 2: Desecantes 
• Tecnología bien desarrollada para deshumidificación a 
gran escala en escenarios industriales 
• Requerimientos energéticos bastante altos para recuperar el 
agua potable empleando tecnología para desalación o 
destilación. 
• Puede secar el aire a una humedad relativa baja • El calor de absorción va del 5 al 25% del calor de 
vaporización y debe ser considerado en el diseño. 
• Adecuado para producir aire a bajos puntos de rocío • Los absorbentes líquidos pueden concentrar contaminantes 
atmosféricos. Además de la posible contaminación del agua 
producida, los contaminantes pueden reducir la capacidad 
del desecante. 
Tipo 3: Convección inducida o controlada en una 
estructura 
 
• El enfriamiento adiabático tiene los menores 
requerimientos energéticos de los tres diseños 
• Se requieren grandes estructuras (tubos de 100 a 1 000 m 
de longitud) 
• Procesos naturales de precipitación con un cuerpo 
extensivo de teorías meteorológicas aplicables. 
• No se sabe de la existencia de otros prototipos que los 
análogos a los pozos verticales de las minas. 
• Experiencia ingenieril bien desarrollada en sistemas 
industriales de aire comprimido para la remoción de agua. 
• No empleada para la deshumidificación, de tal manera que 
la base del conocimiento ingenieril es limitada. 
 • Los diseños de procesadores de vapor de agua atmosférica 
que proponen compresión de aire seguida de expansión para 
provocar enfriamiento por debajo del punto de rocío son 
consumidores intensivos de energía. 
Fuente: Wahlgren R.V. (2001). Atmospheric water vapor processor designs for potable water production: a review. Water 
 Resources 35, 1-22. 
 
 
 Desde el punto de vista de ahorro energético, puede verse en esta tabla que el tipo de procesador que 
más conviene es el de “enfriamiento radiativo”, debido a que no requiere fuentes externas de energía. 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 6 
1.3 COLECTORES DE ROCÍO ATMOSFÉRICO 
 
 
 En años recientes se ha reconocido que cualquier método de enfriamiento que consuma poca o 
ninguna energía fósil merece ser examinado. Uno de estos métodos es el del enfriamiento por 
radiación nocturna, el cual utiliza el cielo frío como un sumidero de calor. La radiación que emite una 
superficie expuesta a la atmósfera durante la noche, disminuye la temperatura de dicha superficie, 
pudiendo entonces usarse, por ejemplo, para condensar un refrigerante empleado en una bomba de 
calor de un sistema de enfriamiento o en alguna otra aplicación. Aquellos fluidos cuya temperatura ha 
sido disminuida con este procedimiento pueden ser empleados para enfriar espacios en casas y 
edificios, alimentos, equipo e instalaciones que generen calor bajo tierra así como en otras situaciones 
donde la aplicación de un proceso de enfriamiento es necesario o deseable. 
 
 El enfriamiento por radiación de una superficie dada, puede lograrse si la radiación emitida por la 
superficie excede a la absorbida. El aumento de la radiación emitida hacia el cielo se alcanza con 
buenos emisores, tipo cuerpo negro. Una atmósfera clara y limpia mejora la trasmitancia atmosférica 
de la radiación de longitud de onda larga (infrarrojo). Por otro lado, el desempeño del sistema de 
enfriamiento por radiación se mejora si dicho sistema opera sin ningún flujo impuesto de calor y sin 
ganancia convectiva de calor proveniente del ambiente. Dicha ganancia convectiva de calor puede ser 
reducida al disminuir la temperatura ambiente y la velocidad del viento.En la tabla 1.4, se resumen algunos de los estudios recientes llevados a cabo para investigar el 
desempeño de los sistemas de enfriamiento por radiación. De los estudios referidos en dicha tabla se 
pueden hacer las siguientes consideraciones: 
 
 1) Algunos estudios recientes han considerado uno o dos de los mecanismos de transferencia de 
 calor: convección y conducción. 
 2) Otros han tomado en cuenta la situación transitoria o estacionaria o el enfoque de sistemas 
 agregados. 
 3) Otros mas han sido de tipo analítico y/o experimental y/o numérico. 
 
 
Tabla 1.4. Resumen de los estudios llevados a cabo para investigar el desempeño de los sistemas de enfriamiento. 
 Referencia Transitorio Convección Conducción Agregado Analítico Experimental Numérico 
Sayito y Ono (1984 a) x x x x 
Ito y Miura (1989) x x x 
Ghaddar y Kebbe (1995) x x x x 
Argiriou et al. (1994) x x x x x 
Argiriou et al. (1993) x x x x 
Berdahl et al. (1983) x x x x 
Catalanotti et al. (1975) x x x 
Kimball (1985) x x x x 
Sayito y Ono (1984 b) x x x x x 
Al-Nimr et al. (1998) 
Fuente: Al-Nimr M.A., Kodah, Z., y Nassar, B. (1998). A theoretical and experimental investigation of a radiative cooling 
 system. Solar Energy 63, 367-373. 
x: el efecto especificado es tomado en consideración. 
: el efecto especificado no es tomado en consideración. 
 
 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 7 
Funcionamiento 
 
 La humedad atmosférica puede ser, en principio, una fuente alternativa de agua potable en zonas 
áridas y semi-áridas, aunque sin perder de vista que es un recurso de baja intensidad. La condensación 
 de vapor atmosférico en agua ocurre en la naturaleza cerca del suelo en dos formas diferentes: neblina 
y rocío. 
 
