Calculoo)Diseño y Construcción de Un Secador Solar. Angeles Martínez (1)

7/26/2019 Calculoo)Diseo y Construccin de Un Secador Solar. Angeles Martnez (1)

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGA

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UNSECADOR SOLAR

INFORME TCNICO DE LA OPCIN CURRICULAR EN LA MODALIDAD DE

PROYECTO DE INVESTIGACIN

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:

I N G E N I E R O E N A L I M E N T O S

P R E S E N T A:

ANGELES MARTNEZ DANIEL

DIRECTOR DE INTERNO: M. en C. CARLOS OROZCO LVAREZ


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AAAAGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOSGRADECIMIENTOS

A Dios, por darme la vida y ponerme junto a las personas que quiero.

A mi mam, Esperanza Martnez, que con su amor, apoyo y desvelos, le debo todo

lo que soy; que ha sido un ejemplo de vida y a quien nunca podr pagarle todos sus

sacrificios y la confianza que deposit en m.

A mis hermanas, Daniela y Liliana, quienes han compartido conmigo momentosgratos y difciles tambin; que con su apoyo incondicional y consejos he logrado

alcanzar mis objetivos.

A mi to y amigo Juan Carlos Martnez, quien en vida siempre me alent a ser mejor

persona, y por todo el inters que mostr en la realizacin de ste proyecto.

A toda mi familia, en especial a Toita y Luz, por creer en m.

A mis amigos y compaeros por brindarme su amistad a lo largo de estos aos.

Al profesor Carlos Orozco lvarez por darme la oportunidad de colaborar con l en

la consolidacin de ste trabajo.


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i

RESUMEN

La deshidratacin de alimentos ha

jugado un papel importante en la

conservacin y comercializacin de los

mismos.

Debido a la falta de adecuados

mtodos de conservacin, el secado

solar al aire libre sigue siendo

ampliamente utilizado en Mxico y en

muchos otros pases, ya que se usa al

sol como una fuente renovable de

energa gratuita; sin embargo presenta

limitaciones para el secado a gran

escala entre los que se encuentran altos

costos, gran rea requerida, falta de

control de proceso, posible degradacin

bioqumica, infestacin por insectos, etc.

Por tales motivos la construccin de los

secadores solares ha cobrado gran

importancia ya que requiere menos

espacio, se logran productos secos en

mayor cantidad y calidad, el periodo de

secado es menor, los gastos de

inversin y mantenimiento son bajos,

debido a la disponibilidad de materiales

para su construccin y de que no se

requiere mano de obra especializada.

En el presente trabajo se realiz una

secuencia de clculo para estimar el

tiempo requerido para el secado de

nopal bajo las condiciones que se

supone existen dentro del secador y las

propiedades fsicas del nopal. Se estim

que la temperatura de salida del aire del

secador ser 65 C, la velocidad del

aire (Va) es de 0.63 m/s, con ellos se

determin que el tiempo de secado de

95 kg de nopal es de 9 horas.

Se calcul el flujo de calor total

necesario para secar 95 kg de nopal,

que al compararlo con el calor obtenido

del sol como fuente energtica, se

concluye que es posible realizar

exitosamente el secado del alimento en

cuestin en el secador solar tipo carpa

con las dimensiones sugeridas en el

presente trabajo.

Por otro lado se construy un secador

solar tipo carpa, que permite secar de

80 - 100 kg de frutas y hortalizas por

carga.


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ii

NDICE

1. INTRODUCCIN 1

1.1. Antecedentes 1

1.2. Generalidades 2

1.3. Principios y formas del secado solar de frutas y hortalizas 3

1.4. Aspectos de los secadores solares 5

1.5. Mtodos de secado solar 5

1.6. Clasificacin de los procesos y equipo 8

1.7. Tipos de secadores solares 9

1.7.1. Secadores de distribucin 9

1.7.2. Secador tipo integral 9

1.8. Aplicaciones, ventajas y desventajas 10

2. JUSTIFICACIN 12

3. OBJETIVOS 12

Objetivo General 12

Objetivos Especficos 12


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iii

4. METODOLOGA 13

5. DESARROLLO DE LA SECUENCIA DE CLCULO PARA

LA ESTIMACIN DEL TIEMPO DE SECADO 14

5.1. Definicin de las constantes y variables del sistema 14

5.2. Clculo del tiempo de secado 15

5.3. Clculo de la humedad en base hmeda 20

5.4. Clculo de la presin de vapor. Ecuacin de Antoine 21

5.5. Clculo de la humedad del aire a la entrada del secador 22

5.6. Clculo de volumen hmedo 22

5.7. Clculo de la densidad del aire 23

5.8. Clculo del flujo msico de aire 23

5.9. Clculo del dimetro equivalente 24

5.10. Clculo del coeficiente de transferencia de calor 24

5.11. Clculo del calor especfico hmedo de la mezcla aire-agua 25

5.12. Clculo de la masa de slidos hmedos y secos 25

5.13. Clculo de la densidad de slido seco 26

5.14. Clculo del contenido de humedad en el punto crtico 27


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iv

5.15. Clculo de la temperatura del slido a la salida del secador 28

5.16. Clculo de las entalpas 28

5.17. Clculo de la humedad relativa del aire a la salida del secador 30

5.18 Clculo de la velocidad del aire 31

5.19. Clculo del flujo de calor total necesario para secar los slidos

dispuestos en las charolas 34

6. Planos del secador solar 35

7. RESULTADOS Y DISCUSIN 45

8. CONCLUSIONES 47

9. PERSPECTIVAS 48

10. BIBLIOGRAFA 49


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v

LISTA DE CUADROS

1 Descripcin de algunos tipos de secadores solares 7

2 Listado de materiales para la construccin del secador solar 41

3 Propiedades de la zanahoria 45

4 Resultados obtenidos para el secado del nopal utilizando los datos de

las constantes y variables, as como la memoria de clculo planteada en

la seccin

46


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vi

LISTA DE FIGURAS

1 Secado directo en alimentos 6

2 Cubierta de tela a modo de proteccin de alimentos a secar 6

3 Secador en marco con mallas encima y abajo del alimento 7

4 Secador solar pasivo integral 10

5 Secador de bandeja 18

6 Diagrama de flujo para el determinar el valor definitivo de Va 33

7 Componentes principales del secador 35

8 Perspectiva de la estructura del secador 36

9 Unin de estructura con la tela 36

10 Planta del secador 37

11 Cabrilla frontal 38

12 Cabrilla comn 38

13 Cubo con chimenea 39

14 Base para carro de secado 39

15 Rejilla de secado 40

16 Rejillas apiladas 42

17 Estructura metlica con carros dentro 42

18 Parte norte del secador 43

19 Parte sur del secador 43

20 Ruta de carga y descarga de los carros 44

21 Secador solar tipo carpa construido 44


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1

1. INTRODUCCIN

Segn Suazo (1993) la deshidratacin de alimentos ha jugado un papel importante en

la conservacin y comercializacin de los mismos, y se contempla difcil que este

proceso sea desplazado. Sin embargo, en contra de su versatilidad, resulta ser unproceso caro porque consume mucha energa, y por lo tanto, contribuye a elevar de

manera notable el costo de los productos finales.

En varios pases se ha promovido desde hace algunos aos, la investigacin y la

bsqueda de alternativas para satisfacer las demandas energticas, estudiando y

analizando la energa solar, de manera intensiva y extensiva.

