DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE DESHIDRATADOR HÍBRIDO (SOLAR-ELÉCTRICO) E...
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i DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE DESHIDRATADOR HÍBRIDO (SOLAR-ELÉCTRICO) E IMPLEMENTACIÓN DE SU SISTEMA DE CONTROL ANDRÉS MAURICIO VIVEROS FOLLECO ERIKA LORENA MAYORGA CASTELLANOS UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA BOGOTÁ, COLOMBIA 2017
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE
DESHIDRATADOR HÍBRIDO (SOLAR-ELÉCTRICO) E
IMPLEMENTACIÓN DE SU SISTEMA DE CONTROL
ANDRÉS MAURICIO VIVEROS FOLLECO
ERIKA LORENA MAYORGA CASTELLANOS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2017
ii
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE
DESHIDRATADOR HÍBRIDO (SOLAR-ELÉCTRICO) E
IMPLEMENTACIÓN DE SU SISTEMA DE CONTROL
ANDRÉS MAURICIO VIVEROS FOLLECO
ERIKA LORENA MAYORGA CASTELLANOS
Monografía para optar al título de
INGENIEROS ELÉCTRICOS
Director:
Javier Guacaneme Moreno, PH. D.
Profesor Asociado
Grupo de investigación:
LIFAE
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ, COLOMBIA
2017
iii
RESUMEN
La presente monografía expone el proceso necesario para la implementación de un prototipo de
deshidratador híbrido de mango para el municipio de Anapoima ubicado en el departamento de
Cundinamarca. En el desarrollo del prototipo se incluyen aspectos determinantes para su
funcionamiento tales como la escogencia del tipo de deshidratador, dimensionamiento del
mismo teniendo en cuenta aspectos propios del lugar de ubicación y la adecuada selección del
método de control de temperatura y humedad. Finalmente se realiza un análisis de los datos
recolectados a partir de las pruebas realizadas al prototipo con el método de control
implementado.
Palabras clave: Deshidratador, Temperatura, Humedad, Control.
iv
ABSTRACT
The following monograph exposes the necessary process to implement a prototype of a hybrid
mango de-hydrator for the Anapoima County located on the department of Cundinamarca. On
the development of the prototype pretty important aspects are included for its functioning such
as choosing the type of the de-hydrator, dimension of it, keeping in mind information about
location and a correct temperature and humidity control method. Finally an analysis is done from
the data collected on the tests made to the prototype with the control method implemented.
Key words: De-hydrator, Temperature, Humidity, Control
v
Tabla de Contenido
Lista de Tablas ............................................................................................................................. vii
Lista de Figuras ........................................................................................................................... viii
Capítulo 1 ................................................................................................................................. - 10 -
1. Introducción ................................................................................................................. - 10 -
1.1 Objetivos .............................................................................................................. - 11 -
1.2 Estructura de la monografía ................................................................................. - 11 -
Capítulo 2 ................................................................................................................................. - 13 -
2. Fundamentación Teórica .............................................................................................. - 13 -
2.1 Proceso de Deshidratación ................................................................................... - 13 -
2.2 Tipos de Procesos de Secado ............................................................................... - 13 -
2.3 Tipos de Secado Solar .......................................................................................... - 15 -
2.4 Tipos de Deshidratadores Solares ........................................................................ - 18 -
Capítulo 3 ................................................................................................................................. - 23 -
3. Selección del tipo de Deshidratador Solar ................................................................... - 23 -
3.1 Comparación tipos de secadores solares .................................................................... - 23 -
3.2 Ventajas del deshidratador tipo Silo .......................................................................... - 24 -
3.3 Variables influyentes en el proceso de secado ........................................................... - 28 -
Capítulo 4 ................................................................................................................................. - 31 -
4. Diseño del deshidratador solar ..................................................................................... - 31 -
4.1 Parámetros para la selección del colector solar .......................................................... - 31 -
4.2 Dimensionamiento del área y cálculo de la inclinación del Colector Solar. .............. - 33 -
4.3. Selección del Método de Control ............................................................................. - 37 -
4.4. Selección de Elementos para el Control ................................................................... - 44 -
4.5. Dimensionamiento del Sistema Fotovoltaico........................................................... - 51 -
4.6. Definición de Capacidad del Deshidratador ............................................................ - 58 -
Capítulo 5 ................................................................................................................................. - 62 -
5. Pruebas ......................................................................................................................... - 62 -
5.1. Determinación de Tiempo de Secado ....................................................................... - 62 -
5.2. Acción del Sistema de Control .................................................................................. - 69 -
vi
Capítulo 6 ................................................................................................................................. - 72 -
6. Implementación ............................................................................................................ - 72 -
6.1. Manual de Instalación .......................................................................................... - 72 -
6.2. Costos de Implementación ................................................................................... - 75 -
Capítulo 7 ................................................................................................................................. - 77 -
7. Trabajos futuros. .......................................................................................................... - 77 -
Capítulo 8 ................................................................................................................................. - 78 -
8. Conclusiones ................................................................................................................ - 78 -
vii
Lista de Tablas
Tabla 1: Comparación entre diferentes tipos de secadores solares. ..................................... - 23 -
Tabla 2: Valores estadísticos para cámara de secado tipo silo y tipo armario. ........................ - 26 -
Tabla 3: Efecto del sistema de control en el proceso de deshidratación del mango. ............... - 30 -
Tabla 4: Valor medio de humedad relativa para Anapoima en los meses de cosecha. ........... - 32 -
Tabla 5: Datos de irradiancia para Anapoima en los meses de cosecha .................................. - 32 -
Tabla 6: Trayectoria solar durante un año. .............................................................................. - 36 -
Tabla 7: Comparación entre sensores de Temperatura y Humedad. ........................................ - 45 -
Tabla 8: Datos mensuales de radiación diaria para meses de cosecha en Anapoima .............. - 52 -
Tabla 9: Datos mensuales de temperatura para meses de cosecha en Anapoima. ................... - 52 -
Tabla 10: Datos de potencia y tensión de las cargas necesarias para el sistema fotovoltaico. . - 53 -
Tabla 11: Especificaciones operativas panel solar. .................................................................. - 55 -
Tabla 12: Especificaciones de tensión y corriente para Regulador y Generador. .................... - 56 -
Tabla 13: Distancias y corrientes de tramos del sistema fotovoltaico. .................................... - 57 -
Tabla 14: Contenido de humedad para algunas frutas y temperatura tolerable ....................... - 66 -
Tabla 15: Dimensiones de muestras deshidratadas. ................................................................. - 67 -
Tabla 16: Dimensiones de muestras deshidratadas. ................................................................. - 68 -
Tabla 17: Prueba de variaciones de temperatura y humedad en el colector. ........................... - 70 -
Tabla 18: Resumen prueba de funcionamiento del sistema de control con primera etapa de
actuación. ................................................................................................................................. - 70 -
Tabla 19: Resumen de datos prueba de funcionamiento del sistema de control con segunda etapa
de actuación. ............................................................................................................................ - 71 -