 La neblina es una nube de gotas de vapor condensado en aire supersaturado. Se necesita una alta 
humedad relativa –en la práctica el 100%– para la formación de niebla. La recolección de agua a partir 
de niebla es un recurso en zonas áridas, donde es frecuente la neblina densa. La recolección de agua de 
niebla por árboles o por redes sintéticas es muy útil en las regiones bajas de las montañas cercanas al 
mar. En las áridas montañas El Tofo, en Chile se recolecta agua de niebla para uso doméstico. La 
cantidad de agua que puede ser recolectada a partir de la niebla es aproximadamente un orden de 
magnitud superior a la que puede recolectarse del rocío. Un máximo de 4.7 litros/m2·día pueden ser 
obtenidos [4] (Nilsson et al., 1994). En la figura 1.3 puede verse un colector de niebla. En la parte 
superior se encuentra una red, la cual atrapa la niebla. En la parte inferior está un recipiente, dentro del 
cual cae el agua que escurre de la red. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.3. Colector estándar de niebla en la República Dominicana. (Fuente: Fog Newsletter, Jun 2002, n° 7) 
 
 
 La otra forma de condensación de vapor atmosférico, la formación de rocío, requiere de una 
superficie fría, pero sin demandar necesariamente de un 100% de humedad. Por lo tanto, el rocío es 
común aún en las zonas más secas del mundo. En contraste, la neblina es rara, excepto en lugares muy 
particulares, como montañas y áreas costeras. Esto es el por qué la idea de recuperación de agua 
proveniente de rocío, condensado en las paredes de dispositivos especiales, es tan atractiva [5] 
(Nikolayev et al., 1996). 
 
 Algunos estudios experimentales recientes se han enfocado a placas radiadoras horizontales aisladas 
térmicamente por debajo y por los lados, cubiertas con una película de polietileno para protegerlas de la 
convección. En algunos casos, la película de polietileno ha contenido pigmentos o un recubrimiento 
para reflejar la radiación solar. También se han usado como radiadores, superficies emisoras selectivas, 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 8 
así como superficies no selectivas (negras), tales como pinturas ordinarias. Las superficies selectivas 
tienen alta emitancia en la ventana atmosférica (8-13 μm) −en la cual la radiación térmica celeste es 
débil− y baja emitancia en el resto de la zona de longitudes de onda térmicas (5-40 μm). Esta 
selectividad permite tasas mayores de enfriamiento, disminuyendo así aún más la temperatura de la 
superficie donde están aplicadas. Una de las superficies selectivas empleada más frecuentemente es el 
fluoruro de polivinilo (PVF) de 12 μm de espesor, aluminizado en su superficie inferior [6] (Berdahl et 
al., 1983). 
 
 Una posición horizontal o con poca pendiente, orientada hacia el cielo, resulta ser la posición más 
ventajosa para una placa emisora. Hay que tener presente que la cantidad de energía radiante que se 
escapará hacia el espacio exterior decrecerá desde el zenit hacia el horizonte. 
 
 Si la temperatura de la superficie emisora es superior a la del aire, el potencial de enfriamiento es 
utilizado completamente. La superficie comienza a enfriarse hasta llegar el momento en que su 
temperatura es menor que la del aire. A partir de este momento la placa radiante gana calor por 
convección hasta establecerse el equilibrio térmico. La ganancia de calor por convección aumentará 
con el incremento de la velocidad del aire sobre la superficie, reduciendo el enfriamiento neto, motivo 
por el cual es necesario proteger del viento la superficie radiante. 
 
 En la Fig. 1.4 se muestra un prototipo de colector de rocío de 3m x 10m, instalado en Ajaccio, Isla de 
Córcega, Francia. La superficie condensadora es una hoja rectangular hecha de microesferas de óxido 
de titanio incrustadas en polietileno, orientada hacia el oeste para poder tener sombra en las mañanas. 
 
 Esta superficie plana hace un ángulo de 30° con respecto a la horizontal, valor que satisface las 
necesidades de favorecer el deslizamiento de las gotas de rocío, y de tener un ángulo sólido 
satisfactorio para emitir radiación. La parte hueca del dispositivo está aislada térmicamente con 
poliestireno, orientado hacia la dirección de los vientos nocturnos dominantes para minimizar su 
calentamiento por aire [7] (Muselli et al., 2002). 
 
 
 
Fig. 1.4. Colector de rocío de 3 x 10 m2, en Ajaccio, Isla de Córcega, Francia. 
 F: película; T: tanque recolector de agua. La flecha indica la dirección de 
 los vientos nocturnos dominantes (NE). (Fog Newsletter, Jun 2002, n° 7) 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 9 
 En la figura 1.5 se muestra el diagrama del bastidor sobre el cual se colocó la película selectiva 
enfriadora, sus dimensiones, los sensores de temperatura y el tanque donde se almacena el rocío 
recolectado. Cuando la temperatura de una superficie desciende por debajo de la temperatura del punto 
de rocío, el vapor de agua contenido en el aire empieza a condensarse sobre aquella. 
 