Mxico no ha sido la excepcin, sin embargo el trabajo realizado hasta la fecha, no ha

sido continuado de tal forma que se refleje la implementacin de lneas de proceso de

alimentos. El uso de energa solar en el procesamiento de alimentos es factible y

debera aplicarse al menos en la etapa de secado.

1.1. Antecedentes

Segn Suazo (1993) el uso de energa solar para el secado de alimentos es muy

antiguo y los aspectos benficos del proceso se desarrollan a base de prueba y error.

La deshidratacin o secado ya era utilizada en tiempos prehistricos por nuestros

antepasados, pues les permita obtener productos alimenticios con un tiempo de vida

superior. Con el paso del tiempo, la demanda de alimentos ha ido creciendo con el

aumento de la poblacin, y cada vez es mayor esta demanda, lo que ha acarreado el

que la industria de conservacin por secado haya adquirido una gran importancia en el

sector alimentario. El desarrollo de la industria del secado ha sido ligado a la demanda

de alimentos que deban cubrir las necesidades de los soldados en las guerras que se

han dado a lo largo de la historia (Barbosa, 2005).


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2

La aplicacin de la energa solar para el secado de frutas y hortalizas se ha

incrementado en los ltimos aos, igualmente el secado de granos parece ser un

campo natural del secado solar. Dependiendo de las caractersticas climatolgicas de la

regin, del producto y del sistema utilizado se ha encontrado que es recomendable o

no, siendo el factor econmico el principal indicativo para su utilizacin, pero el secado

al sol se sigui utilizando casi como proceso nico aunque se empezaron a crear

sistemas de secado artificial (Suazo, 1993).

1.2. Generalidades

El secado se emplea tambin al extraer lquidos orgnicos de materiales slidos. El

secado es un proceso en el que se intercambian calor y masa. Implica la transferencia

de un lquido procedente de un slido hmedo a una fase gaseosa no saturada. Incluye

una operacin energtica elemental y representa una de las acciones trmicas bsicas

en la industria de procesos y agroalimentaria. El secado o deshidratacin de alimentos

se usa como tcnica de preservacin pues los microorganismos que provocan la

descomposicin de los alimentos no pueden crecer y desarrollarse en ausencia de

agua. Una de las maneras ms simples para lograr el secado (de alimentos o cualquier

material) es exponer el material hmedo a una corriente de aire con determinadascondiciones de temperatura, humedad y velocidad. Entre ms seco y ms caliente est

el aire, mayor ser la velocidad de secado. El calor se aade por contacto directo del

producto a secar con aire caliente a presin atmosfrica y el vapor de agua formado se

elimina por medio del mismo aire (Romo et al, 2007).

Entonces la eliminacin del agua en el alimento se consigue de forma mayoritaria

mediante una corriente de aire seco, que elimina el agua de la superficie del producto

hacia el seno de la corriente de aire. El proceso de secado de alimentos no solo rebaja

su contenido en agua, sino que puede afectar otras caractersticas fsicas y qumicas de

los mismos, como son destruccin de nutrientes, reacciones enzimticas y no

enzimticas, entre otras, as es que con el secado se consigue una mejor conservacin

microbiolgica, adems de retardar muchas reacciones indeseables. Aunque esta


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3

conservacin del alimento tiene una gran importancia, con la deshidratacin tambin se

logra disminuir los costos de envasado, manejo, almacenado y transporte, ya que se

disminuye el peso del alimento, y en algunos casos el volumen (Barbosa, 2005).

El secado natural en el campo, adems de realizarse en la planta, se puede efectuar

tambin en surcos. Para abreviar el tiempo de secado y reducir al mnimo las prdidas,

se puede realizar el secado, por ltimo, en terrazas o en secadores que aprovechan la

accin de los vientos y la energa solar (Danpasquale et al, 1991).

1.3. Principios y formas del secado solar de frutas y hortalizas

El proceso de secado puede ser aplicado a todo tipo de alimentos, desde vegetales y

hortalizas hasta carnes y pescados, pasando por frutas, especias, hierbas aromticas,

etc. (Larrea, 2004).

Se entiende por secado natural aquel en que el movimiento del aire se realiza por

accin de los vientos y en que la evaporacin de la humedad se deriva del potencial de

secado del aire y de la influencia directa de la energa solar. El secado natural, en

terrazas o en el campo, es un mtodo ampliamente utilizado. El proceso comienza poco

tiempo despus de la maduracin fisiolgica del producto. En este periodo inicial, el

secado se efecta en la misma planta y el hombre ejerce el control de la operacin

nicamente durante el lapso en que el producto permanece en el campo hasta el

momento de la cosecha. Esta puede realizarse antes de que el producto alcance el

grado de humedad ideal para el almacenamiento, en cuyo caso es preciso

complementar el secado con algn otro procedimiento, que puede ser natural o artificial

(Dalpasquale et al, 1991).

Segn Romo et al (2007) la remocin del agua contenida en el alimento resulta un

mtodo muy eficaz para evitar la putrefaccin y prdida de los mismos.


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4

El secado al aire libre es un procedimiento de muy bajo costo pero puede producir

fuertes mermas ocasionadas por las lluvias durante el proceso de secado y el ataque

de insectos y animales. En los pases en desarrollo se explica el uso del secado natural,

realizado hasta alcanzar el grado de humedad ideal para el almacenamiento, porque los

agricultores, en su mayora, desconocen las tcnicas de secado ms modernas.

Adems, las condiciones climticas permiten el secado y exigen una inversin mnima

(Romo et al, 2007).

Siempre se recomienda un tratamiento previo, como el escaldamiento de los alimentos

(rpida inmersin en agua hirviendo). Sin embargo hay muchas personas que no usan

este mtodo previo.

El hecho de no tener acceso a sistemas de energa convencionales como la electricidad

en regiones rurales, obliga a utilizar secadores solares que aprovechen la circulacin

natural de aire. Otro factor positivo del secador solar est en que previene la

contaminacin de los productos que resulta del contacto con polvo o insectos. Al

secarse de la manera usada localmente, los productos estn expuestos a esta

contaminacin, as como a los efectos de cambios climticos repentinos (Banout et al,

2005).

Segn EPSEA. (2007) el tiempo de secado dura, en general, entre 1 y 3 das,

dependiendo de que alimento seque, la cantidad de sol y la humedad ambiente. Una

vez que ha comenzado el periodo de secado no se debe de interrumpir o congelar.

Las temperaturas de secado que oscilan entre los 100 y 160 F (38 a 71 C) aseguran

la destruccin de las bacterias y la inactivacin de las enzimas. Una temperatura de 110

F (43 C) es la que recomiendan los expertos, si se tiene demasiado calor, sobre todo

al comienzo del proceso, impide un secado completo. El material a secar debe ser

cortado en rodajas finas, de menos de 1/2" (1/3 cm), sin encimarlas, para que tengan


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buena ventilacin. Una forma de secar el alimento es en bandejas. Una lista de

materiales adecuados para usarse como bandejas son: el acero inoxidable, las varillas

de madera, la estopilla, el tefln, la fibra de vidrio con recubrimiento de tefln, el nylon, y

los plsticos aprobados para uso con comestibles. (EPSEA. 2007)

1.4. Aspectos de los secadores solares

Entre los principales aspectos que hacen econmicamente competitivo al secador solar

frente a las tcnicas comnmente usadas, segn Banout et al, (2005) estn los

siguientes:

Requiere menos espacio que las tcnicas al aire libre para el secado de la

misma cantidad de productos.

