CLCULO Y CONSTRUCCIN DE UN SECADOR SOLAR POR CONVECCIN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS MEDICINALES NO TRADICIONALES"

Universidad Nacional Mayor de San MarcosCENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT

Integrantes: CURO Moya , Herve HUANCAHUARI Yarasca, Eder LLANTOY Parra, Vctor SIVIPAUCAR GOMEZ, Clodoaldo

Asesor:Ph.D Andrs Valderrama Romero

INTRODUCCINUno de los principales problemas en la produccin de plantas medicinales es contar con un mtodo adecuado para su conservacin, comercializacin y distribucin; el proceso de secado o deshidratacin de dichos productos, es la solucin ms adecuada. En el Per, existen tradiciones relacionadas al uso de energa solar para el secado de diversos productos agrcolas. Esta labor se lleva a cabo mediante la exposicin directa al sol de estos productos, el mtodo es provechoso pero no regulable. Esta investigacin propone un prototipo de secador solar indirecto para plantas medicinales no tradicionales, que ser diseado y construido en base a los principios de Transferencia de Calor y Masa, Termodinmica y Flujo de Fluidos.

OBJETIVOSOBJETIVO GENERALDiseo, construccin y puesta en marcha de un prototipo de secador solar para la reduccin de humedad de las plantas medicinales no tradicionales y de este modo incentivar el cultivo de plantas medicinales no tradicionales en las zonas rurales (alto andinas y otras).

OBJETIVOS ESPECIFICOSCalcular la eficiencia del colector solar y el proceso de secado.Reconocer las plantas medicinales no tradicionales ms apropiadas para que puedan ser industrializadas.Determinar el tiempo ptimo de secado de las hojas de las plantas medicinales no tradicionales consideradas.

Proceso de secado: La Humedad.Humedad Superficial e Interna de un material.Mtodos para hallar la humedad:Mtodo Directo.Mtodo Indirecto. DEFINICIONES PREVIAS

Humedad en base hmeda.

Humedad en base seca.

Mwb: Es la humedad en base hmeda (Kg. agua / Kg. prod. hmedo)Mdb: Es la humedad en base seca (Kg. agua / Kg. prod. seco)Wo: Peso inicial de la materia sin secar (Kg.)Ww: Cantidad de agua en el producto hmedo (Kg.)Wd: Peso de la materia seca en el producto (Kg.)

Materiales Higroscpicos En los materiales higroscpicos la humedad contenida esta usualmente atrapada en pequeos capilares cerrados, siendo imposible llegar hasta valores de humedad iguales a cero y por tanto siempre existir un contenido de humedad residual, como es el caso de las plantas medicinales no tradicionales.

Secadores Solares. Secador solar directo En este tipo de secadores el producto se usa como superficie absorbente de la radiacin solar. En ellos, el secado se realiza en menor tiempo pero tambin es menos uniforme, con ventajas para las partes del producto directamente expuestas al sol. Es eficiente con productos resistentes a la radiacin solar directa.

Secadores Solares. Secador solar indirecto Ofrece una mejor calidad del producto, al no incidir sobre el mismo la radiacin solar directamente; la manipulacin del producto es generalmente ms fcil; el control de los parmetros de secado es ms sencillo, ya que puede regularse por medio del aire.Por conveccin natural Por conveccin forzada

Secadores Solares. Secador solar mixto En ellos el producto esta expuesto simultneamente a la radiacin solar directa y al aire previamente calentado con energa solar. Resultan tiles cuando el rea es insuficiente para el secado solar directo, con una adecuada circulacin de aire pueden producir un secado mas uniforme que este ultimo.

Partes de un secador solar indirecto El Colector Solar. El cual, consta de una cubierta de vidrio que permite el paso de la radiacin solar de onda corta, una placa absorbente formada de una capa de piedras distribuidas uniformemente que permite absorber la radiacin de onda corta concentrndola y reflejndola en radiacin de onda larga. En el colector se busca elevar la temperatura del aire y reducir su humedad.