 
 
 
 
Fig. 1.5. El condensador. Tc1, 2, 3 son sensores de temperatura pegados a la película. (Fog Newsletter, Jun 2002, n° 7) 
 
 
 
 
Ventajas y Desventajas 
 
Ventajas: 
 
1. Su construcción es sencilla, sin requerimientos de técnicas ni de herramientas especializadas. 
2. Tanto los materiales empleados en su construcción como la infraestructura requerida para ello son 
 económicos y de fácil adquisición. 
3. Son dispositivos que le dan independencia al usuario respecto a las redes públicas de distribución de 
 agua potable, sobre todo en aquellas localidades aisladas donde probablemente nunca vayan a llegar 
 dichos servicios. 
4. El agua recolectada no tiene costo alguno, salvo la inversión inicial, y está libre de impuestos y 
 derechos. 
 
Desventajas:1. La recolección de rocío es directamente proporcional al área del colector, de tal manera que si se 
 cuenta con un espacio pequeño para su instalación, sólo podrá recolectarse poca cantidad de agua. 
2. La recolección de rocío depende de la región geográfica, la época del año, y las condiciones 
 meteorológicas diarias. 
3. En general, la cantidad de agua recolectada no permite satisfacer todas las necesidades de un hogar o 
 de una huerta o parcela pequeña. 
 
 
 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 10 
 
Estado del Arte 
 
 A continuación se presenta un resumen de algunos trabajos de colectores de rocío atmosférico. 
 
1) Nilsson et al. (1994) [4] hacen una breve revisión termodinámica de la condensación 
 de rocío y calculan las tasas máximas de condensación como función de la temperatura ambiente 
 y de la humedad relativa. Describen algunos materiales económicos que experimentan enfriamiento 
 radiante y que pueden ser usados en colectores de rocío. Ponen énfasis en las propiedades térmico- 
 radiantes y óptico-solares de los materiales. Muestran los resultados preliminares de pruebas de 
 campo realizadas en el semi-árido interior de Tanzania. 
 
 Durante noviembre de 1993, estación seca del año, el panel colectó un total de 1.19 litros/m2. La 
 máxima cantidad de agua recolectada durante una noche fue de 0.12 litros/m2. Puede verse que se 
 requieren grandes áreas para colectar cantidades apreciables de rocío en lugares áridos. Esto 
 implica que el empleo de este recurso para el consumo humano probablemente no sea factible en la 
 mayoría de las localidades. El agua colectada de la atmósfera puede ayudar a la sobre vivencia de 
 las plantas en las regiones áridas y semiáridas. 
 
2) PPor su parte, Nikolayev et al. (1996) [5], realizaron un trabajo enfocado a reproducir un tipo de 
 condensador de rocío atmosférico, cuyo diseño presuntamente proviene de los primeros griegos que 
 fundaron Theodosia (nombre griego para la presente Feodosia, ciudad en la península de Crimea, 
 Ucrania). Para construir estos condensadores se aprovechan montículos naturales a los cuales, en su 
 parte superior se les hace una excavación cónica –tipo cráter de volcán– la cual, a su vez, es 
 rellenada con piedras de río. Previamente, en la parte inferior se hace una excavación lateral, para 
 permitir la salida del agua recolectada. Este tipo de condensadores es de los llamados “Zibold”, en 
 honor al guardabosques de Feodosia que en 1905 realizó los primeros estudios históricos y 
 experimentales de dicho tipo de condensadores. 
 
 Los autores de este artículo proponen un modelo teórico para dichos condensadores y realizan 
 simulaciones. Para ello varían la capacidad calorífica de las capas de piedra que rellenan el 
 condensador, varían también la velocidad del aire que fluye encima del condensador y el área de 
 irradiación de las piedras. Dan a conocer varios resultados junto con su principal conclusión: “al 
 parecer, la falla principal de los condensadores es su gran masa”. 
 
3) UUn tercer trabajo que da idea del estado del arte de los condensadores de rocío es el que llevaron a 
 cabo Alnaser y Barakat (2000) [8]. Su trabajo estuvo motivado por –al igual que en la Cd. de 
 México– la creciente escasez de agua en Bahrain. La sobreexplotación de los mantos acuíferos 
 subterráneos les ha provocado el influjo de agua marina en los acuíferos, deteriorando la calidad de 
 agua en términos de salinidad. Relatan que fueron consideradas varias opciones para superar esa 
 situación crítica, siendo la principal la desalinización. Para esta emplearon plantas Flash Multi- 
 etapas y de Ósmosis Inversa, las cuales son grandes consumidoras de energía eléctrica, cara y 
 contaminante. 
 
 El objetivo de su trabajo fue tratar de condensar vapor de agua atmosférica en Bahrain, el cual 
 tiene una temperatura de punto de rocío relativamente alta, especialmente en invierno. Sus 
 principales resultados se muestran en las Tablas 1.5, 1.6 y 1.7. 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 11 
 Tabla 1.5. Cantidades de rocío recolectadas sobre diferentes superficies de condensación. 
Superficie Área 
(cm2) 
Masa antes de la 
condensación (g) 
Masa después de 
la condensación (g) 
Masa de rocío 
recolectado (g) 
Rocío en kg 
por m2 por h 
Aluminio 18 5.78 5.9 0.12 1.2 
Vidrio 19 8.97 9.05 0.08 0.8 
Polietileno 42.4 0.14 0.21 0.07 0.7 
 Fuente: Alnaser W.E.y Barakat A. (2000). Use of condensed water vapour from the atmosphere for irrigation 
 in Bahrain. Applied Energy 65, 3-18. 
 