Se logran productos secos en mayor cantidad y con mejor calidad, pues los

hongos, insectos y roedores difcilmente pueden infestar la cosecha durante el

proceso de secado.

El periodo de secado es ms breve que el de las tcnicas locales al aire libre.

Los gastos de inversin y mantenimiento son relativamente bajos gracias al uso

de mano de obra y de materiales disponibles localmente para su construccin.

1.5. Mtodos de secado solar

Segn Kitinoja y Kader (1996) el mtodo ms simple de secado solar consiste en

colocar el producto a secar directamente sobre una superficie negra plana; el sol y el


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viento secarn la cosecha. Las nueces se secan de forma efectiva usando este mtodo,

como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Secado directo en alimentos (Fuente: Kitinoja y Kader, 1996)

Un mtodo sencillo para la construccin de un secador directo es a partir de una malla

metlica enmarcada que al colocarse sobre bloques de madera u hormign permite la

circulacin de aire por debajo del producto. Por encima del producto se puede colocar

una cubierta de tela ligera (de tejido de redecilla por ejemplo) con objeto de protegerlode insectos y pjaros, como en la Figura 2.

Figura 2. Cubierta de tela a modo de proteccin de alimentos a secar (Fuente: Kitinoja y

Kader, 1996)


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Un modelo sencillo de secador solar puede construirse a partir de un marco de madera

cubierto con esteras de malla ancha. El aire puede pasar por encima y por debajo del

producto, acelerando el secado y reduciendo prdidas debidas a sobrecalentamiento,

como en la Figura 3.

Figura 3. Secador de marco con mallas encima y abajo del alimento (Fuente: Kitinoja y

Kader, 1996)

Para aumentar la eficiencia del secado se deben usar algunas estructuras que capturen

la radiacin solar. Varios tipos de secadores solares se han desarrollado y se muestran

en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Descripcin de algunos tipos de secadores solares.

Tipo de

Secador

Descripcin Esquema del

Modelo Bsico

Cabina

(Gabinete)

directa

La cmara de secado es de vidrio y no usa un

colector solar por separado

Cabina

(Gabinete)

indirecta

Se usa un colector solar que est separado de la

cmara de secado y que no tiene superficies

transparentes


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Modelo

combinado

La cmara de secado est hecha de vidrio parcial

o totalmente, y usa un colector solar por separado

Tnel Normalmente se usa un armazn metlico con 1

2 capas de plstico vidriado. Generalmente setrata de un secador directo, pero puede ser

indirecto si el plstico de la capa ms interna es

negro

Tnel bajo Secador directo semejante al anterior pero se

construye ms cercano al suelo y normalmente

solo contiene una sola capa de producto

Tienda Secador solar con un marco recto en lugar decurvado

Arcn (bin) Cualquier secador pero nominalmente indirecto,

con flujo de aire forzado por conveccin que

puede secar capas profundas (normalmente 300

mm ms) de producto.

Fuente: Kitinoja y Kader (1996)

Existen modelos ms complejos de secadores solares que los anteriormente descritos.

Se construyen con ventanas de vidrio o plstico transparente que cubren el producto

proporcionando proteccin contra insectos a la vez que captan ms calor solar.

1.6. Clasificacin de los procesos y equipo.

Con relacin al manejo de los materiales a secar, la mayora de las veces se utilizan

cabinas deshidratadoras donde se coloca el material en bandejas, y el aire caliente se

hace circular a travs de ellas. En arreglos sencillos el aire circula en forma tangencial a

las bandejas, en el caso de secadores tipo silo, el flujo puede ser a travs, ascendente

o radial. Tambin se encuentran procesos en operacin continua, aunque esto es


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9

menos frecuente debido a la gran cantidad de material y energa necesarios para su

operacin (Suazo, 1993).

1.7. Tipos de secadores solares.

Diversas iniciativas han permitido desarrollar dos tipos de secadores basados en la

energa solar, los cuales conservan muchas de las ventajas de las tcnicas

tradicionales de secado al aire libre, segn Banout et al,(2005) son el secador pasivo

indirecto o de distribucin, y el secador pasivo directo o Integral.

1.7.1. Secadores de distribucin

En los secadores de distribucin, tambin conocidos como secadores pasivos

indirectos, los cultivos se colocan en bandejas o estantes dentro de una cmara oscura

de secado y se calientan con el aire circulante, entibiado durante su flujo a travs de un

colector solar termosifnico de goteo de baja presin. Dado que la radiacin solar no

incide directamente sobre el producto, se evita la cristalizacin del azcar y el dao por

exposicin directa al calor. Estos secadores son recomendables para algunas frutas y

alimentos perecibles cuyo contenido vitamnico se reduce considerablemente al

exponerse de manera directa al sol. Asimismo, son adecuados para preservar el color

de algunos productos con alto grado de pigmentacin, que tambin se ven severamente

afectados en la exposicin directa al sol.

1.7.2. Secador tipo integral

En el secador de tipo integral, tambin llamado secador solar pasivo directo, los

productos son colocados en una cmara de secado con una cubierta superiortransparente que permite la exposicin al sol necesaria en el proceso de secado. De

esta manera, la radiacin solar incide directamente sobre el producto. El calor extrae la

humedad de los productos, disminuyendo al mismo tiempo la humedad relativa del aire

interior, lo que aumenta su capacidad de evacuacin de vapor.


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Para la misma capacidad de carga, la construccin de los secadores solares integrales

es ms sencilla y menos costosa que la de los secadores de distribucin. Sin embargo,

los integrales tienen algunas desventajas, como el sobrecalentamiento localizado (que

causa daos en la parte de los cultivos que est expuesta a la luz), o tambin que

presentan tasas de secado relativamente lentas por su escasa capacidad de remocin

del vapor. Para superar estas limitaciones puede emplearse una chimenea solar como

en la Figura 4, que incrementa la fuerza que tiene la corriente de aire entrante,

generando as una mayor velocidad de circulacin de aire y, por tanto, una tasa de

eliminacin del vapor ms rpida (Banout et al, 2005).

Figura 4. Secador solar pasivo integral (Fuente: Banout et al, 2005)

1.8. Aplicaciones, ventajas y desventajas.

Segn Suazo (1993), dentro de los diversos procesos en que se puede utilizar la

energa solar, sobresale su aplicacin en el secado de alimentos. Se encuentran as

procesos que se han desarrollado para secar granos y semillas. Otro gran grupo es el

de las frutas, tales como duraznos, chabacanos, uvas, manzanas, peras entre otros.

Las hortalizas tambin han sido estudiadas.

Se puede considerar que el secado utilizando la energa solar, en la mayora de los

casos es un proceso que se lleva a cabo a baja temperatura, menos de 60C.


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El hecho de emplear temperaturas bajas, garantiza hasta cierto punto un menor dao

en el alimento. Pero tratndose de componentes nutricionales importantes, puede

tenerse un efecto negativo. Se ha encontrado que algunas vitaminas son

particularmente sensibles a la radiacin solar, como es el caso del cido ascrbico y los

carotenos.

A diferencia del secado tradicional, las instalaciones para el secado solar pueden ser

menos sofisticadas, sin una tecnologa complicada y que ms bien debe ser adecuada

al caso. Comparado en el otro extremo, con el secado directo al sol, el secado solar

ofrece las ventajas de ser ms limpio y ms rpido y reducir el efecto de la radiacin

sobre los compuestos importantes. Sin embargo, la principal desventaja es que se trata

de energa difusa o de baja concentracin.