La Cmara de Secado. Es una cabina cerrada, cuyas dimensiones dependen de la cantidad de plantas a secar y del proceso de secado. Consta de una entrada conectada a la salida del colector y que permite la entrada del flujo de aire caliente, posee un sistema de carga y descarga de las plantas medicinales, para controlar de forma ms sencilla el proceso. En la cmara, el aire circundante a las plantas (con alta temperatura) permite remover el agua contenida en ellas. Partes de un secador solar indirecto

Partes de un secador solar indirecto La Chimenea. Es un ducto aislado que permite la evacuacin del flujo de aire hmedo de la cmara de secado hacia el ambiente.

ColectorCmaraChimenea

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO Se toma en cuenta las variables meteorolgicas: velocidad del viento, irradiacin solar, latitud, humedad y temperatura de aire (informacin obtenida del lugar de prueba), :

Anlisis del circuito trmico en un colector de placa planaBalance de energa tomando en cuenta el calor absorbido, el calor til, y las perdidas en la parte superior e inferior del colector solar de placas planas.Se ejecuta el clculo terico de la eficiencia del colector solar de placas planas, determinndose el rea de captacin ptima y el rea de paso (flujo de aire), con lo cual se puede optimizar las dimensiones para el colector (largo, ancho y alto). PRIMERA ETAPA: Diseo del colector solar

Anlisis del circuito trmico de un colector solar de placa planaR1, R2, R4 son resistencias que representan oposicin a las perdidas de calor por conveccin y radiacinR3 representa la resistencia a la conduccin a travs del aislante trmico en la parte posterior y a los lados del colectorR4 es muy pequea y despreciableLa finalidad de este anlisis es obtener una resistencia equivalente(Req) que es inverso del coeficiente total de perdidas de calor (Up)

Ut es el coeficiente total de transferencia de calor para la parte superior del colector y es igual al inverso de las de la suma de las 2 primeras resistencias. Ub y Ue, son los coeficientes de prdida de calor por conduccin en el fondo y los lados respectivamente, que tienen que ver con R3 Ka = Es la conductividad trmica del aislantel = Espesor del aislante en el fondol = Espesor del aislante a los ladosP = Permetro del colectorM = Altura del colector

Anlisis del proceso de transferencia de calor en un colector de placa plana Ecuacin de Balance Energtico en colectores de placa planaQabs (W) = Calor total incidente absorbido por unidad de tiempo.Qutil (W) = Calor til que se trasfiere al fluido de trabajo.Qperd (W) = Prdidas de calor a los alrededores por radiacin, conveccin y conduccin.du/dt (W) = Rapidez del cambio de energa interna almacenada en el colector, despreciable.

H (W/m2) = Energa solar incidente.Ac (m2) = rea efectiva del colector. = Transmitancia solar efectiva de la cubierta del colector = Absortancia de la placa absorbente del colector

: Es la refractancia difusa, toma diferentes valores segn el nmero de cubiertas que se utilicen para 1 cubierta = 0.16

m (kg): Masa de aireCp (J/kgC): Capacidad calorfica del fluidodT/dt (C/s): Rapidez del cambio de cambio de temperatura con respecto al tiempoUl (W/m2 C): Coeficiente de prdidas de calor por radiacin, conveccin y conduccin Tpm (C): Temperatura media de la placa de absorcinTa: Temperatura del ambiente.La temperatura media es funcin del diseo del colector y a su vez este depende de la radiacin solar incidente y la temperatura del fluido de trabajo al entrar al colector.Reemplazando:

Cubierta (vidrio)Placa colectora(Piedras)Aislamiento (Tecnopor)Aire froAire CalienteSh2h1hrBalance energticoCubierta:Placa:Fluido:(-)(+)(+)(+)(-)(-)(-)(-)(+)Fluido

Calculo de Ut, coeficiente de transferencia de calor por conveccin, utilizados en colectores solares planos.Remplazando en la ecuacin de fluidoDespejado de la ecuacin de cubiertaDespejado de la ecuacin de PlacaComparando

N: Numero de cubiertas del colector f, C, e: Constantes dependientes.