Tabla 20: Proceso de Instalación deshidratador Solar ............................................................. - 75 -
Tabla 21: Costos de implementación total. .............................................................................. - 76 -
viii
Lista de Figuras
Figura 1: Tipos de Deshidratadores Solares ............................................................................ - 16 -
Figura 2: Secado Solar Directo ................................................................................................ - 18 -
Figura 3: Deshidratador tipo Invernadero. ............................................................................... - 19 -
Figura 4: Deshidratador Solar tipo Gabinete. .......................................................................... - 20 -
Figura 5: Deshidratador tipo Armario. ..................................................................................... - 21 -
Figura 6: Deshidratador de Silo. .............................................................................................. - 21 -
Figura 7: Deshidratador con Colectores Indirectos .................................................................. - 22 -
Figura 8: Aplicación del principio de Arquímedes para un deshidratador Solar ..................... - 25 -
Figura 9: Flujo de aire en un elemento cilíndrico. ................................................................... - 25 -
Figura 10: Dispersión de flujo de aire caliente en elementos cilíndricos y rectangulares. ...... - 26 -
Figura 11: Modelo propuesto de deshidratador solar. .............................................................. - 27 -
Figura 12: Estructura sugerida para protección de elementos del circuito de control. ............ - 27 -
Figura 13: Acople transmisor de movimiento para compuerta. ............................................... - 28 -
14: Dimensiones reales del colector. ........................................................................................ - 34 -
Figura 15: Porcentaje de cosechas de mango durante el año. .................................................. - 35 -
Figura 16: Brillo solar para la zona de Espinal durante un año. .............................................. - 35 -
Figura 17: Evolución de temperatura al interior de la cámara de secado. ............................... - 37 -
Figura 18: Evolución de humedad al interior de la cámara de secado. .................................... - 38 -
Figura 19: Control con retroalimentación. ............................................................................... - 40 -
Figura 20: Cambio de velocidad del ventilador producido por la variable Temperatura ......... - 43 -
Figura 21: Gráfica comparativa de error en la medida para Sensores LM35 .......................... - 45 -
Figura 22: Relación Humedad Relativa-Tensión para dos temperaturas en sensor HIH 4000.- 46 -
Figura 23: Posiciones de la compuerta de ingreso de aire. ...................................................... - 47 -
Figura 24: Áreas de acceso con compuerta inclinada a 45°. .................................................... - 47 -
Figura 25: Compuerta con posición 180°. ............................................................................... - 48 -
Figura 26: Circuito que realiza el control del sistema. ............................................................. - 49 -
Figura 27: Partes que componen el circuito impreso. .............................................................. - 50 -
Figura 28: Características físicas y eléctricas para diferentes tipos de conductores ................ - 58 -
Figura 29: Comparación de pesos de mango antes y después de su corte. .............................. - 59 -
Figura 30: Corte superior o tapa del mango. ............................................................................ - 59 -
Figura 31: Corte lateral del mango .......................................................................................... - 60 -
Figura 32: Dimensiones de bandeja de secado ........................................................................ - 61 -
Figura 33: Disposición en bandejas de secado de cortes de grosor 1 centímetro para secado al
aire libre. .................................................................................................................................. - 62 -
Figura 34: Relación entre masa de producto a deshidratar y tiempos de secado para sistema con
convección forzada. ................................................................................................................. - 64 -
Figura 35: Relación entre masa de producto a deshidratar y tiempos de secado para sistema sin
convección forzada. ................................................................................................................. - 65 -
Figura 36: Disposición del mango para secado en horno eléctrico. ......................................... - 67 -
ix
Figura 37:Cambios obtenidos en las muestras en diferentes momentos del proceso de secado- 68
-
Figura 38: Base y armario de elementos electrónicos deshidratador. ...................................... - 72 -
Figura 39: Estructura de bandejas de secado. .......................................................................... - 72 -
Figura 40: Colector .................................................................................................................. - 73 -
Figura 41: Silo.......................................................................................................................... - 73 -
Figura 42: Tapa de la Cámara de Secado. ................................................................................ - 73 -
- 10 -
Capítulo 1
1. Introducción
En las economías industrializadas y en las economías emergentes, tener buenos hábitos
alimenticios se está convirtiendo en tendencia mundial, esto debido a las campañas que ayudan a
crear conciencia y de esta forma ayudar a disminuir los índices de obesidad que se presentan en
el mundo debido a los estilos de vida agitados. Según “Global Industry Analyst, Inc. ” se
vaticina que para el año 2020 habrá un aumento en el consumo de frutos deshidratados
correspondiente a 4 millones de toneladas, ya que este es un mercado en expansión debido a que
es saludable y a su relación directa con la mejora del estilo de vida de la población, es por esto
que los frutos deshidratados son una gran oportunidad para la economía Colombiana por lo cual
se hace necesario enfocar esfuerzos en la incursión del mercado colombiano en la producción de
frutos deshidratados.[1]
En Colombia, gracias a su localización geográfica, existe una gran variedad de climas y
ecosistemas lo cual le permite tener una gran diversidad de frutas tropicales y tierras cultivables
a lo largo de todo el año, no obstante, cultivos post-cosecha se pierden por distintas razones,
tales como el mango, es allí donde se deben canalizar recursos para aprovechar los frutos y
pensar en alternativas como el deshidratado que permiten mitigar pérdidas y dar valor agregado
al producto.
Existen distintos procesos para realizar la deshidratación de los productos, entre los más
destacados o utilizados se encuentran el secado solar al aire libre, la liofilización, la
deshidratación osmótica o el horno deshidratador. El proceso de deshidratación por secado solar
al aire libre no cumple con las mínimas normas de salubridad debido a que el fruto al estar
expuesto al aire libre puede adquirir impurezas que hacen que no sea apto para entrar en el
mercado, la liofilización, que aunque es un proceso bastante eficiente implica un desembolso
económico grande, y la deshidratación osmótica que es un proceso económico pero no muy
eficiente que requiere realizar otro tipo de secado para complementarlo, por lo que se toma en
consideración el horno deshidratador, el cual consiste en un horno por el cual circula un flujo de
aire caliente secando el fruto y disminuyendo de esta forma la humedad del mismo; sin embargo
existen diferentes formas de generar el aire caliente circundante en la cámara donde se realiza el
secado; tales como gas, electricidad o el aprovechamiento de la radiación solar. [2]
Por las posibilidades que puede generar para Colombia este mercado de frutos deshidratados, y
en particular al departamento de Cundinamarca, siendo este uno de los principales productores
de mango del país, es claro que la deshidratación ayuda a mitigar las pérdidas de los productores
de mango además de generar un valor agregado al producto final. Dado que muchos productores
no tienen un poder adquisitivo alto y por el costo que conlleva la adquisición de un horno
deshidratador, así como los costos de operación, se propone realizar el diseño de un horno
deshidratador híbrido (solar-eléctrico) prototipo que sea replicable, con el fin de disminuir los
costos de operación y de adquisición del mismo.
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1.1 Objetivos
Objetivo general
Realizar y evaluar el diseño de un prototipo de deshidratador híbrido así como la
implementación de su sistema de control. El deshidratador debe ser replicable en el
Departamento de Cundinamarca, para darle un aprovechamiento agroindustrial al mango, con el
fin de generar valor agregado a los productos, ampliar la oferta y mejorar la calidad de vida de
los productores.
Objetivos específicos
Recopilar información de las distintas formas de deshidratación de frutos empleados en
la actualidad y determinar el método óptimo para realizar dicho proceso.
Evaluar las condiciones ambientales en los que se realizará el deshidratado para de esta
forma conocer el potencial de la radiación solar.