El secado resulta ser un proceso caro, pero se ha encontrado en muchos casos, que la

energa solar puede ser suficiente para cubrir todo el proceso. Tambin habr casos en

los que nunca alcance la temperatura necesaria para el procesamiento, requirindose

entonces una fuente auxiliar de energa.


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2. JUSTIFICACIN

En la actualidad existe un problema mundial de suministro de energa, dada la situacin

de una disminucin de las fuentes convencionales de donde era posible suministrarsede ella, entonces es necesario implementar la utilizacin de fuentes energticas

alternativas, y la energa solar es una de ellas, ofrecindose con una enorme posibilidad

de emplearla en distintos procesos, siendo por ejemplo el secado de distintos productos

una de sus mltiples aplicaciones. Avocndose en este ltimo rubro, el secado de

frutas y hortalizas resulta ser uno de los ms eficientes mtodos de conservacin para

comunidades rurales en las que dependen de un cierto tiempo para la negociacin de

sus productos agrcolas, o en su defecto para el consumo propio de los ya

mencionados productos vegetales.

3. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Disear y construir un secador solar tipo invernadero.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Desarrollar una secuencia de clculo que permita estimar el tiempo de secado de

frutas y hortalizas empleando la radiacin solar.

Seleccin de los materiales para la construccin del secador solar tipo carpa. Construccin del secador solar tipo carpa.


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4. METODOLOGA

A partir del diseo de un secador tipo carpa de 12 m2de rea de secado reportado por

Larrea (2004), se procedia desarrollar una secuencia de clculo a travs de la cual es

posible estimar predecir el tiempo en el cual una cierta cantidad de un producto

determinado (fruta u hortaliza) pueda ser secado bajo determinadas condiciones

utilizando la energa solar como fuente de calor y el aire en conveccin natural como

acarreador de la humedad eliminada del alimento.

Como producto de esta secuencia de clculo y de la cantidad a secar se puede

determinar las dimensiones de las charolas de los carros que contendrn el alimento a

secar, y con esto sera posible estimar tanto el rea superficial como la altura de la

nave a construir, tomando como base el diseo de Larrea (2004); para fines de este

trabajo no se alteraron las dimensiones del secador propuestas por el autor antes

mencionado, con el propsito de que en un futuro sea posible comparar los resultados

experimentales obtenidos empricamente por Larrea (2004) y las experimentales

propias de la UPIBI.

Con los resultados anteriores fue posible elaborar una lista actualizada de todos y cadauno de los materiales que se necesitan para la construccin y operacin del secador

solar, as como de sus especificaciones para su cotizacin y compra: tipo de piso y

acondicionamiento, estructura metlica, proteccin de la nave, estructura de soporte del

material a secar, etc.

Teniendo la lista de materiales y los dibujos con las dimensiones del secador se

supervisaron las compras y su recepcin bajo comprobacin de las especificaciones

requeridas, as como la construccin paso a paso hasta su terminacin.


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5. DESARROLLO DE LA SECUENCIA DE CLCULO PARA LA ESTIMACIN DEL

TIEMPO DE SECADO

5.1. Definicin de las constantes y variables del sistema

Constantes del sistema (Mendoza et al, 2003; Treybal, 2000):

A - Constante de la ecuacin de Antoine para el

intervalo de temperatura 1100 C. 8.07131

B - Constante de la ecuacin de Antoine para el


C - Constante de la ecuacin de Antoine para el


Cpa - Capacidad calrica del aire seco 1005 J / kgas K

Cpss - Capacidad calrica del slido seco (nopal) 1460 J / kgss K

Cpw - Capacidad calrica del agua 4186 J / kgaguaK

Cv - Capacidad calrica del vapor de agua 1884 J / kgagua K

Ma - Peso molecular del agua 18.02 kgagua/mol

Mb - Peso molecular del aire 28.97 kgas/ molPt - Presin de trabajo en la Cd. de Mxico 0.796 atm

To - Temperatura de referencia 273.15 K

s - Densidad del slido hmedo 894.833 kgsh/ m3

w - Densidad del agua 1000 kgagua/ m3

o - Calor latente de vaporizacin a la T de referencia 2502300 J / kgagua

Variables del sistema (Smith, 2003; Treybal, 2000; Zambrano et al, 1998):

Ta1 - Temperatura de bulbo seco del aire 343.15 K

Ti - Temperatura de bulbo hmedo del aire1 310.65 K

Y11 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador1 0.028 kgagua/ kgas

i - Calor latente de vaporizacin a la T de bulbo hmedo 2412900 J / kgagua


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z - Ancho de la charola2 1.21 m

b - Distancia entre las charolas2 12.33 cm

Lt - Longitud de la charola2 1 m

x - Espesor de la torta2 9 * 10-3m

aos - rea ocupada de la charola por el slido hmedo 0.9

(rea del slido hmedo)/(rea de la charola)3

X1 - Humedad del slido que entra al secador4 19 kgagua/ kgss

X2 - Humedad del slido que sale del secador3 3.1 kgagua / kgss

Xe - Humedad del slido en el equilibrio5 3 kgagua / kgss

Ts1 - Temperatura del slido a la entrada3 298.15 K

1Obtenido del diagrama psicromtrico (Treybal, 2000) a la temperatura de bulbo seco.2Reportado por Larrea (2004).3Propuesto.4Obtenido experimentalmente.5Reportado por Zambrano et al(1998).

5.2. Clculo del tiempo de secado

Por definicin la velocidad de transferencia convectiva de calor es (Treybal, 2000):

)(** TiTAhcq ... Ec. 1

donde:

hc - Coeficiente de transferencia de calor (J / m2s K).

A - Superficie expuesta al secado (m2).

T - Temperatura de secado (K).

Ti - Temperatura de bulbo hmedo (K).

q - Velocidad de transferencia convectiva de calor (J / s).


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16

El calor necesario para vaporizar el agua en la superficie del slido puede expresarse

como (Treybal, 2000):

AiNq ** ... Ec. 2

donde:

N - Flux de agua evaporada (kgagua/ m2s).

i - Calor latente de vaporizacin a la temperatura d bulbo hmedo (J / kgagua).

A - Superficie expuesta al secado (m2).

q - Velocidad de transferencia convectiva de calor (J / s).

As pues para un secador de bandejas, como se muestra en la Fig. 1, el calor total que

llega a la superficie desde el aire se puede expresar como (Barbosa, 2005):

tcTmlLtzaoshcQ *)(*)***2(* ... Ec. 3

donde:

hc - Coeficiente de transferencia de calor (Wmezcla/ m2K).

aos - rea ocupada de la charola por el slido hmedo, (rea del slido

hmedo)/(rea de la charola).z - Ancho de las bandejas (m).

Lt - Longitud de la charola (m).

Tml - Media logartmica de temperatura (K).

tc - Tiempo de secado en el periodo de velocidad constante (s).

Q - Calor que llega a la superficie desde el aire (J).

La media logartmica de temperatura que se refiere al promedio de la misma, y estdefinida como (Barbosa, 2005):

TiTa

TiTa

TiTaTiTaTiTTml

ml

2

1ln

)2(1 ... Ec. 4


26/59

17

donde:

Ta1 - Temperatura de bulbo seco del aire a la entrada del secador (K).

Ta2 - Temperatura de bulbo seco del aire a la salida del secador (K).