SEGUNDA ETAPA: Planteamiento de las dimensiones de la cmara de secado

Para el clculo de las dimensiones de la cmara de secado se toman los parmetroa siguientes: Cantidad de producto a secar Area de paso transversal al flujo de aire calienteDescarga manual de los productos a secar

TERCERA ETAPA: Diseo del Secador SolarHallados las dimensiones del secador solar indirecto mediante los anlisis realizados, se procede a elaborar los planos necesarios para su construccin, haciendo uso de un programa de diseo por computador.

CUARTA ETAPA: Construccin del secador.Los materiales empleados para la construccin del secador solar son los siguientes:Madera Triplay, que se emplea como recubrimiento. Se eligi este material por ser ligero y trabajar como un aislante eficaz. Teknopor, utilizado como aislante en determinadas zonas internas del secador.Madera Cedro, se elige este tipo de madera por conservar sus caractersticas fsicas durante su exposicin al sol, comprende la parte estructural del secador. Piedras de canto rodado (placa absorbente), estas fueron pintadas de color negro para absorber eficientemente la radiacin solar.Vidrio cristal (la cubierta), es de por s el elemento ms importante del colector.

Detalles en fotografias de la construccin del secador.

Detalles en fotografias de la construccin del secador.

QUINTA ETAPA: Ensayos experimentales

Los ensayos de secado de las plantas medicinales empleando el secador solar se realizaron en Huarochir (provincia de Lima Km. 42 carretera central) a una altitud de 700 msnm. entre los meses de Mayo y Junio de 2008, se escogi este lugar debido a que existe un clima clido y seco todo el ao. Instrumentacin Se instal un termmetro en la salida del colector solar, en la cmara de secado y en la chimenea; asimismo en la cmara de secado se instal el higrmetro. En la entrada del colector se instalo un anemmetro y un termmetro digital .b) Periodo de estabilizacin trmica Despus de instalados los equipos en el secador solar se espera un periodo de 40 min para el proceso de estabilizacin trmica, hasta que alcance la temperatura de operacin.c) Monitoreo de variables Se pesa las plantas medicinales cada 20 min. tomando simultneamente la temperatura, velocidad del viento y humedad relativa en cada punto de medicin, antes de ejecutar el pesado del producto.

Instrumentos empleados en los ensayos experimentales

Detalles en fotografas de los ensayos experimentales

Plantas Medicinales Coloracin CaractersticasVerde ClaroVerde OscuroVerde ClaroVerde Oscuro Crocante Mantiene olor caracterstico Sensibilidad al tacto Crocante Mantiene olor caracterstico Sensibilidad al tacto Crocante Mantiene olor caracterstico Resistencia a elevadas temperaturas Caractersticas de las plantas medicinales no tradicionales que fueron secadas en el secador solar

Protocolo de ensayos experimentales

Protocolo de ensayos experimentales

Protocolo de ensayos experimentales

Protocolo de ensayos experimentales

1. Humedad de las plantas medicinales no tradicionalesVaracin de la humedad de las plantas medicinales respecto al tiempo de secado; el Toronjil reduce su contenido de humedad con mayor facilidad, se inicia con 86,4% y concluye el proceso de deshidratacin con 18.2% de humedad. Le siguen la Mua y el Eucalipto que se inicia con 74% y 61.4% y finalizan con 20.33% y 17% respectivamente. La Hierba Santa es la planta medicinal que posee menor velocidad de secado.ANALISIS DE RESULTADOS

2. Velocidad de secadoLa mayor velocidad de secado la obtuvo el toronjil, seguido por la mua, despus el eucalipto y finalmente es la hierba santa. Este factor es importante a tener en cuenta debido a que mide la eficiencia o productividad de secado para estas plantas medicinales, utilizando el secador y la cmara de secado construida. Si se deseara considerar la posibilidad de industrializar este proceso se tomara otras plantas medicinales cuyas caractersticas biolgicas y estructura fsica seran similares al Toronjil y la mua.