Diseñar el deshidratador prototipo para el secado del mango.
Determinar un método de control teniendo en cuenta las variables del proceso y
selección de sensores.
Implementar y poner en marcha el sistema de control del deshidratador para el secado
del mango.
1.2 Estructura de la monografía
Esta monografía está distribuida en seis capítulos que muestran el desarrollo paso a paso de la
metodología implementada.
Como primera medida que permita realizar la implementación de un deshidratador de mango
para la región de Anapoima en Cundinamarca, en el capítulo 2 se estudian los diferentes tipos de
métodos utilizados para la deshidratación de frutas o plantas con el fin de entender su
funcionamiento y su posibilidad de ser adaptados para mejorar la eficiencia del proceso para esta
región específica.
Con el propósito de realizar una adecuada selección del método de secado y tipo de
deshidratador que se implementará, en el capítulo 3 se realiza una comparación entre los
diferentes tipos de deshidratadores para así poder escoger aquellos con mayor eficiencia a la
hora de realizar el proceso para el cual fueron diseñados. Por otra parte, se realiza un examen
con un mayor detalle de las variables influyentes en el proceso, dicho análisis ayudará a
determinar la mejor manera de realizar un control que permita conservar las propiedades del
producto.
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Una vez escogido el tipo de deshidratador a implementar, en el capítulo 4 se realiza la parte
correspondiente al diseño de las piezas más importantes y sistema de control que permitirá la
correcta operación del deshidratador. Por otro lado, se elabora el diseño del sistema fotovoltaico
que permitirá mejorar la eficiencia del proceso de secado y la determinación de la capacidad
total de mango que se podrá procesar por ciclo de secado.
En el capítulo 5 se exponen los resultados de las diferentes pruebas realizadas para determinar
desempeño del prototipo de deshidratador diseñado así como los tiempos de secado del
producto.
Finalmente, en el capítulo 6 se efectúa la realización de un manual de instalación para que los
habitantes de la zona de Anapoima puedan disponer de forma correcta el deshidratador e iniciar
la puesta en servicio del mismo. Además, se elabora un presupuesto que permitirá determinar a
futuro la viabilidad de la implementación del proyecto en el área de influencia.
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Capítulo 2
2. Fundamentación Teórica
2.1 Proceso de Deshidratación
El proceso de deshidratación se define como la operación mediante la cual se elimina total o
parcialmente el agua presente en una sustancia determinada. El secado es un proceso de
transferencia simultánea de materia (agua) y energía (calor), por lo tanto, cuenta con una
transmisión de calor que proporciona el llamado calor latente de vaporización, necesario para
eliminar el agua, por otra parte, se hace necesario el transporte de agua del alimento hacia el
exterior, estos procesos se llevan a cabo de manera simultánea e influyen el uno sobre el otro. [3]
2.2 Tipos de Procesos de Secado
2.2.1 Liofilización
La liofilización es un método ampliamente utilizado para realizar el secado de distintos
productos con el fin de preservarlos por un tiempo prolongado, este método puede ser utilizado
en distintos sectores tales como el agro o el farmacéutico. En la liofilización se congela el
producto deseado alcanzando temperaturas de hasta -60°C para después reducir
considerablemente la presión ambiental hasta 1 Pascal, esto con el fin de realizar el respectivo
secado al producto mediante el proceso de sublimación. En pocas palabras la liofilización
consiste en reducir la mayor cantidad de agua posible que hace parte del producto por medio del
cambio de estado, pasando de congelado a vapor omitiendo el estado líquido. Este proceso es
muy efectivo y más eficiente que la deshidratación mediante hornos, pero tiene como desventaja
los altos costos de inversión y operación. [4]
2.2.2 Deshidratación Osmótica
Este proceso de deshidratación consiste en sumergir el producto en una solución de agua y
azúcar a un 70% de concentración, para que se origine un flujo donde la humedad que se
encuentra dentro del producto se mezcle con la solución, reduciendo de esta forma el porcentaje
de humedad incidente en el producto. La humedad del producto final es intermedia por lo cual se
sugiere que posteriormente sean tratados mediante otros métodos de deshidratación. [5]
- 14 -
2.2.3 Deshidratación Eléctrica/Gas
En el deshidratador que utiliza energía proporcionada por electricidad y gas, funciona mediante
un sistema de armario donde se localiza un motor desempeñándose como un ventilador de
absorción de aire caliente, por otro lado, en la parte posterior a la estructura se encuentra otro
motor que desfoga dicho aire, para trasportarlo junto con la humedad extraída de los frutos hacia
el exterior. La corriente de aire creada por los motores, pasa por ventilas distribuidas en todo el
compartimento interior del secador (lugar donde reposa los productos organizados en bandejas o
mallas) para que el secado del producto tenga una dispersión uniforme. El aire adquiere una
temperatura considerable, gracias a la acción de combustión del gas (propano), después de esto,
el primer motor (ventilador) absorbe ese aire y sigue con el proceso anteriormente mencionado.
Los actuales deshidratadores disponibles en el mercado tienen una capacidad en promedio de
800 Kg.
2.2.4 Deshidratación Eléctrica
El sistema del deshidratador eléctrico es similar al de el secador a eléctrico /gas con la diferencia
que la fuente de incremento de temperatura del aire de entrada se da por una electro resistencia.
Su capacidad no es tan grande como la de los anteriores métodos, ya que se requeriría de más
potencia por parte de la resistencia para cubrir tal demanda, lo que conllevaría altos precios por
cada proceso de secado (costo Kwh).
2.2.5 Deshidratación Solar
El secado de alimentos, se puede considerar como una de las maneras más antiguas de utilizar
entre el 94% y 99% de este recurso energético. A lo largo de la historia de la humanidad, se ha
utilizado la radiación solar como fuente calorífica para secar productos de naturaleza perecedera,
este proceso natural sobresale entre otros métodos (congelación o esterilización), ya que en el
secado, el producto mejora su sabor y sus propiedades nutricionales, lo cual conlleva al consumo
habitual de estos productos en la actualidad y en consecuencia a la popularización de este
método de conservación.
Cabe destacar algunas de las cualidades que caracterizan al recurso solar como una fuente
rentable energética:
El sol proporciona energía constantemente, sin límite próximo alguno.
La energía solar cubre toda la superficie terrestre. Dependiendo su ubicación con
respecto a la latitud, la intensidad solar varía en algunos lugares más que en otros.
es cuantiosa y libre de algún costo,
No es contaminante, como la mayoría de las fuentes energéticas,
Ninguna entidad puede acrecentar su precio,
No necesita ser transportado.
No puede ser acaparada. [6]
- 15 -
En el proceso de secado solar, la transferencia de calor por convección es uno de los principios
que contribuye con la realización del mismo, por esta razón es necesario mencionar que dicha
transferencia consiste en el transporte de un considerable grado de temperatura promedio de un
fluido (en este caso aire en movimiento) para otorgarlo a un cuerpo (producto), con el fin de que
éste poco a poco pierda humedad al evaporarse el agua que contiene.
Existen dos formas de convección:
• Convección natural: El aire, al adquirir calor pierde peso y en su calidad de gas se
expande, y por el fenómeno de flotación asciende creando corrientes de aire seco con la
capacidad de extraer humedad del producto.