 
 Tabla 1.6. Valores horarios medidos de: punto de rocío (Tpr), contenido de vapor 
 de agua (χ , y tasa de condensación (E) en Enero. 
Hora del día Tpr (oC) χ (g/m3) E (mm/h = l/m2·h) 
00:00 10.8 9.81 0.0382 
01:00 10.7 9.77 0.0382 
02:00 10.8 9.84 0.0385 
03:00 10.7 9.78 0.0382 
04:00 10.4 9.60 0.0377 
05:00 10.5 9.67 0.0378 
06:00 10.4 9.61 0.0378 
Total 1.06 kg/día = 0.266 kg/6 h = 0.2663 mm/6 h 
 Fuente: Alnaser y Barakat (2000) 
 
 
Tabla 1.7. Valores horarios medidos de: punto de rocío (Tpr), contenido de vapor 
 de agua (χ), y tasa de condensación (E) en Agosto. 
Hora del día Tpr (oC) χ (g/m3) E (mm/h = l/m2·h) 
00:00 25.9 23.9 0.0141 
01:00 25.3 23.2 0.0137 
02:00 25.4 23.3 0.0138 
03:00 25.4 23.3 0.0157 
04:00 25.2 23.0 0.0156 
05:00 25.0 22.8 0.0154 
06:00 25.0 22.8 0.0154 
Total 0.416 kg/día = 0.104 kg/6 h = 0.1037 mm/6 h 
 Fuente: Alnaser y Barakat (2000) 
 
 
 Los autores del trabajo comparan los resultados de estas tres últimas tablas y concluyen que en 
 Enero pudieron colectar un máximo de 1 litro por día sobre 1 m2 de superficie de aluminio 
 protegida de la radiación solar directa y del viento, mientras que la cantidad recolectada en un día 
 de verano fue de 400 ml. Mencionan que si al aluminio se le enfría hasta los 0oC, entonces es 
 posible colectar 31 litros por día. 
 
 Concluyen que el aluminio recolecta la mayor cantidad de rocío, mientras que el polietileno 
 recolecta la mínima. Por lo tanto, el aluminio, que es ampliamente producido en Bahraim, puede 
 ser un buen colector de rocío. Una superficie con un área de 1 m2 puede recolectar 1.3 kg de agua 
 en 1 h en condiciones climáticas de mucha humedad con una temperatura de placa de 0ºC, mientras 
 que en Enero puede colectarse hasta 1 kg por día por enfriamiento radiativo de la placa. 
 
4) Muselli et al. (2002) [7] instalaron un colector de rocío en la Isla de Córcega, Francia (Fig. 1.4). 
 Uno de los principales objetivos de su trabajo fue hallar el rendimiento y compararlo con otro 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 12 
 colector, horizontal, construido con plexiglás (polimetilmetacrilato). Este último sirvió como 
 referencia y fue colocado en un lugar cercano al otro. Entre el 22 de Julio de 2000 y el 11 de 
 Noviembre de 2001 (478 días) hubieron 145 días en que se formó rocío sobre el colector de 
 referencia (30%) y 214 días en que se formó rocío sobre el colector en estudio (45%). Este 
 rendimiento corresponde a 767 l (3.6 l, en promedio, por día en que se formó rocío). El máximo 
 rendimiento en el período fue de 11.4 l/día. Indican también que la masa derocío recolectado puede 
 ser ajustada a un modelo simple que prediga la producción de rocío a partir de datos meteorológicos 
 simples (temperatura, humedad, velocidad de viento, nubosidad). Por último señalan que se 
 hicieron análisis del agua recolectada desde el 16 de Octubre de 1999 hasta el 16 de Julio de 2000, 
 y que salvo por una débil acidez y una alta concentración de sólidos suspendidos, el agua de rocío 
 satisface los requerimientos para agua potable en Francia. 
 
 
 
 
 Después de haber descrito el panorama reciente de los colectores de rocío atmosférico, en el siguiente 
capítulo se presentan los aspectos relacionados con el medio ambiente que rodea al colector, como son 
la atmósfera con su contenido de humedad y sus variaciones, y el balance de la radiación térmica entre 
el colector, la atmósfera que lo rodea y el cielo nocturno. 
 
Capítulo 1: Panorama Nacional del Agua y Colectores de Rocío 
CAPÍTULO 2 
 
 
INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA Y EL CIELO 
CON EL COLECTOR DE ROCÍO 
 
 
 
 En este capítulo se presentan los conceptos relacionados con el comportamiento del vapor de agua 
atmosférica, punto de rocío y condensación. También se presentan los conceptos relacionados con las 
radiaciones atmosférica y celeste y su intercambio con el colector de rocío. Estos dos aspectos son la 
parte fundamental del entorno que rodea a los colectores de rocío. 
 
 
 
2.1 VAPOR DE AGUA ATMOSFÉRICA 
 
 El vapor de agua constituye sólo una pequeña fracción de la atmósfera, variando desde 0.1% hasta el 
4% en volumen y desde 0 hasta 3% en masa (http://personal.cityu.edu.hk/~bsapplec/psychrom.htm), 
siendo el gas más importante en la atmósfera cuando se trata de entender los procesos atmosféricos. 
Los conceptos empleados en el estudio y la descripción de la atmósfera son: 
 
 Humedad es el término general empleado para describir la cantidad de vapor de agua en el aire. Los 
meteorólogos emplean varios métodos para expresar el contenido de vapor de agua en el aire: 1) 
humedad absoluta, 2) proporción de mezclado, 3) presión de vapor, 4) humedad relativa, y 5) punto de 
rocío. 
 