El calor necesario para pasar de una humedad del slido X1h a Xch, en el periodo de

velocidad constante, ser (Barbosa, 2005):

)1(****** XchhXisaosxLtzQ ... Ec. 5

donde:

z - Ancho de las bandejas (m).


x - Espesor de la torta (m).

aos - rea ocupada de la charola por el slido hmedo.

s - Densidad del slido hmedo (kgT/ m3T).

i - Calor latente de vaporizacin a la temperatura de bulbo hmedo

(J / kgagua).

X1h - Humedad del slido que entra al secador en base hmeda (kgagua/ kgT).

Xch - Humedad crtica del slido en base hmeda (kgagua/ kgT).

Q - Calor necesario para pasar de una humedad del slido X1h a Xch (J).


27/59

18

Fig. 5. Secador de bandeja (Fuente: Barbosa, 2005).

Al igualar la Ec. 3 y la Ec. 5 y despejar tc se obtiene:

Tmlhc

XchhXisxtc

**2

1*** ... Ec. 6

El clculo del tiempo de secado para el periodo de velocidad decreciente se determina

de la siguiente forma. Por definicin la velocidad de secado es (Treybal, 2000):

dt

dXh

A

ShN * ... Ec. 7

donde:

Sh - Masa de slido hmedo (kgT).

A - superficie expuesta del slido (m2).

dXh/dt - Velocidad de secado (kgagua/ s). La humedad est dada en base hmeda.

N - Flux de agua evaporada (kgagua/m2

s).

O bien al igualar la Ec. 1 y la Ec. 2 y despejando N se obtiene:

i

TmlhcN

)(* ... Ec. 8


28/59

19

donde:


Suponiendo que N es lineal (Treybal, 2000):

bXhmN * ... Ec. 9

donde:

m - Pendiente de la recta.

Xh - Humedad del slido en base hmeda (kgagua/ kgT).

b - Ordenada al origen de la recta.

Al igualar la Ec. 7 y la Ec. 9 e integrando de t = 0 a t = td y de Xh = Xch a Xh = X2h se

obtiene:

bXchm

bhXm

mA

Shtd

*

2*ln*

* ... Ec. 10

donde:

td - Tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente.

Como Nc = m * Xch + b y Ne = m * Xeh + b, al restar dichas ecuaciones, suponiendoque Ne = 0 (El subndice e denota que las variables son tomadas en el punto de

equilibrio, mientras el c que estn en el punto crtico), y despejar m se obtiene que:

XehXch

Ncm

... Ec. 11

donde:

Nc - Flux de agua evaporada en el punto crtico (kgagua/ m2s).

Xch - Humedad en el punto crtico en base hmeda (kgagua/ kgT).

Xeh - Humedad en el punto de equilibrio en base hmeda (kgagua/ kgT).

Siguiendo el procedimiento usado para obtener la Ec. 11 pero ahora suponiendo N en

un punto cualquiera (Xh < Xch y N < Nc) y Ne = 0 se llega a que N = m*(Xh Xeh) -


29/59

20

donde m se encuentra definida en la Ec. 11-, al sustituir esta ltima, la Ec. 11 y la Ec. 8

(Ec. 8 evaluada en el punto crtico) en la Ec. 10 se obtiene:

XehXchXehhX

TmlhcA

iXehXchSh

td

2

ln***

** ... Ec. 12

donde Sh = s*x*Lt*z*aos y A = Lt*z*2*aos, por lo tanto la Ec. 1 2 queda como:

XehXch

XehhX

Tmlhc

iXehXchxstd

2ln*

**2

*** ... Ec. 13

Por ltimo el tiempo total de secado est definido como:

tdtcts ... Ec. 14

donde:

ts - Tiempo total de secado (s).

5.3. Clculo de la humedad en base hmeda

Para el clculo de cualquier humedad del slido en base hmeda se utiliza la siguiente

ecuacin (Treybal, 2000):

1X

XXh

... Ec. 15

donde:X - Humedad del slido en base seca (kgagua/ kgss).

Xh - Humedad del slido en base hmeda (kgagua / kgT).

Y para cualquier humedad del aire en base hmeda se utiliza (Treybal, 2000):


30/59

21

1Y

YYh

... Ec. 16

donde:

Y - Humedad del aire en base seca (kgagua/ kgas).

Yh - Humedad del aire en base hmeda (kgagua / kgmezcla).

5.4. Clculo de la presin de vapor. Ecuacin de Antoine

La ecuacin de Antoine permite calcular la presin de vapor del agua a una temperatura

dada (dentro del intervalo de 1100 C), y sta se define como (Perry, 2003):

CT

BAP

log ... Ec. 17

donde:

A - Constante de Antoine equivalente a 8 para el intervalo de temperatura

1100 C.

B - Constante de Antoine equivalente a 1730 para el intervalo de temperatura

1100 C.

C - Constante de Antoine equivalente a 233 para el intervalo de temperatura

1100 C.

T - Temperatura a la que se desea obtener la presin de vapor (C).

P - Presin de vapor del agua a una determinada temperatura T (torr).


31/59

22

5.5. Clculo de la humedad del aire a la entrada del secador

Para calcular la humedad del aire a la entrada del secador cuando la presin de trabajo

es diferente a 1 atm, y por lo tanto no puede ser encontrada directamente en las cartas

psicromtricas, se utiliza la siguiente correccin (Perry, 2003):

PwPwPtPwYY

760

11**622.0111 ... Ec. 18

donde:

Y1 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador a la presin de trabajo

en base seca (kgagua/kgas).

Y11 - Humedad del aire a la entrada del secador a 1 atm en base seca, leda de

la carta psicromtrica (kgagua/kgas).

Pw - Presin de vapor del agua a la temperatura de bulbo hmeda observada

en la carta psicromtrica (mmHg)

Pt - Presin de trabajo en la Cd. de Mxico (mmHg).

5.6. Clculo de volumen hmedo

El volumen hmedo de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000):

Pt

Ta

Ma

Y

MbVh

1*

11*8315

... Ec. 19

donde:

Vh - Volumen hmedo de la mezcla aire-agua (m3mezcla/ kgas).

Y1 - Humedad absoluta del aire corregida a la entrada del secador en base

seca (kgagua/ kgas).

Mb - Peso molecular del aire (kgaire/ molaire).

Ma - Peso molecular del agua (kgagua/ molagua).


32/59

23

Ta1 - Temperatura de bulbo seco del aire (K).

Pt - Presin de trabajo en la Cd. de Mxico (Pa).

5.7. Clculo de la densidad del aire

La densidad de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000):

Vh

Y11a

... Ec. 20

donde:

Vh - Volumen hmedo de la mezcla aire-agua (m3mezcla/ kgas).Y1 - Humedad absoluta del aire corregida a la entrada del secador en base

seca (kgagua/ kgas).

a - Densidad de la mezcla aire-agua (kgmezcla / m3mezcla).

5.8. Clculo del flujo msico de aire

El flujo msico de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000):

Va*aG ... Ec. 21

donde:

Va - Velocidad del aire (m / s).

a - Densidad de la mezcla aire-agua (kgmezcla / m3mezcla).

G - Flux msico de aire (kgmezcla/ m2 s).


33/59

24

5.9. Clculo del dimetro equivalente

El dimetro equivalente por donde pasa el flujo de aire de secado entre dos charolas,

se define como cuatro veces el rea de la seccin transversal sobre el permetro

mojado, as pues (Barbosa, 2005):

bz*2b*z*4

de

... Ec. 22

donde:

b - Distancia entre las bandejas (m).


de - Dimetro equivalente (m).