Convección forzada: En este caso la convección cumple el mismo proceso anteriormente
expuesto (convección natural), pero tiene la particularidad de presentar la inclusión de
ventiladores que ayudan a que se agilice el proceso, haciéndolo más eficiente. Este tipo de
convección es muy utilizada en procesos industriales, ya que dicha eficiencia es
aprovechada, para procesar y obtener grandes cantidades de producto en seco en un menor
tiempo comparado con la convección natural. [7]
Aprovechando el efecto de la transferencia de temperatura, donde el calor inducido dentro de un
cuerpo, provoca el desplazamiento del agua contenida hacia el exterior, existen muchos
mecanismos para realizar un buen desempeño del proceso de deshidratación y que además
aseguran un buen desarrollo a través de elementos especialmente planteados para dicho objetivo.
2.3 Tipos de Secado Solar
Según la naturaleza e incidencia de la radiación solar en cada tipo de deshidratador, estos se
pueden clasificar como se observa en la Figura 1.
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Figura 1: Tipos de Deshidratadores Solares
2.3.1 Secado Natural
También conocido como secado al aire libre, es el procedimiento de secado más antiguo, se
realiza de forma directa, sencilla y económica, para la deshidratación tanto de alimentos como de
materiales que lo requieran, por lo mismo, ésta técnica es aplicada en varias partes del mundo.
Su fácil implementación implica muchos factores de los cuales depende la eficiencia de
aplicación, como la variabilidad del estado del tiempo y la humedad que no es posible limitar. Se
puede considerar eficiente en ambientes desérticos con humedad despreciable, pero
independientemente del ambiente en el que se desarrolle es vulnerable a las aguas lluvias,
impurezas y la intervención de animales e insectos.
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Existe una serie de productos de fácil secado, como los chiles, ajíes y algunas hortalizas,
propios para este tipo de método de secado.
El proceso de secado natural se realiza al aire libre ubicando el producto a deshidratar sobre un
material con la capacidad de realizar la función de un colector de radiación solar, exponiéndolo a
la acción directa de los rayos solares de modo que recibe calor y ventilación para disminuir el
agua contenida .Con esta técnica la principal desventaja, es que el producto final tiene una
calidad no deseada , ya que el recubrimiento del objeto a secar es nulo y no se tiene un control
adecuado de la higiene del mismo.
Este proceso natural posee las siguientes desventajas:
La incidencia de humedad del medio hace que en el proceso de secado se desarrolle de
una manera lenta porque el producto está literalmente expuesto.
Si en el proceso no se tiene una revisión constante, existe la gran posibilidad de que el
producto se descomponga o presente formación de moho.
El producto está expuesto a polvo, animales, insectos que podrían deteriorarlo y
provocar enfermedades en el consumidor final.
En cuanto a las ventajas en este proceso son:
Es de fácil implementación.
Ya que no se maneja una estructura como tal, es un método muy económico. [2]
2.3.2 Secado Artificial
Aparte del secado natural en el espacio abierto (el cual consiste en la exposición de la materia
húmeda a las corrientes naturales de aire y a los rayos solares), existe otro método de secado, el
cual se basa en el tratado del producto húmedo en un deshidratador en el que una corriente de
aire lo seca. El aire por lo general se calienta mediante una fuente de energía antes de que pase
por el producto. La circulación del aire puede ser de forma natural o forzada.
La elección del tipo de secador solar apropiado para cada caso, depende de condiciones tales
como: cantidad y clase de producto que se va de secar, recursos económicos disponibles y
sobretodo humedad y temperatura del medio en el que se va a desenvolver.
Las ventajas que tiene el secado artificial son:
• Fácil adaptación a toda infraestructura.
• Proporciona al proceso una eficiencia considerable.
• Al tener una mayor eficiencia se tiene un mejor resultado económico con respecto a la
producción.
• La calidad es parte del resultado del producto final.
• El tiempo de secado es mucho menor que en el caso de convección natural.
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Las desventajas del secador indirecto son:
• El proceso de secado se da en intervalos de tiempo, dependiendo de la variabilidad de la
radiación solar. [7]
2.3.3 Secado Solar Directo
La estructura que conforma este método de secado es de tipo cajón, en la parte superior se
tiene un recubrimiento traslucido que permite el paso de la radiación solar aprovechando así
su contacto directo con el producto a secar. En esta estructura también se utiliza el sistema
de corriente de aire por convección natural, en donde por medio de una ranura de entrada y
otra de salida se produce una corriente de aire. Aunque su capacidad de almacenamiento es
poca, tiene un recubrimiento que garantiza el cuidado del producto frente a la contaminación
o maltrato de cualquier factor externo, en conclusión, no tiene una eficiencia significativa
pero se garantiza en cierta medida la calidad del producto final.
Figura 2: Secado Solar Directo[8]
2.3.4 Secado Solar Indirecto
Este deshidratador utiliza la energía solar para transformarla e intensificarla en calor activo o
útil, por medio del efecto invernadero, este calor incrementa la temperatura del aire que se
encuentra circulando por la cámara contenedora de los alimentos dispuestos en rejillas para que
pase el aire. Este aire caliente interviene a los alimentos haciendo se evapore el agua que
contienen.
2.4 Tipos de Deshidratadores Solares
2.4.1 Deshidratador Tipo Invernadero
Este sistema está constituido por un gran invernadero propiamente dicho. En este caso el
incremento de temperatura es producido por el efecto que lleva el mismo nombre de la estructura
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(invernadero), este deshidratador es utilizado para productos de fácil secado, como algunas
especias y diversidad de hojas. Uno de los beneficios de la estructura de este sistema es su fácil
traslado o portabilidad.
Está conformado por una estructura recubierta con un material traslucido, que permite el paso de
la radiación solar y a su vez, retiene la temperatura que va llegando en su interior. Posee un
ventilador, que cumple la función de generar una corriente de aire a través de la cámara de
secado, lugar donde los productos a deshidratar yacen en un soporte con aberturas tipo malla,
para así permitir el paso de la corriente cálida a través del cuerpo a secar. [8]
Figura 3: Deshidratador tipo Invernadero.[8]
2.4.2 Deshidratador Solar Tipo Gabinete
Este deshidratador en forma de caja parecido al deshidratador de tipo cajón, realiza su proceso
de secado por medio de la circulación del aire en su interior, este proceso se da gracias a la
existencia de dos ranuras: una que cumple la función parcial de captación de aire fresco y la otra
desempeña la función de salida del mismo con una temperatura y humedad elevada gracias a la
intervención del colector y a la sustracción del agua del producto. En general, dado que el aire
pasa por numerosos obstáculos por los cuales debe fluir, dicho movimiento será lento, llevando a
que la eficiencia no sea considerablemente alta. Estos métodos tienen una capacidad limitada
con respecto a la cantidad de producto (alimentos) a secar.
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Figura 4: Deshidratador Solar tipo Gabinete.[8]
2.4.3 Deshidratador solar de Colector y Armario
Este tipo de deshidratador consta de una puerta en donde se tiene entrada libre al flujo de aire,
este posteriormente se calienta por acción del colector y la radiación solar, el flujo de aire
asciende y pasa a la sección de armario donde se ubican las bandejas (mallas) que contienen el
producto, en la parte superior de esta sección se encuentra una ranura que es la salida del flujo de
aire. Esta estructura tiene un sistema de convección natural, pero puede ser instalada o adaptada
con un sistema más eficiente, con ventiladores para calentar el aire por medio de convección
forzada.