3. eficiencia trmica de secadoLa mayor eficiencia de secado se logr con el toronjil, debido a que fue uno de los productos de mayor humedad inicial. Las condiciones de temperatura del da de ensayo fueron ms ptimas, tambin las caractersticas biolgicas y fsicas de las hojas del toronjil (estructura venosa con gran capacidad para almacenar agua) fueron aprovechadas

4. Influencia del flujo msico en la eficiencia del colector solar Un mayor flujo msico y una mayor eficiencia de secado no implica que se tenga una mayor prdida de humedad en el secado debido a que el aumento de flujo msico de aire depende de la velocidad; al aumentar la velocidad disminuye la temperatura a la salida del colector solar que es la temperatura de inicio en la cmara de secado.

5. Clculo de la Eficiencia Trmica del colector Se aprecia una zona en donde la eficiencia experimental del Eucalipto y la Mua son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio el mayor aprovechamiento de la energa solar y las condiciones del da de prueba (radiacin y velocidad del viento) fueron ptimas.

6. Clculo de la Eficiencia Trmica del colector Se aprecia una zona, donde la eficiencia experimental de la Hierba Santa y Toronjil son mayores que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio un aprovechamiento regular y las condiciones del da de prueba (radiacin y velocidad del viento) no fueron los ideales.

Anlisis de la Eficiencia Trmica del colector Se comparan las dos figuras anteriores, observandose lo siguiente:

a) En todas las pruebas realizadas las eficiencias experimentales fueron mayores que las simuladas.b) Se aprecia la existencia de tres zonas: Zona I, en donde el secador esta en proceso de calentamiento; Zona II, en donde el colector trabaj con las mejores condiciones trmicas y la Zona III, en donde el secador se encuentra en proceso de enfriamiento, debido a las condiciones climticas externas en el momento de los ensayos experimentales. Las eficiencias simuladas con el programa creado en base a las ecuaciones de balance de energa y los fenmenos de transferencia de calor son del 50% al 60%; cuando se realizaron los clculos experimentales se obtuvieron eficiencias en el rango de 40% a 75% esto se debe a que las condiciones climatologas variables que exista en los das de las pruebas experimentales; obtenindose mayores eficiencias con las plantas medicinales Mua y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a los 120 min de empezada la prueba (1:30 p.m.).

Anlisis de la Eficiencia Trmica del colector

Anlisis de la Eficiencia Trmica del colector

COEFICIENTE CONVECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALORSe aprecia que el mayor valor del coeficiente convectivo se obtuvo para el toronjil, demostrando de esta manera que con el toronjil se ha producido un mayor aprovechamiento de la energa calorfica.En la tabla podemos observar los valores promedios de los coeficientes convectivos entre el fluido (aire) y la superficie de cada planta medicinal, calculados siguiendo la metodologa propuesta por Tiwari donde se hallan los nmeros de Grashof y de Prandtl

CONCLUSIONESEl proceso de diseo, construccin y de realizacin de los ensayos experimentales del secado indirecto de las plantas medicinales, se tiene las conclusiones siguientes:Este proyecto demuestra que es posible desarrollar tecnologa apropiada para el secado de productos agrcolas en el Per, en este caso se realiz el proceso de diseo, clculo y construccin de un secador solar indirecto.El Toronjil es la planta medicinal ms apropiada para las caractersticas constructivas del secador indirecto debido a su elevada eficiencia de secado y a que la velocidad de secado es mayor que en las otras plantas medicinales.