5.10. Clculo del coeficiente de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor para el flujo de gas paralelo a una superficie y

confinado entre platos se define como (Treybal, 2000):

290

710

*95.

.

de

G.hc ... Ec. 23

donde:

de - Dimetro equivalente (m).

G - Flux msico de aire (kgmezcla/ m2 s).

hc - Coeficiente de transferencia de calor (Wmezcla / m2K).


34/59

25

5.11. Clculo del calor especfico hmedo de la mezcla aire - agua

El calor especfico hmedo de la mezcla aire-agua se define como (Treybal, 2000):

1*18841005 YCs ... Ec. 24

donde:

Cs - Calor especfico hmedo de la mezcla aire-agua (Jmezcla / kgas K).

Y1 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador en base seca

(kgagua/ kgas).

Debido a que Cs tiene unidades de Jmezcla / kgas K, se realiza una correccin para

cambiar las unidades a Jmezcla / kgmezclaK con la siguiente ecuacin:

)11(* hYCsCsm ... Ec. 25

donde:

Cs - Calor especfico hmedo de la mezcla aire-agua (Jmezcla / kgas K).

Y1h - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador en base hmeda(kgagua/ kgmezcla).

Csm - Calor especfico hmedo de la mezcla aire-agua (Jmezcla / kgmezclaK).

5.12. Clculo de la masa de slidos hmedos y secos

La masa de slidos hmedos se define como:

aosxzLtsSh **** ... Ec. 26

donde:

s - Densidad del slido hmedo (kgT/ m3T).

aos - rea ocupada de la charola por el slido hmedo.


35/59

26


x - Espesor de la torta (m).


Sh - Masa de slidos hmedos (kgT).

La masa de slidos secos se define como:

X11

Shss

... Ec. 27

donde:

X1 - Humedad del slido que entra al secador en base seca (kgagua/ kgss).

ss - Masa de slidos secos (kgss).

5.13. Clculo de la densidad de slido seco

La densidad de una mezcla, es decir del slido hmedo, est dada por:

sssswws ** ... Ec. 28

donde:

w - Densidad del agua (kgagua/ m3agua).

w - Fraccin volumtrica del agua en el slido hmedo (m3agua/ m3T).

ss - Densidad del slido seco (kgss/ m3ss).

ss - Fraccin volumtrica del slido seco en el slido hmedo (m3ss/ m3T).

s - Densidad del slido hmedo (kgT/ m3ss).

La fraccin volumtrica del agua en el slido hmedo se define como:

aos*Lt*x*z*w

ss*X1w ... Ec. 29


36/59

27

Se sabe que ss = 1 - w, al sustituir esta ltima y la Ec. 29 en la Ec. 28 y despejar

ss se obtiene que:

w1

w*wsss

... Ec. 30

5.14. Clculo del contenido de humedad en el punto crtico

El espesor de la torta cuando alcanza la humedad crtica, suponiendo que dicho

espesor ya no disminuye cuando X < Xc (recordar que X2 < Xc), se define como:

X11*ss

X21*s*xxc ... Ec. 31

donde:

xc - Espesor de la torta cuando alcanza la humedad crtica (m).

La humedad removida se define como:

)(**** xcxaosLtzwar ... Ec. 32

donde:

ar - Humedad removida (kgagua).

La humedad remanente se define como:

arshXaosLtxzap *1**** ... Ec. 33

donde:

ap - Humedad remanente (kgagua).


37/59

28

El contenido crtico de humedad se define como:

s*X1h1*aos*Lt*x*zap

Xc

... Ec. 34

donde:

Xc - Humedad crtica del slido en base seca (kgagua/ kgss).

5.15. Clculo de la temperatura del slido a la salida del secador

La temperatura del slido a la salida del secador se propone que sea 10 K menor que

Ta2, quedando:

KTaTs 1022 ... Ec. 35

donde:

Ts2 - Temperatura del slido a la salida del secador (K).

5.16. Clculo de las entalpas

La entalpa de los slidos a la entrada del secador se define como (Mendoza et al,

2003):

ToTs*Cpw*XToTsCpss*hs 1111 ... Ec. 36

donde:

Cpss - Capacidad calrica del slido seco (J / kgss K).

Cpw - Capacidad calrica del agua (J / kgaguaK).

Ts1 - Temperatura del slido a la entrada del secador (K).

To - Temperatura de referencia (K).

X1 - Humedad del slido a la entrada del secador (kgagua/ kgss).

hs1 - Entalpa del slido a la entrada del secador (J / kgss).


38/59

29

La entalpa de los slidos a la salida del secador se define como (Mendoza et al, 2003):

ToTs*Cpw*XToTsCpss*hs 2222 ... Ec. 37

donde:

Cpss - Capacidad calrica del slido seco (J / kgss K).




X2 - Humedad del slido a la salida del secador (kgagua / kgss).

hs2 - Entalpa del slido a la salida del secador (J / kgss).

La entalpa del aire a la entrada del secador se define como (Mendoza et al, 2003):

1111 o*YToTa*Cv*YCpaHa ... Ec. 38

donde:

Cpa - Capacidad calrica del aire seco (J / kgas K).

Cv - Capacidad calrica del vapor de agua (J / kgagua K).

Ta1 - Temperatura del aire a la entrada del secador (K).To - Temperatura de referencia (K).

o - Calor latente de vaporizacin a la T de referencia (J / kgagua).

Y1 - Humedad absoluta del aire a la entrada del secador (kgagua/kgas).

Ha1 - Entalpa del aire a la entrada del secador (J/kgas).

La entalpa del aire a la entrada del secador se define como (Mendoza et al, 2003):

2222 o*YToTa*Cv*YCpaHa ... Ec. 39

donde:

Cpa - Capacidad calrica del aire seco (J / kgas K).

Cv - Capacidad calrica del vapor de agua (J / kgagua K).

Ta2 - Temperatura del aire a la salida del secador (K).


39/59

30


o - Calor latente de vaporizacin a la T de referencia (J / kgagua).

Y2 - Humedad absoluta del aire a la salida del secador (kgagua/kgas).

Ha2 - Entalpa del aire a la salida del secador (J/kgas).

5.17. Clculo de la humedad relativa del aire a la salida del secador

Para el clculo de la humedad relativa del aire a la salida del secador se realiza los

balances de materia y de calor.

El balance de materia en el secador queda como:

)12(*)21(* YYGmXXFm ... Ec. 40

donde:

Fm - Flujo de slidos secos a la entrada (kgss/ s).

Gm - Flujo de aire seco a la entrada (kgas/ s).

El balance de calor en el secador es:

)12(*)21(* HaHaGmhshsFm ... Ec. 41

donde:

hs1 - Entalpa del slido a la entrada del secador (J / kgss).

hs2 - Entalpa del slido a la salida del secador (J / kgss).

Ha1 - Entalpa del aire a la entrada del secador (J / kgas).

Ha2 - Entalpa del aire a la salida del secador (J / kgas).

Al sustituir la Ec. 39 en la Ec. 41 e igualarla con la Ec. 40 y despejar Y2 se obtiene:

21212

12121212

XX*oToTaCv*hshs

hshs*YXX*ToTaCpa*HaY

... Ec. 42


40/59

31

La presin parcial del agua se define como (Treybal, 2000):

Mb*Y2Ma

Mb*Pt*Y2PA

... Ec. 43

donde:

Pt - Presin de trabajo en la Cd. de Mxico (Pa).