Uno de los componentes más importantes de este sistema es el colector; una cabina que tiene por
objetivo recaudar radiación solar y convertirla en energía térmica. Lo anterior se realiza como
consecuencia del efecto invernadero y teniendo en cuenta que gracias al color oscuro de su
superficie, el colector absorberá la mayor parte de la radiación que incida sobre él para así elevar
la temperatura en el paso de aire hacia el gabinete, en donde yace el producto.
Este método suele tener la sección de cabina o gabinete de tipo traslucido, para así aprovechar la
radiación que recae sobre este. Cabe mencionar que este tipo de cabina para algunos productos
es de tipo cubierta o cerrada, con el fin de bloquear la incidencia de luz ultravioleta cuando
dichos productos son sensibles y se pueden ver perjudicados por la radiación.
- 21 -
Figura 5: Deshidratador tipo Armario.[8]
.
2.4.4 Deshidratador de Colector y Silo
Esta técnica es similar al deshidratador de gabinete; pero la principal diferencia radica en que el
secador de silo tiene dimensiones que pueden contener mayor capacidad del producto en fresco
en comparación con las anteriores tecnologías. En lugar de una cámara o gabinete se utiliza un
compartimento cilíndrico, cuya forma ayuda a la mejor distribución de aire caliente en su
interior. Al tener mayores dimensiones, se tiene mayor cantidad de producto a deshidratar, por
ello se necesita mayor energía calórica para cubrir dicha cantidad, en consecuencia los colectores
de radiación solar tienen dimensiones superiores, para así tener la capacidad de crear el
incremento calórico requerido para la deshidratación del producto en sí. El sistema al tener
mayores dimensiones, también debe manejar un flujo más alto de aire caliente, por ello se utiliza
la implementación de ventiladores que aporten a dicho objetivo. A este tipo de corriente de aire
se le denomina convección forzada, ya que de ser natural, se tendría como resultado una baja
eficiencia debido a los numerosos obstáculos que se oponen al paso de aire.
Figura 6: Deshidratador de Silo.[8]
- 22 -
2.4.5 Deshidratador Solar de Colector Indirecto
Sistema que se caracteriza por tener los colectores solares separados de la habitación de secado,
en donde la comunicación entre estos, son ductos que conducen el aire caliente desde su inicio
(colectores), hasta su destino (cámara de secado donde yace el producto). El aire que transita por
los ductos, es producto de la interacción de un sistema de circulación de aire forzado de gran
potencia. [8]
Figura 7: Deshidratador con Colectores Indirectos [8]
- 23 -
Capítulo 3
3. Selección del tipo de Deshidratador Solar
3.1 Comparación tipos de secadores solares
La tabla 1 proporciona información de las características energéticas y físicas de diferentes
sistemas de deshidratación, lo cual permite caracterizarlos de una forma más general, para así
posteriormente seleccionar uno con mayor seguridad.
Tm
(°C): E(khW/año)
Ts
(H/kg)
Área
(m2) Hermetización Adaptación Eficiencia
Secado aire
libre 40 0 8 Nulo Nula Nula 3%
S tipo cajón 60 2463,75
6 3 Media
Adaptable a
convección
forzada
50%
S tipo
invernadero 55 3942
6 6 Baja
Adaptable a
sistema de
calefacción
40%
S Tipo armario 60° 1675,35
5 3.4 Media
Adaptable a
convección
forzada,
calefacción
a gas u otro
combustible
30%
S. tipo silo 65° 29565
5 6 Media
Adaptable a
convección
forzada,
calefacción
a gas u otro
combustible
50%
S. eléctrico 65 1478,25 9 0.5 Alta Nula *
S. eléctrico a
gas. 180 1000 3 3.4 Alta
Nula 12%
Deshidratación
por
liofilización
60
30000
2
4.65 Alta
Nula 97%
Tabla 1: Comparación entre diferentes tipos de secadores solares.
1
* El dato preciso de la eficiencia de secado para un proceso realizado en deshidratador eléctrico no fue encontrado
pero se considera inviable para este caso debido al alto consumo de energía que requiere para su funcionamiento.
- 24 -
Considerando las opciones disponibles para la realización de un deshidratador, se descartan las
correspondientes a aquellas que presentan un mayor consumo de energía como lo son:
deshidratación por liofilización, gas y eléctrica debido a que el medio donde se realizará la
implementación es rural y la disponibilidad eléctrica no es del 100%, además, la intención con
este proceso es aminorar gastos (costo de KwH).
Por otro parte, no se realiza selección del método de deshidratación osmótica teniendo en cuenta
que frecuentemente se debe completar con otros métodos de secado. Este criterio deja como
alternativas a aquellas que contengan algún tipo de secado solar, en este sentido se excluyen el
secado tipo invernadero, tipo cajón y secado al aire libre puesto que no garantizan la higiene
adecuada del producto, en consecuencia, las alternativas disponibles son: secador tipo silo y
secador tipo armario, en la siguiente sección se realizará un análisis más profundo para
determinar el sistema adecuado de deshidratación.
Los sistemas de deshidratado tipo silo y tipo armario, debido a que realizan su proceso con
convección indirecta directamente en el colector solar, tienen un mayor contacto del aire de
entrada con la radiación solar, de esta manera, la temperatura del secado aumenta
proporcionando una eficiencia considerable. Estos tipos de deshidratadores garantizan que el
flujo de aire que circula en su interior sea elevado (por efecto de los procesos de convección)
teniendo en cuenta que la transferencia de calor se da por el movimiento de masas de aire que
transporta elevados niveles de temperatura. Por medio de la intervención de dispositivos
(ventiladores) la convección forzada aumenta las cantidades de aire de entrada, lo que conlleva
una mejora con respecto a la transferencia de temperatura.
3.2 Ventajas del deshidratador tipo Silo
Un punto fundamental para la escogencia del modelo del deshidratador tipo silo es su forma
cilíndrica que con ayuda del impulso que proporciona la persiana de ingreso al aire caliente,
permite el deslizamiento de esta masa de aire sin pérdida alguna. En caso de tener presencia de
esquinas, como en los otros deshidratadores ya mencionados, el aire tendría algunos obstáculos
en su recorrido desde el ingreso al armario de secado, perdiendo fuerza de incidencia al producto
en sí.
Teniendo en cuenta el principio de Arquímedes donde se afirma que todo cuerpo sumergido en
un fluido, experimenta un empuje vertical y hacia arriba proporcional al peso de fluido
destituido y aplicando este principio al funcionamiento del deshidratador, el aire caliente que se
inyecta a la cámara de secado desde el colector tiene una densidad menor a la del aire frio que se
encuentra en la cámara de secado. La diferencia de densidades se da por que la elevación de
temperatura en el aire provoca interacción entre sus moléculas (energía cinética molecular o
interna), lo que se traduce en una distanciación entre ellas, esto hace que exista una menor
cantidad de materia por unidad de volumen, es decir, su peso disminuye y en consecuencia
circulará de manera natural hacia la chimenea, la aplicación de este principio puede observarse
en la figura 8. [9]
- 25 -
En resumen, entre mayor sea la energía cinética del aire, este tendrá mayor temperatura y
distanciación entre sus moléculas lo que conllevará a una disminución en su densidad.