La hierba santa es la planta medicinal que no se adecua a las caractersticas constructivas del secador solar indirecto, debido a su baja eficiencia de secado y a su baja velocidad de secado en comparacin con las otras plantas medicinales.Para un mayor aprovechamiento de la energa solar por el colector solar indirecto; las pruebas experimentales se deben realizar en el intervalo de tiempo que exista mejores condiciones de la variacin de temperatura; en nuestro caso de 10 a.m. 4 p.m.). Los coeficientes convectivos entre el aire calentado y las plantas medicinales varan en el rango de 0.55 a 1.89 W/m2C, siendo mayor en el caso del Toronjil y menor en el caso del eucalipto.

Ingeniera Mecnica de Fluidos 1er nivelUniversidad nacional Mayor de San marcosTelf.: 6197000 anexo 3819Pag. Web : www.cedit-termofluidos.comCorreo: cedit@unmsm.edu.peCentro de Desarrollo e Investigacin en Termofluidos

Propiedades Fsicas del aire hmedoClculo del calor especfico Ce (J/kgK)

Clculo de la densidad (kg / m3)

Clculo de la viscosidad dinmica (N.s/m2)

Clculo de la conductividad trmica Kv (W/m.K)

Clculo del coeficiente de expansin trmica 1(K-1)

Las propiedades del aire hmedo dependen exclusivamente de la temperatura:

Anlisis del proceso de transferencia de calor en la cmara de secado El coeficiente convectivo de transferencia de calor (hc) para conveccin natural puede ser determinado, segn Tiwari, usando el procedimiento basado en la obtencin del nmero de Nusselt, Grashof y de Prandtl. Nu: nmero de Nusselt.hc: Coeficiente de transferncia de calorKv: Conductividad trmica del aire hmedoX: Dimensin caracterstica de la superficie de exposicinPr: Nmero de Prandtl.Gr: Nmero de Grashof.m: Viscosidad dinmica.Ce: Calor especfico.g: Aceleracin de la gravedad.b1: Coeficiente de expansin trmica.: Densidad (Kg/m3)T: Incremento entre la temperatura del producto y la temperatura superficial (C) a: Largo de la bandejab: Ancho de la bandejaDeterminacin de coeficientes convectivos en circulacin natural

Es el requerimiento trmico para secar un producto, representa la cantidad de energa que tiene que absorber el producto para vaporizar su humedad, esto es, la energa necesaria para evaporar 1 Kg. de aguaClculo del calor latente de vaporizacin Lv (J/kg) R: La constante de los gases ideales (8314 J/kmolK)M: El peso molecular del agua (18.01 kg/kmol)Ps1: constante de la ecuacin (6547.1)Ps2: constante de la ecuacin (4.23)T: La temperatura (C)Tm: La temperatura media del fluido (C)El nmero de Nusselt para conveccin natural se halla en funcin de ambos nmeros adimensionales El nmero de Nusselt para conveccin natural se halla en funcin de ambos nmeros adimensionales C = Constanten = Constante

despejamos el coeficiente de transferencia de calor v0 = velocidad del aire superficial (m/s)La potencia trmica es la empleada en evaporar la humedad del productoQe: Potencia trmica (J/sm2)P(Tp): La presin parcial del vapor de agua a la temperatura del productoP(Tsp): La presin parcial del vapor de agua a la temperatura superficial : Humedad relativa superficial Calculo de la presin parcial del vapor de agua a una temperatura (T)

Clculo de la humedad evaporada del producto mevAt: rea de la bandeja (m2)t: tiempo (s)

Luego Tomando logaritmo naturalN: numero de observaciones ms el nmero de variables independientes Es posible calcular C y n mediante las expresiones anteriormente mostradas conociendoel rea de exposicin (At), la dimensin caracterstica de la superficie de exposicinde producto (X), mediante el registro de en el tiempo de las variables (t), temperatura del producto (Tp), temperatura superficial (Tsp), humedad relativa (), perdida de peso (el valor del agua evaporada mev (kg), ser la diferencia entre 2 valores consecutivos de prdida de peso), calculando con los datos mencionados Z, Y, X0, C0. Lv: Calor latente de vaporizacinDefiniendo un parmetro auxiliar Z