Ma - Peso molecular del agua (kgagua/mol).

Mb - Peso molecular del aire (kgas/ mol).

Y2 - Humedad absoluta del aire a la salida del secador (kgagua/kgas).

PA - Presin parcial del agua (Pa).

El porciento de humedad relativa se define como (Treybal, 2000):

100*Po

PAHR ... Ec. 44

donde:

PA - Presin parcial del agua (Pa).

Po - Presin de vapor del agua a la temperatura del aire a la salida del secador

(Pa).

HR - Porciento de humedad relativa (%).

5.18. Clculo de la velocidad del aire

El flujo de slidos secos a la entrada del secador, suponiendo que no fuera un proceso

en lote si no en continuo, est definido como:

tsssFm ... Ec. 45

donde:

ss - Masa de slidos secos (kgss).

ts - Tiempo total de secado (s).



41/59

32

El flujo de aire seco a la entrada, necesario para secar el flujo de slidos Fm, se obtiene

al despejar Gm de la Ec. 40, quedando:

12

21

* YY

XX

FmGm

... Ec. 46

La velocidad del aire se determina con la siguiente ecuacin:

)11(*** hYzba

GmVa

... Ec. 47

Para obtener el valor definitivo de la velocidad del aire (Va) es necesario seguir los

siguientes pasos (Fig. 6).

1. Se propone un valor inicial cualquiera de Va, que se sustituye en la Ec. 21 para

determinar el flux de la mezcla aire-agua (G).

2. Con el valor de G se calcula el coeficiente de transferencia de calor (hc), Ec. 23.

3. Con el valor de hc se determinan los tiempos de secado en los periodos de

velocidad constante y decreciente (Ec. 6 y Ec. 13 respectivamente), y con ellos eltiempo total de secado (ts).

4. Al sustituir ts en la Ec. 45 se obtiene el flujo de slidos secos (Fm).

5. Con la Ec. 46 se obtiene el flujo de aire seco necesario para secar Fm.

6. Con la Ec. 47 se obtiene un nuevo valor Va, el cual se compara con Va del paso

(1), si coincide se ha determinado ya el valor Va definitivo, de no ser as se itera

con el nuevo Va encontrado, regresando al paso (1), hasta que se logre.


42/59

33

No

Si

Figura 6. Diagrama de flujo para el determinar el valor definitivo de Va.

Propuesta de Va

Variables yconstantes del

sistema aire-agua

Clculo de G

Variables yconstantes de laalimentacin

Clculo de ts

Clculo de Fm

Clculo de Gm

Clculo Va

Se proponeVa = Va y se

reinicia elclculo

Va definitivo

Clculo de hc

ConsiderandoVa = Va

Clculo de tc y td

ss


43/59

34

5.19. Clculo del flujo de calor total necesario para secar los slidos dispuestos

en las charolas

El flujo de calor total necesario para secar los slidos dispuestos en las charolas,

proviene del balance total de calor y se define como:

ncharTiTaCvXXFm

TiTsCpwXFmiXXFm

TsTiCpwXFmTsTsCpssFmQt

*)]2(**)21(*

)2(**2**)21(*

)1(**1*)12(**[

Ec. 48

donde:

Qt - Flujo de calor total necesario para secar los slidos dispuestos en lascharolas (J / s).


Cpss - Capacidad calrica del slido seco (J / Kgss* K).

Ts1 - Temperatura del slido a la entrada del secador (K).


Ti - Temperatura de bulbo hmedo (K).


X1 - Humedad del slido a la entrada del secador (kgagua/ kgss).

X2 - Humedad del slido a la salida del secador (kgagua / kgss).

i - Calor latente de vaporizacin a la T de bulbo hmedo (J / kgagua).

Cv - Capacidad calrica del vapor de agua (J/ kgagua* K).

nchar - Nmero de charolas en el secador (12).

Considerando que el promedio de insolacin en la Cd. de Mxico (Suazo, 2007) es de400 W / m2, y que el rea superficial del secador es de 16 m 2, es posible calcular el

flujo de calor que puede ser obtenido del sol como fuente de energa, quedando:

Wmm

WQsol 6400)16(*)400( 2

2 Ec. 49


44/59

35

donde:

Qsol - Flujo de calor obtenido del sol como fuente de energa (J / s).

De tal forma que el flujo de calor necesario para secar los slidos debe ser menor que

el flujo de calor suministrado por el sol, es decir:

QtQsol Ec. 50

6. PLANOS DEL SECADOR SOLAR

Segn el maestro Sergio Larrea los planos para la construccin de un secador de 12m 2

son los siguientes:

Figura 7. Componentes principales del secador (Fuente: Larrea, 2004)

El firme de la figura 7 puede ser de concreto delgado, adoqun, loseta, piedra y otros; se

pinta con recubrimiento asfltico negro dentro de la carpa y cubo.


45/59

36

La chimenea es de lmina galvanizada o PVC hidrulico de una longitud de 3 m

mnimo, sostenido sobre el cubo con base y retenida con cuatro tensores, adems lleva

una puerta de dos hojas.

Figura 8. Perspectiva de la estructura del secador (Fuente: Larrea, 2004)

La figura 8 muestra una perspectiva de la herrera que conforma el armazn de la carpa

con las cabrillas, as como la perspectiva del cubo, ambos componentes estarn

unidos y fijos al suelo para evitar movimientos generados por el aire, de hecho es

posible desmontarlos.

Figura 9. Unin de estructura con la tela (Fuente: Larrea, 2004)


46/59

37

La estructura en contacto con la tela plstica se cubre con tiras de la misma para evitar

que se queme y raje. La tela se pega con una flama de encendedor o cautn.

Figura 10. Planta del secador (Fuente: Larrea, 2004)

Es posible aprecias las dimensiones del secador desde una vista superior como en la

figura 10, de hecho el rea de la carpa donde se llevar a cabo el secado propiamente

dicho ocupa un rea de 16m2adicionando a ste el rea del cubo que es de 1m 2.

En la Figura 11 se muestra la cabrilla frontal en donde estn ubicadas unas puertas

corredizas o con bisagras que tienen la funcin de ventilas en el secador y que permitan

la entrada de aire nuevo, adems que por la parte interna de las ventilas esta colocada

una tela de mosquitero que impedir la entrada de insectos y basura cuando las

ventilas estn abiertas.


47/59

38

Figura 11. Cabrilla frontal (Fuente: Larrea, 2004)

Figura 12. Cabrilla comn (4 iguales y tres intermedias) (Fuente: Larrea, 2004)

Las cabrillas como la de la figura 12 van a conformar el armazn del secador y estas

estarn unidas por un larguero en la parte superior que a su vez estar ya en contacto

con la tela plstica que ser polietileno.


48/59

39

Figura 13. Cubo con chimenea (Fuente: Larrea, 2004)

El cubo como el la figura 13, estar hecho de policarbonato celular, cabe mencionar

que este material es actualmente utilizado en muchos prototipos o invernaderos en

forma, adems es un material que es resistente y acumula calor por efecto de la

radiacin solar, la chimenea es de 4m y ser de tubo PVC.

Figura 14. Base para carro de secado (dos iguales) (Fuente: Larrea, 2004).


49/59

40

El secador est diseado para albergar a dos carros con bases como las de la Figura

14 que a su vez estarn sobre estas los marcos con malla como los de la Figura 15 que

son apilables y fciles de desmontar para la carga y descarga del producto al inicio y al

final del proceso de secado.