Figura 8: Aplicación del principio de Arquímedes para un deshidratador Solar
El flujo de aire caliente es ascendente, el empuje de Arquímedes sumado con la fuerza horizontal
del aire de ingreso y soportada por el ventilador de desfogue, hace que haya una distribución de
aire caliente de forma espiral en el interior de la cámara de deshidratación, tal como se muestra
en la figura 9 esta dispersión de aire es uniforme al igual que su tiempo de secado.
En contraste con otros tipos de deshidratadores cuya cámara de deshidratación es de forma
rectangular y poseen dispersión de aire de forma asimétrica, la principal ventaja de utilizar un
sistema integrado por un silo se ve reflejada en la distribución del aire en su interior, pues no se
tendrán diferenciales de temperatura tan pronunciados.
Figura 9: Flujo de aire en un elemento cilíndrico.[10]
- 26 -
En la simulación de la figura 10 se observa la uniformidad de la temperatura en cada tipo de
cámara de secado; en la parte izquierda se encuentra una superficie de tipo circular como una
cámara tipo silo y en la parte izquierda una superficie rectangular, similar a la cámara tipo
armario.
Ubicando los focos de temperatura en la parte superior central y derecha central
respectivamente, se determina que la temperatura tiene mayor uniformidad en la figura circular
lo que induce a que en la figura rectangular existan microclimas que pueden perjudicar el
proceso de secado proporcionando un secado desigual en la masa de mango que se desea
deshidratar.
Figura 10: Dispersión de flujo de aire caliente en elementos cilíndricos y rectangulares.[11][12]
Para el análisis matemático del caso, se tomaron 50 datos de temperatura en diferentes puntos
para cada cámara de secado y por medio de métodos estadísticos se comprobó la dispersión de
los datos al interior de cada una de ellas.
Cámara de secado tipo silo
Suma de cuadrados Varianza Desviación estándar Extremos
1394,587061 28,4609604 5,334881482 20,1145508
41,4540767
Porcentaje 95%
Cámara de secado tipo armario
Suma de cuadrados Varianza Desviación estándar Extremos
3704,985882 75,6119568 8,6955136 6,93838456
41,720439
Porcentaje 95%
Tabla 2: Valores estadísticos para cámara de secado tipo silo y tipo armario.
- 27 -
Utilizando los valores proporcionados en la tabla 2, se muestra que para el secador de tipo silo el
95% de los datos se concentran alrededor del rango de temperaturas de 20,11°C a 41.45°C, en el
caso de la cámara de secado de tipo armario, el 95% de los datos se concentran alrededor de
6.93°C y 41,72°C. Con respecto a lo anterior, se demuestra que se obtiene un mayor cubrimiento
de temperatura utilizando una cámara de secado que tenga forma cilíndrica, por otra parte, otro
de los beneficios que tiene la utilización de este modelo es que se reduce el número de sensores a
utilizar con respecto a los necesarios para la estructura rectangular.
Teniendo claras las ventajas de la utilización de este tipo de cámara de secado, como lo son la
reducción en los microclimas al interior de la misma y la circulación de aire de manera natural
hacia la chimenea; se propone como diseño el modelo de la figura 11, compuesto por el colector
solar, silo donde se encuentra la cámara de secado, base, cajón para el almacenamiento de
elementos como baterías. Además, como protección ante agentes externos del circuito que
controlará el sistema de control se sugiere la estructura de la figura 12 realizada con una
impresora 3D.
Figura 11: Modelo propuesto de deshidratador solar.
Figura 12: Estructura sugerida para protección de elementos del circuito de control.
- 28 -
Otro de los elementos diseñados para permitir el adecuado funcionamiento del equipo se
encuentra en la figura 13, este es un acople que permitirá transmitir el movimiento realizado por
el servomotor a la compuerta que regulará el ingreso de aire a la estructura.
Figura 13: Acople transmisor de movimiento para compuerta.
3.3 Variables influyentes en el proceso de secado
Para la escogencia del diseño o sistema de secado a utilizar se tienen en cuenta las tres variables
influyentes en el proceso de secado: temperatura, velocidad del aire y humedad relativa.
Temperatura: Magnitud de tipo escalar, relacionada con energía de naturaleza o valor calórico
medido que puede tener un sistema en donde interviene transferencia o equilibrio de calor entre
cuerpos de diferente o igual estado.
Para el desarrollo del deshidratador es imperante tener en cuenta que entre mayor sea el valor de
diferencia de temperatura entre el medio (fuente) y el producto a intervenir, mayor será la
transferencia calórica al producto que en este caso es el fruto en fresco; por medio de este efecto
se permite la remoción de cantidad de agua desde su interior.
Cuando el medio o fuente que inyecta temperatura es el aire, éste desempeña un papel
importante, ya que al tener más niveles de temperatura, proporcionalmente tendrá la capacidad
de captación de agua del fruto, es decir, al tener un aire con mayor temperatura circulando dentro
del deshidratador, éste será capaz de portar más agua (liberada por el fruto), esto continúa hasta
que llega a un punto de saturación. La capacidad de arrastre del aire caliente varía entre un 30%
- 29 -
y 50%; en otras palabras, a mayor cantidad de aire caliente incidente al producto, mayor será la
capacidad de extracción de humedad. [11]
Humedad Relativa: Es el porcentaje de humedad que el aire puede retener, esto es, la presencia
de agua en su estado gaseoso que puede portar el aire o la atmosfera. Al ser un porcentaje este
varia de 0% a 100% en donde al llegar al 100% se entiende que el aire está saturado y por ende
no tiene capacidad de remoción de agua, ya que tiene su máximo contenido de vapor de agua.
Al tener una humedad relativa de 0% se dice que el aire tiene la capacidad total de absorber agua
convirtiéndolo así en un factor importante para deshidratar. La humedad relativa se modela
matemáticamente mediante la ecuación 1.
( 1)
Humedad Relativa.
Vapor de agua existente.
Vapor de agua en saturación
Cuanta menor humedad relativa tenga el aire, adquiere una notable capacidad de absorción y
retención de agua. El nivel de humedad existente en el aire limitará o determinará el nivel de
hidratación resultante en el producto. [11]
En el proceso de deshidratación, el aire con temperatura considerable (60°C a 70°C) pasa por
los frutos absorbiendo el nivel de agua que estos poseen. El agua sale en forma de vapor, lo que
eleva el nivel de humedad relativa dentro de la estructura del deshidratador, de esta manera, es
indispensable la remoción de esta masa gaseosa para que pueda ser renovada por otra de aire
caliente con mayor capacidad de absorción, este proceso se puede realizar por convección
natural o convección forzada si se desea optimizar el tiempo de secado. En el caso de no
renovar el aire que ha sido saturado, éste aumentará la humedad relativa interna, ralentizando el
proceso de remoción de agua del producto.
Velocidad de ingreso del aire: Es la distancia recorrida por unidad de tiempo con que viaja o se
transporta una masa de aire y es medida en metros sobre segundos (m/s).
Este parámetro es de suma importancia ya que el choque que se da entre el la masa de aire
caliente y el producto puede afectar la consistencia del mismo, por ejemplo, generando una
cubierta indeseada en aquellos frutos que contiene bastante almidón, no obstante, con un control
adecuado y constante de esta variable se pueden evitar dichos efectos y a su vez disminuir el
tiempo de secado.