 Humedad Absoluta es la masa de vapor de agua en un volumen dado de aire (generalmente g/m3). A 
medida que el aire se mueve de un lugar a otro, los cambios en presión y temperatura le causan 
cambios a su volumen. Cuando tales cambios de volumen ocurren, la humedad absoluta también 
cambia, aunque no se le haya añadido o quitado vapor de agua. En consecuencia es difícil monitorear el 
contenido de vapor de agua de una masa de aire que se mueve si la humedad absoluta es el índice de 
medición que se emplea. Por eso los meteorólogos generalmente prefieren emplear la proporción de 
mezclado para expresar el contenido de vapor de agua en el aire. 
 
 
 Humedad Absoluta = (2-1) 
 
 
 Razón de Mezclado es la masa de vapor de agua en una unidad comparada con la masa restante de 
aire seco. 
 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 14 
 Razón de Mezclado = 
)(sec
)(
kgoairedemasa
gaguadevapordemasa (2-2) 
 
 Sin embargo, ni la humedad absoluta ni la razón de mezclado pueden ser determinadas fácilmente por 
medición directa, por lo tanto, también se utilizan otros métodos para expresar el contenido de 
humedad del aire. Estos incluyen presión de vapor, humedad relativa y punto de rocío. 
 
 Presión de Vapor. Otra medida de contenido de humedad en el aire es obtenida a partir de la presión 
ejercida por el vapor de agua. Se define como aquella parte de la presión atmosférica total debida a su 
contenido de vapor de agua. 
 
 Saturación. En un recipiente cerrado, medio lleno con agua pura y la otra mitad con aire seco, 
muchas más moléculas abandonan la superficie del agua (evaporan) que las que retornan (condensan). 
Sin embargo, a medida que más y más moléculas se evaporan desde la superficie del agua, la creciente 
presión de vapor en el aire de encima fuerza a que más y más moléculas de agua regresen al líquido. 
Eventualmente se alcanza un balance en el cual el número de moléculas de agua que regresan a la 
superficie es igual al número de aquellas que la abandonan. En este punto se dice que el aire ha 
alcanzado un equilibrio llamado saturación. 
 
 Presión de vapor saturado. A la presión ejercida por el movimiento de las moléculas de vapor de 
agua, cuando el aire está saturado, se le llama presión de vapor saturado. 
 
 Si se supone que se rompe el equilibrio calentando agua dentro de un recipiente cerrado, la energía 
añadida aumenta la tasa a la cual las moléculas de agua se evaporan. Esto a su vez causará que la 
presión de vapor en el aire aumente hasta que se alcance un nuevo equilibrio entre la evaporación y la 
condensación. Por lo tanto, puede verse que la presión de saturación de vapor es dependiente de la 
temperatura, tal que, a temperaturas más altas se requiere más vapor de agua para saturar el aire. 
 
 La atmósfera se comporta de manera muy parecida a un recipiente cerrado. En la naturaleza, la 
gravedad, en vez de la tapa, previene que el vapor de agua (y otros gases) se escapen hacia el espacio. 
También, al igual que en el recipiente, las moléculas de agua se están evaporando constantemente 
desde las superficies líquidas y otras moléculas de vapor están regresando. Sin embargo, en la 
naturaleza no siempre se alcanza un balance. La mayoría de las veces, más moléculas de agua 
abandonan las superficies de agua que las que regresan, provocando lo que los meteorólogos llaman 
evaporación neta. En contraste, durante la formación de niebla, más moléculas de agua se están 
condensando que las que se evaporan, dando lugar a una condensación neta. 
 
 Uno de los principales factores que determina que la tasa de evaporación exceda a la tasa de 
condensación o viceversa, es la temperatura de la superficie del agua, la cual a su vez determina cuanto 
movimiento (energía cinética) poseen las moléculas de agua. 
 
 El otro factor principal que determina si dominará la evaporación o la condensación, es la presión de 
vapor del aire alrededor del líquido. Cuando el aire está seco (baja presión de vapor), la tasa a la cual 
las moléculas de agua regresan a la fase líquida tiene un valor pequeño. Sin embargo, cuando el aire 
alrededor del líquido ha alcanzado la presión de saturación de vapor, la tasa de condensación será igual 
a la tasa de evaporación. Entonces, cuando hay saturación no hay ni condensación neta ni evaporación 
Capítulo 2: Interacción de la Atmósfera y el Cielo con el Colector de Rocío 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 15 
neta. Por lo tanto, conservando todo lo demás igual, la evaporación neta es mayor cuando el aire está 
seco (baja presión de vapor) que cuando el aire está húmedo (alta presión de vapor). 
 
 Además de la presión de vapor y la temperatura, existen otros factores en la naturaleza que afectan 
las tasas de evaporación y condensación. Aunque estos factores son de importancia mínima en la 
mayoría de los procesos que operan en la superficie de la Tierra, ellos son significativos en la 
atmósfera, donde se forman las nubes y la lluvia. 
 