Figura 15. Rejilla de secado (12 iguales) (Fuente: Larrea, 2004).

La lista de materiales actualizados requeridos para la construccin del secador solartipo carpa de 12 m2se presenta en el Cuadro 2.


50/59

41

Cuadro 2. Listado de materiales para la construccin del secador solar

Material Costo por unidad No. de unidades Costo total

Angulo de x 1/8 $ 62.61 la pza. 16 pzas. $ 1001.76

Angulo 1 x 1/8 $ 79.14 la pza. 4 pzas. $ 316.56

Solera de x 1/8 $ 30.44 la pza. 21 pzas. $ 639.24

Solera de 2 x $ 185.22 la pza. 1 pza. $ 185.22

Solera 1 x 3/16 $ 69.57 la pza. 1 pza. $ 69.57

T de 1 $ 107.83 la pza. 1 pza. $ 107.83

Cuadrado tubular x $ 60.01 la pza. 13 pzas. $ 780.13

Solera x 3/16 $ 53.05 la pza. 1 pza. $ 55.05

Tela de mosquitero 1.20 m $ 28.70 el metro 2 m $ 57.40

Tubo de lmina galvanizada de 90

cm de largo de 8de dimetro

$ 130 la pza. 5 pzas. $ 650.00

Capuchn de 8 $ 80 la pza. 1 pza. $ 80.00

Tensor con tornillo de 3/8 x 4 $ 32.50 la pza. 4 pzas. $ 130.00

Soldadura de 3/32 $ 28.70 el kg 5 kg $ 143.50

Remaches pop 5/32 x $ 16.53 el ciento 600 $ 99.18

Pijas x 3/16 $ 17 el ciento 100 $ 17.00

Pijas 1 x 3/16 $ 25.50 el ciento 100 $ 25.50

Rondanas 3/16 $ 20 el kg 1 kg $ 20.00

Ruedas fijas 5 con barreno de 3/8 $ 55 la pza. 4 pzas. $ 220.00

Ruedas locas 5 con barreno de 3/8 $ 59 la pza. 4 pzas. $ 236.00

Tela de polietileno anti UV, calibre

720 p/invernadero de

8.2 m de ancho

$84 el m 6 m $ 504.00

Malla gallinera cuadro chico $12 el m 30 m $ 360.00

Lamina de policarbonato celular de

1.22 m x 7.32 m

$ 155 el m 9 m $ 1395.00

Lmina de fibra de vidrio plana

traslucida de 1.22 m x 2.44 m

$ 110 el m2 3 m2 $ 330.00

Varilla de cortinero de 2 m $ 15 la pza. 8 pzas. $ 120.00

Coples para cortinero $ 4 la pza. 4 pzas. $ 16.00

Alambre galvanizado calibre 12 $ 33 el kg 1 kg $33.00

Anticorrosivo rojo xido $ 67.50 el lt 2 lt $135.00

Total $ 7724.94


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Figura 16. Rejillas apiladas

Figura 17. Estructura metlica con carros dentro


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Figura 18. Parte norte del secador

(a) (b)

Figura 19. Parte sur del secador


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Figura 20. Ruta de carga y descarga de los carros

Figura 21. Secador solar tipo carpa construido


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7. RESULTADOS Y DISCUSIN

Debido a que la memoria de clculo para estimar el tiempo de secado se hizo previa a

la construccin del secador, no fue posible de momento obtener datos experimentales

que validen las estimaciones de tiempo obtenidas, as que se compararon valores de

tiempo de secado (ts) y velocidades del aire (Va) reportados en la literatura para el

secado de zanahoria (en el Cuadro 2 se muestran las propiedades de la zanahoria) con

los estimados, de tal forma que al coincidir dichos valores se determinara la

temperatura de salida del aire (Ta2) y proponer sta para estimar el tiempo de secado

del nopal.

Cuadro 3. Propiedades de la zanahoria.

Cpss - Capacidad calrica del slido seco (zanahoria) 1217.5454 J / kgss K

s - Densidad del slido hmedo 998.9875 kgsh/ m3

x - Espesor de la torta 0.01 m

X1 - Humedad del slido que entra al secador 10.2359 kgagua/ kgss

X2 - Humedad del slido que sale del secador 0.1074 kgagua / kgss

Xe - Humedad del slido en el equilibrio 0.1 kgagua / kgss

Suazo (1993) y Suvarnakuta et al(2007)

Para determinar la Ta2 que ser usada en la memoria de clculo para el nopal, se

proponen diferentes Ta2 para la zanahoria y se comparan los valores obtenidos de Va y

ts con los reportados en la literatura de tal forma que si estos coinciden se elige el Ta2

correspondiente.

Suazo (1993) reporta que el secado de cubos de zanahoria, de 1 cm de lado, de X1 =

10.2359 kgagua / kgss a X2 = 0.1074 kgagua / kgss requiere de un tiempo de secado 9

horas y las velocidades del aire son de 0.9 1.1 m/s, utilizando estos valores en la

memoria de clculo planteada se determin que a una temperatura de salida del aire


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(Ta2) de 65.3 C la velocidad del aire (Va) es de 1.0465 m/s y el tiempo de secado es

de 11.2796 horas.

Ya que los datos calculados para el secado de la zanahoria son aproximados a los

reportados por Suazo, se utiliz la Ta2 de 65.3 C para estimar el tiempo de secado del

nopal, los resultados se muestran en el Cuadro 3.

Cuadro 4. Resultados obtenidos para el secado del nopal utilizando los datos de las

constantes y variables, as como la memoria de clculo planteada en la seccin.

Temperatura del aire

a la salida (Ta2)

Velocidad del aire

(Va)

Tiempo de secado

(ts)65.3C 0.629 m/s 9.136 hr

Por otro lado el flujo de calor total (Qt) necesario para secar 95 kg de nopal es 6318.1

J/s, el cual es menor que el calor obtenido del sol como fuente de energa ( Qsol =

6400J/s), es decir, que es posible realizar exitosamente el secado de nopal en el

secador tipo carpa de dimensiones como las planteadas en el presente trabajo.


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8. CONCLUSIONES

- Se realiz una secuencia de clculo que permite estimar el tiempo de secado de

cualquier fruta u hortaliza bajo las condiciones presentes en un secador solar tipocarpa.

- Usando la secuencia de clculo se estim un tiempo de secado de 11.3 h para la

zanahoria y de 9.1 h para el nopal.

- Se construy un secador solar tipo carpa de 12 m2 de rea superficial, con

capacidad aproximada para secar 95 kg de nopal.

- Ya que el flujo de calor total (Qt) necesario para secar 95 kg de nopal es menor

que el calor obtenido del sol como fuente de energa (Qsol ), es posible realizar

exitosamente el secado de nopal en el secador tipo carpa construido.


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9. PERSPECTIVAS

Los alcances del presente trabajo fueron la construccin del secador solar tipo carpa y

la elaboracin de una secuencia de clculo para la estimacin del tiempo de secado del

nopal, pero para validar dicha secuencia es fundamental llevar a cabo la caracterizacin

del secador, para ello ser necesario la colocacin de instrumentos de medicin de

temperatura, humedad del aire, velocidad del aire, radiacin solar, lo cual pudiera dar

lugar a otro proyecto o a la continuacin de este mismo.


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Calculoo)Diseño y Construcción de Un Secador Solar. Angeles Martínez (1)

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