En la tabla 3, se ilustra la forma en la cual el proceso se puede ver afectado dependiendo del
grado de control que se ejerza sobre las variables mencionadas.
- 30 -
Variables Temperatura Humedad Relativa Velocidad del aire
Variable
controlada
Calentamiento del aire a niveles
óptimos para una buena transferencia
de calor en pro de una pronta
deshidratación además de la
conservación las características
organolépticas del producto.
La evacuación rápida
de la humedad del
sistema del aire en
saturación mejora el
tiempo de secado.
Conserva la contextura
y calidad el producto y
tiene influencia en la
disminución del tiempo
de secado.
Variable
sin
control
Pérdida de las características del
producto por oxidación, así como de
vitaminas y azúcares.
Ralentiza el proceso de
deshidratación ya que la
aglomeración de
humedad en el sistema,
rehidrata el fruto.
Produce capas
indeseadas en el
producto, como
también afecta la
consistencia y calidad
del mismo.
Tabla 3: Efecto del sistema de control en el proceso de deshidratación del mango.
- 31 -
Capítulo 4
4. Diseño del deshidratador solar
4.1 Parámetros para la selección del colector solar
El diseño del colector solar para el deshidratador a implementar se encuentra basado en el
trabajo de investigación de Libardo Cartagena titulado “Caracterización de un deshidratador de
mango solar ubicado en la región del alto Magdalena”. En el mismo, se sigue como referencia el
standard ASHRAE 93-2003[12].
Dependiendo de algunos factores atmosféricos propios de la localización del lugar, se
parametrizan las dimensiones para el área y el ángulo de inclinación del colector solar, por
medio del método desarrollado por Suleyman[13], el cual radica en escoger un colector entre 4
posibles elecciones, cada uno con una eficiencia relacionada.
En el caso de este tipo de deshidratador y teniendo en cuenta el standard ASHRAE 93-2003 se
escoge un colector de eficiencia de 0,6 a 0,7 construido con un material corrugado.
Dentro de las variables atmosféricas a considerar se encuentran:
Temperatura ambiente promedio (Ta): Valor intermedio de los datos de temperatura en el medio
circundante donde estará ubicado el deshidratador. En Anapoima la temperatura ambiente
promedio es de 25,1°C. [14]
Diferencia de temperatura en la cámara de deshidratación (∆T): Variación de temperatura dentro
del deshidratador con referencia a su temperatura de salida y de entrada. De acuerdo con la
potencia que el colector requiere para calentar el aire encerrado en la estructura de la cámara de
secado y con referencia a los estudios de A. O. DISSA, con un promedio de 50 °C presentado
entre las 9 am y las 12 pm del día se supone un valor de diferencia de temperatura (ΔT) de
13°C.[15]
Humedad Relativa promedio (HR): Valor medio de los datos recolectados de humedad relativa
en diferentes instantes de tiempo, en el lugar donde se situará el deshidratador. Para Anapoima
los valores de humedad relativa correspondientes a los meses de cosecha se encuentran en la
tabla 4.
- 32 -
Mes Valor medio de Humedad Relativa (%)
Enero 58
Mayo 73
Junio 67
Julio 65
Noviembre 79
Diciembre 54
Promedio 64
Tabla 4: Valor medio de humedad relativa para Anapoima en los meses de cosecha. [14]
Radiación Solar promedio (I): Es el valor de la irradiancia promedio existente en el lugar en el
intervalo de las horas sol en las cuales será utilizado el deshidratador.
Para establecer el valor de la irradiancia promedio se obtuvo la radiación diaria promedio en
cada mes (datos relacionados a los meses de interés), este valor dividido entre las respectivas
horas de brillo solar, da como resultado la irradiancia promedio que se encuentra en la última fila
de la tabla 5.
MAY JUN JUL NOV DIC ENE Valor
promedio
Irradiacia
mensual
[w/ .]
4371,5 4340,3 4622,6 4452,7 4496,9 4756,1 4506,7
Horas brillo
diario
4,3 4,6 5,1 4,9 5,4 5,9 5,033
Irradiancia
diaria [w/ .]
1016,63 943,55 906,38 908,72 832,75 806,12 902,36
Tabla 5: Datos de irradiancia para Anapoima en los meses de cosecha[16].
En Anapoima la irradiancia promedio es de 902,4w/ .
Eficiencia del colector propuesto (ɳ): Según el método de Suleyman, para este tipo de procesos
es adecuado un colector con una eficiencia de 0,6.
Calor especifico del aire (CP): Energía Calórica necesaria para que el aire cambie su temperatura
en 1°C, según el estándar existente en la norma el valor de esta variable es de 1012 J/Kg°C.
Masa especifica del aire (P): Es la cantidad de masa de aire por unidad de volumen, también se
denomina densidad de aire, este valor varía de acuerdo a la zona de medición ya que esta
depende de la presión atmosférica y la temperatura. Esta constante es de 1,3 kg/ .
- 33 -
Velocidad del aire (Va): Es la velocidad óptima que debe tener el aire para el proceso de secado
sin alterar la variable de temperatura. Según el estándar ASHRAE 93-2003 es recomendable una
velocidad de 3m/s.
Flujo Volumétrico (q): Volumen del aire que transita en el sistema, este dato de flujo
volumétrico se calcula por medio de la multiplicación entre las variables de velocidad y el área
trasversal de la salida o desfogue de aire saturado como se muestra en la ecuación 2.
( 2)
0.046181 ³/
4.2 Dimensionamiento del área y cálculo de la inclinación del Colector Solar.
4.2.1. Cálculo del área del colector
Con las variables anteriores, en la ecuación 3 se calcula la potencia necesaria que el colector
debe entregar para calentar el aire particular de la zona ( ).
( 3)
Que a su vez se traduce en la ecuación 4:
( 4)
Ahora se debe calcular la potencia real del colector utilizando la ecuación 5 ya que en este
cálculo se tiene en cuenta la eficiencia del panel propuesto. Dicho procedimiento matemático se
expresa de la siguiente manera:
( 5)
Para la determinación del área que debe tener el colector se divide la potencia que entrega el
colector entre la irradiancia promedio presente en el lugar- Ecuación 6.
( 6)
Con los datos obtenidos se tienen los siguientes resultados:
³/ * 1012 J/Kg°C.* 13 °C.
- 34 -
789,824 w
Cálculo para hallar el potencial real :
1316,37 w
Área del Colector =
Área del Colector =1.45
Una vez obtenida el área que deberá tener el colector se escogen los límites que tendrá en sus
dimensiones para el cumplimiento del área calculada. Para ilustrar dichas dimensiones, se
considera la figura 14.
14: Dimensiones reales del colector.
4.2.2. Cálculo de inclinación del colector
Para el cálculo de la inclinación (θ ) se tienen en cuenta dos factores:
Ángulo de media inclinación ( ): Ángulo que debe tener el colector para mayor
incidencia de radiación por parte del sol, esta magnitud o dato difiere dependiendo el
mes en el que se va a deshidratar, por ello en este caso se tendrán en cuenta los meses de
cosecha de mango obtenidos del ministerio de cultura, los cuales son Mayo, Junio, Julio,
Noviembre, Diciembre y Enero.