Humedad Relativa 
 
 La humedad relativa es la razón del contenido actual de vapor de agua en el aire comparado con la 
cantidad de vapor de agua requerido para la saturación a esa temperatura y presión. Por lo tanto, la 
humedad relativa indica qué tan cercano está el aire para saturarse, en vez de la cantidad de vapor de 
agua en el aire. 
 
 Existe la confusión con relación a la meteorología, de que el aire con una alta humedad relativa debe 
tener un mayor contenidode vapor de agua que el aire con una menor humedad relativa. 
Frecuentemente, este no es el caso. Por ejemplo, puede compararse un día típico de Enero en alguna 
presa o mar a altas latitudes, con uno en un desierto a bajas latitudes. Para este hipotético día puede 
suponerse, para el aire ambiente de la presa o mar, una temperatura de -10ºC, y una humedad relativa 
de 100%. 
 
 Remitiéndose a la Tabla 2.1, puede verse en ella que el aire saturado a -10ºC tiene un contenido de 
vapor de agua (razón de mezclado) de 2g por kg de aire seco. En contraste, el aire tibio del desierto en 
ese hipotético día de Enero está a 20ºC y la humedad relativa es de solamente 20%. Observando la 
tabla 2.1, puede verse que el aire a 20ºC tiene una razón de mezcla saturada de 14g de vapor de agua 
por kg de aire seco. Por lo tanto, con una humedad relativa de 20%, el aire del desierto tiene un 
contenido de vapor de agua de 2.8g por kg de aire seco. En consecuencia, el aire “seco” en el desierto 
contiene casi 1.5 veces más vapor de agua que el aire “húmedo” en el mar o la laguna. 
 
 Tabla 2.1. Razón de Mezcla Saturada a
 Temperatura 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ºC 
Razón de Mezcla 
Saturada 
g (vapor agua)/kg (aire seco) 
-40 0.1 
-30 0.3 
-20 0.75 
-10 2 
0 3.5 
5 5 
10 7 
15 10 
20 14 
25 20 
30 26.5 
35 35 
40 47 
 Fuente: Lutgens F.K. y Tarbuck E.J. (2001) The Atmosphere. An Introduction 
 to Meteorology, 2a edn., pp. 88-98 .Prentice Hall, New Jersey. 
 a A presión del nivel del mar. 
Capítulo 2: Interacción de la Atmósfera y el Cielo con el Colector de Rocío 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 16 
 Esto aclara el por qué algunos lugares que son muy fríos son también muy secos. El bajo contenido 
de vapor de agua de aire frío (aún cuando esté saturado) ayuda a explicar el que muchas áreas árticas 
reciban solamente escasas cantidades de precipitación pluvial y sean llamadas algunas veces “desiertos 
polares”. 
 
Cambios en la Humedad Relativa 
 
 Como la humedad relativa está basada en el contenido de vapor de agua en el aire, así como en la 
cantidad de humedad requerida para la saturación, puede ser cambiada en cualquiera de dos formas. 
Primero, la humedad relativa puede ser cambiada por la adición o remoción de vapor de agua. 
Segundo, como la cantidad de humedad requerida para la saturación es función de la temperatura del 
aire, la humedad relativa puede ser variada con la temperatura. Hay que tener presente que la presión 
de vapor saturado es dependiente de la temperatura, tal que, a mayor temperatura, se requiere más 
vapor de agua para saturar el aire, que a menor temperatura [9] (Lutgens, 2001). 
 
Cambios con la Adición o Sustracción de Humedad 
 
 Cuando se añade vapor de agua a una parcela de aire, su humedad relativa aumenta hasta que ocurre 
la saturación (100% de humedad relativa). Pero si se le añade aún más humedad a esta parcela de aire 
saturado, el exceso de vapor de agua se condensa para formar agua líquida. 
 
Cambios con la Temperatura 
 
 La segunda situación que afecta la humedad relativa es la temperatura del aire. Cuando el contenido 
de vapor de agua permanece constante, un descenso en la temperatura provoca un incremento en la 
humedad relativa. No hay razón para pensar que el enfriamiento va a finalizar cuando el aire alcanza el 
punto de saturación. Cuando el aire es enfriado por debajo de su nivel de saturación, parte del vapor de 
agua se condensa. 
 
Punto de Rocío 
 
 El punto de rocío está relacionado con la humedad absoluta y define la temperatura a la cual el aire 
está saturado con vapor de agua. Una superficie cercana al nivel de la tierra puede ser enfriada, por 
enfriamiento radiativo, por debajo de la temperatura ambiente, debido a que la radiación infrarroja 
emitida desde la superficie no es compensada por la radiación atmosférica que incide sobre ella. Por lo 
tanto, la condensación preferencial puede ocurrir sobre superficies con una alta emitancia térmica, 
especialmente a longitudes de onda de 8 a 13 μm en la llamada ventana atmosférica. La tasa de 
formación de rocío depende, tanto de la disponibilidad de vapor de agua en el aire –humedad absoluta–, 
como de la diferencia entre el punto de rocío y la temperatura ambiente, la cual es expresada por la 
humedad relativa. El contenido de vapor de agua del aire aumenta con la temperatura del punto de 
rocío, mientras que el potencial de enfriamiento radiativo es mayor a temperaturas de punto de rocío 
bajas y humedades relativas bajas [4] (Nilsson et al., 1994). 
 
 A diferencia de la humedad relativa, que es la medida de qué tan cercano está el aire para ser 
saturado, la temperatura del punto de rocío es una medida de su contenido de humedad real. Debido a 
que la temperatura del punto de rocío está directamente relacionada a la cantidad de vapor de agua en el 
Capítulo 2: Interacción de la Atmósfera y el Cielo con el Colector de Rocío 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 17 
aire, y debido a que es fácil de determinarlo, es una de las mediciones de humedad más ampliamente 
usadas. 
 Como el punto de rocío es la temperatura a la cual ocurre la saturación, puede concluirse que altas 
temperaturas de punto de rocío se equiparan a aire húmedo, y bajas temperaturas de punto de rocío 
indican aire seco. Con base en los conceptos de presión de vapor y saturación, puede establecerse que 
por cada 10ºC de incremento en la temperatura del punto de rocío, el aire contiene aproximadamente el 
doble de vapor de agua. Debido a que la temperatura del punto de rocío es una buena medida de la 
cantidad de vapor de agua en el aire, es la medida de la humedad atmosférica que aparece en los mapas 
diarios de clima de algunos países. Cuando el punto de rocío excede los 18ºC, el aire se considera como 
húmedo, y aire con un punto de rocío de 24ºC o mayor es considerado opresivo. 
 
Condensación 
 
 La condensación ocurre cuando el vapor de agua cambia a líquido. El resultado de este proceso puede 
ser rocío, niebla o nubes. Aunque cada tipo de condensación es diferente, todos ellos se forman cuando 
ocurren dos condiciones: 
 
 Primera: para cualquier forma de condensación que vaya a ocurrir, el aire debe estar saturado. La 
saturación ocurre, o cuando el aire es enfriado por debajo de su punto de rocío, o cuando se añade 
suficiente vapor de agua al aire. 
 
 Segunda: generalmente debe haber una superficie sobre la cual el vapor de agua se condense. Cuando 
una superficie es mantenida a una temperatura inferior a la del aire que se encuentra por encima de ella, 
es posible que las moléculas sean capturadas más rápido de lo que son perdidas, y esta ganancia neta es 
conocida como condensación. Cuando el rocío se forma, los objetos cercanos al piso o sobre el piso, 
como las hojas de la hierba, sirven para este propósito. Cuando la condensación ocurre en el aire, por 
encima del piso, pequeñas partículas conocidas como núcleos de condensación sirven como superficies 
sobre las cuales se condensa el vapor de agua [9] (Lutgens, 2001). 
 
 
 
2.2 RADIACIÓN TÉRMICA CELESTE Y ATMOSFÉRICA 
 
 Existen tres mecanismos de transferencia de calor en la atmósfera: conducción, convección, y 
radiación, los cuales se realizan simultáneamente y consisten en lo siguiente: 
 
Conducción. La habilidad de las sustancias para conducir calor varía considerablemente. Algunos 
materiales son buenos conductores, en cambio el aire es un conductor muy pobre. En consecuencia, la 
conducción es importante solamente entre la superficie de la Tierra y el aire que estáen contacto con la 
superficie. Como un medio de transferencia de calor en la atmósfera, la conducción es el menos 
significativo y puede ser descartado cuando se consideran la mayoría de los fenómenos meteorológicos. 
 
Convección. Mucho del transporte de calor que ocurre en la atmósfera se lleva a cabo por convección. 
La mayor parte del calor adquirido por las partes bajas de la atmósfera por medio de conducción y 
radiación es transferido por flujos convectivos. Esta convección no solo transfiere calor, sino también 
transporta la humedad que está en el aire. El resultado es un incremento en la nubosidad que 
frecuentemente se observa en las tardes de verano. 
Capítulo 2: Interacción de la Atmósfera y el Cielo con el Colector de Rocío 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 18 
 
 En la circulación convectiva el aire se mueve, tanto vertical como horizontalmente, de tal forma que 
ocurre transferencia de calor tanto verticalmente como horizontalmente. Sin embargo los meteorólogos 
usan el término convección para describir la transferencia de calor hacia arriba y hacia abajo. En 
contraste, el término advección lo utilizan para denotar la componente horizontal del flujo convectivo. 
El término común para la advección es “viento”. En el mes de Enero el fenómeno de la advección 
adquiere importancia cuando el aire frío polar invade las regiones norte y centro de la República 
Mexicana. En contraste, el flujo de aire hacia el norte, proveniente del Golfo de México, está asociado 
con calor. 
 
 El tercer mecanismo de transferencia de calor en la atmósfera es el más importante para el 
funcionamiento de los colectores de rocío. Este se explica a continuación: 
 
Radiación. La radiación viaja hacia afuera, a partir de su fuente emisora, en todas direcciones. Es el 
único mecanismo de transferencia de energía que viaja a través del espacio vacío, siendo este el 
mecanismo por el cual la energía solar alcanza nuestro planeta. 
 
 Al Sol se le asocia con la emisión de luz y calor, y aunque estas formas de energía constituyen la 
mayor porción del total de la energía que proviene del Sol, ellas son solamente parte de un gran arreglo 
o espectro de energía llamado radiación electromagnética (Fig. 2.1) 
 
 
 Fig. 2.1. Espectro electromagnético, ilustrando las longitudes de onda y nombres de varios tipos de radiación 
 (Lutgens y Tarbuck 2001) 
 
 
 A la radiación se le identifica a menudo por el efecto que produce cuando interacciona con un objeto. 
El rango de longitudes de onda a las que se le llama luz visible es detectado por las retinas de los ojos. 
Localizada junto al rojo de la luz visible, pero con una longitud de onda más larga, está la radiación 
infrarroja, la cual se detecta como calor. Las ondas invisibles más cercanas al violeta se denominan 
Capítulo 2: Interacción de la Atmósfera y el Cielo con el Colector de Rocío 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 19 
rayos ultravioleta. A la porción del espectro de longitudes de onda, 0.1μm ≤ λ ≤ 100μm se le conoce 
generalmente como radiación térmica. 
 
 
Leyes de la Radiación 
 
 A continuación se presenta una breve descripción de las leyes de radiación: 
 
1) Todos los cuerpos emiten energía debido a su temperatura, y a esa energía emitida se le llama 
 radiación térmica. La energía radiativa emitida por un cuerpo es trasmitida al espacio en forma de 
 ondas electromagnéticas, de acuerdo a la teoría clásica de ondas electromagnéticas de Maxwell, o 
 en forma de fotones discretos de acuerdo a la hipótesis de Planck. Ambos conceptos han sido 
 utilizados en la investigación de la transferencia radiativa de calor. 
 
 La emisión o absorción de energía radiativa, de un cuerpo es un proceso volumétrico; esto es, la 
 radiación que se origina desde el interior de un cuerpo es emitida a través de la superficie. Por otro 
 lado, la radiación incidente sobre la superficie de un cuerpo penetra hacia el interior del mismo, 
 donde es atenuada. Cuando una proporción grande de la radiación incidente es atenuada en una 
 muy pequeña distancia de la superficie, podemos hablar de radiación absorbida o emitida 
 por la superficie. Por ejemplo, la radiación térmica incidente sobre una superficie metálica es 
 atenuada a una distancia de pocos ángstrom de la superficie; por lo tanto, los metales son opacos a 
 la radiación térmica. 
 
 El flujo máximo de radiación emitido por un cuerpo a temperatura T está dado por la ley de 
 Stefan-Boltzmann, 
 
Eb = σT4 [W/m2] (2-3) 
 
 
 donde T es la temperatura absoluta, σ es la constante de Stefan-Boltzmann, y Eb es la potencia emi- 
 siva del cuerpo negro. 
 
 Solamente un radiador ideal o cuerpo negro puede emitir radiación de acuerdo a la ecuación (2- 
 3). El flujo radiante emitido por un cuerpo real a una temperatura absoluta T es siempre menor que 
 la potencia emisiva del cuerpo negro, Eb, y está dado por 
 
 
 q = εEb = εσT4 [W/m2] (2-4) 
 
 
 donde los valores de la emitancia ε se encuentran entre cero y la unidad. Para todos los cuerpos 
 reales su valor siempre es menor que la unidad. 
 
 El término cuerpo negro puede producir confusión, ya que implica el concepto de color. Es un 
 hecho que cuerpos que bajo condiciones ordinarias no se ven negros, pueden radiar como cuerpos 
 negros. El Sol es uno de ellos, y aún la energía radiada desde una superficie de nieve brillante está 
 muy cercana a la de un cuerpo negro. 
Capítulo 2: Interacción de la Atmósfera y el Cielo con el Colector de Rocío 
 Tesis: Análisis del Desempeño Térmico de un Colector de Rocío Atmosférico 20 
 
 Todos los cuerpos negros emiten un espectro continuo. Sin embargo, los gases tienen un espectro 
 discontinuo, mostrando emisión y absorción en varias partes del espectro, llamadas líneas. Estas 
 líneas son características para cada sustancia gaseosa y sirven como un medio de identificación. 
 
 
2) Los objetos más calientes radían más energía total por unidad de área que los menos calientes (ley 
 de Stefan-Boltzman, E = σ T4). 
 Por ejemplo, el Sol que tiene una temperatura superficial de 6 000 K emite alrededor de 160 000 
 veces más energía que la Tierra, la cual tiene una temperatura superficial promedio de 288 K. 
 
 
3) Entre más caliente está el cuerpo radiante, más corta es la longitud de onda de su máxima radiación 
 (Ley del desplazamiento de Wien, λmáx = Cte./T). 
 Debido a la alta temperatura de la superficie del Sol, la mayor parte de su energía es radiada a 
 longitudes de onda más cortas que los 4 micrómetros, con mayor concentración en el rango visible 
 del espectro electromagnético. La Tierra, en cambio, radía la mayor parte de su energía en 
 longitudes de onda mayores que 4 micrómetros, principalmente en la banda infrarroja. Por eso, a la 
 radiación solar se le llama de onda corta, y a la radiación terrestre, de onda larga. (Fig. 2.2) 
 
 
 Fig. 2.2. Comparación de la intensidad de la radiación solar con la radiación emitida por 
 la Tierra. (Lutgens y Tarbuck, 2001) 
 
 
4) Los objetos que son buenos absorbedores de radiación son también buenos emisores. 
 Un absorbedor (y emisor) perfecto es un cuerpo negro. Una superficie negra opaca está cercana a 
 ser un cuerpo negro debido a que absorbe aproximadamente el 90% de la radiación que incide sobre 
 él. Técnicamente, un cuerpo negro es cualquier objeto que radía, para toda longitud de onda, la 
 máxima intensidad