Latitud ( ): Este dato se refiere a la localización donde estará ubicado el
deshidratador, que en este caso se refiere al municipio de Anapoima, cuya latitud es 4°
33′ 0″ Norte.
- 35 -
Para determinar el ángulo de media inclinación se debe recordar que las épocas de cosechas
consignadas en la figura 15 coinciden con las épocas de mayor irradiancia presente en el sector,
tal como lo muestra la figura 16.
Figura 15: Porcentaje de cosechas de mango durante el año.[17]
Figura 16: Brillo solar para la zona de Espinal durante un año.[17]
En este caso, la toma de datos de radiación se hizo en el Espinal, por lo cual se pueden aplicar
para el análisis de la radiación solar incidente ya que la diferencia en distancia entre estas dos
zonas no es bastante alta. En la tabla 6 es posible observar el ángulo de la trayectoria solar a lo
largo de un año.
- 36 -
Tabla 6: Trayectoria solar durante un año.[17]
Para el análisis se tendrán en cuenta únicamente los meses en el que se hará presente la función
de deshidratador, es decir en época de cosechas de mango.
Realizando el promedio de los meses de la primera época de cosecha constituida por los meses
de Mayo, Junio y Julio cuyos ángulos son: 19°05, 23° 20', 21° 23' respectivamente.
La segunda época de cosechas comprende los meses de Noviembre, Diciembre y Enero. En cada
mes se contempla un ángulo de inclinación para mayor incidencia de radiación solar, dichos
ángulos son los siguientes: -18°36', -23°19', -21°19' respectivamente.
Ya que los ángulos no distan significativamente uno del otro, se realiza el promedio de cada
época de cosecha:
Ángulo promedio de inclinación de la primera época de cosecha = 21°16'
Ángulo promedio de inclinación de la segunda época de cosecha =-20°87'
La magnitud de la inclinación no es significativa por ello se hace un promedio entre los dos
ángulos, para tener así una constante de inclinación. Con referencia al signo negativo que se
presenta en la segunda época de cosecha, se debe orientar el colector en sentido Norte – Sur para
la primera época y cambiar el sentido a Sur- Norte en la segunda época con el objetivo de tener
mayor aprovechamiento de la radiación solar.
El ángulo de inclinación promedio entre las dos épocas y valor definitivo para ( ) es: 21°01'.
Los datos anteriores se intervienen en la expresión de la ecuación 7:
θ = −
( 7)
θ = 21°01' - 4° 33′ 0″
θ =17° -32'
Por lo tanto el ángulo de inclinación del colector (θ ) es 17° -32'.
- 37 -
4.3. Selección del Método de Control
Es importante aclarar que un estudio minucioso a las variables con la instrumentación pertinente,
resulta ser una herramienta adecuada para pensar en metodologías mejoradas para el control
multivariable en pro de la optimización del proceso, pero su uso requiere de mayor información
y estudio del comportamiento del mismo.
Actualmente los deshidratadores de fruta en la región (Anapoima y sus alrededores) son de tipo
artesanal, por ello no hay registros de datos o curvas de secado realizados con una
instrumentación idónea, además los costos que este tipo de estudios requieren son elevados.
La falta de datos relacionados con curvas de secado no permite hacer una identificación del
sistema, lo que hace necesario realizar la implementación de la instrumentación como primera
medida que permita realizar la caracterización del mismo.
En las figuras 17 y 18 se muestran datos de temperatura y humedad tomados al interior del
prototipo de deshidratador en el momento de su uso, como se puede observar, estas dos variables
se comportan de manera inversa y a medida que la temperatura aumenta por efecto de la
circulación de aire caliente en la cámara de secado, se presenta una disminución en el porcentaje
de humedad relativa. Este efecto es altamente beneficioso para el desarrollo del control.
Figura 17: Evolución de temperatura al interior de la cámara de secado.
- 38 -
Figura 18: Evolución de humedad al interior de la cámara de secado.
Los datos utilizados para la fabricación de las figuras 17 y 18 se pueden encontrar en el Anexo 6.
Debido a que el parámetro que mayor afectación tiene en cuanto al tiempo de secado del
producto es la humedad, se puede realizar un control que mantenga esta variable altamente
vigilada y permita que la temperatura se encuentre entre un rango de 50 a 70°C.
Para escoger un método adecuado de control se debe entender el comportamiento de las
variables que tienen influencia en el proceso y posteriormente hallar la función de transferencia
del mismo. De esta manera teniendo en cuenta la primera ley de la termodinámica que relaciona
el trabajo y el calor transferido, se plantea la ecuación 8 que describe el intercambio de
temperatura entre la lámina de zinc del colector con el aire que ingresa al mismo.
( 8)
Donde:
= Capacidad calórica.
Lo anterior se puede expresar también como:
( 9)
Donde:
= Capacidad calórica del aire o poder calórico.
Masa del aire.
= Variación de la temperatura con respecto al tiempo.
Por otra parte, la ley de enfriamiento de Newton servirá para describir la transferencia de calor:
336, 20
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Hu
med
ad
Tiempo
Humedad al interior de la cámara de secado
- 39 -
( 10)
Donde:
= Coeficiente de convección del aire.
A= Área transversal de la abertura del colector.
= Temperatura adquirida por el colector.
= Temperatura Ambiente.
Realizando el reemplazo de las ecuaciones 9 y 10 en 8:
( 11)
( 12)
Realizando la transformada de Laplace se tiene:
( 13)
( 14)
Finalmente, tomando como variable de entrada la capacidad calórica y como variable de salida
la temperatura, se obtiene la función de transferencia del sistema:
( 15)
Para realizar el control de temperatura y humedad se evalúa la instalación de dos
accionamientos: una compuerta en la entrada del colector que permita regular las dos variables
por medio del ángulo de giro que posee su eje en determinado momento y por otra parte, un
ventilador ubicado en la chimenea del silo que permitirá desalojar la humedad producida por la
evaporación del agua en el fruto y el aire con determinada temperatura.
El método de control que se utiliza consta de retroalimentación (ver figura 19), cuya función es
medir una variable que se desea controlar para así compararla con una referencia denominada
“set point”, la diferencia entre la magnitud de la referencia y el dato medido da como resultado
una magnitud respuesta que es como el sistema alimentará la variable en cuestión, para así
mantenerla en los valores requeridos.
- 40 -
Figura 19: Control con retroalimentación.
Las partes que conforman este control son:
Sistema: Para este caso se entenderá como sistema al conjunto conformado por el colector solar
y el silo ya que son los elementos principales en los cuales se desarrolla el proceso de
deshidratado de la fruta.
Actuadores: Son los dispositivos encargados de recibir las órdenes del sistema de control y con
respecto a ellas, realizar acciones que repercuten en el comportamiento de las variables
necesarias del sistema.
Sensores: Dispositivos encargados de percibir cambios en las magnitudes importantes para el
desarrollo del proceso y convertir dichas mediciones en señales generalmente eléctricas con el
fin de entregarlas a un procesador que determinará el comportamiento de los actuadores según
sea el caso.
4.3.1. Control de la Variable Humedad
Con el fin de comprobar la eficacia de los actuadores implementados y la influencia que éstos
tienen en el secado adecuado del producto, se procede a la implementación de un control básico
que mantenga los valores de temperatura y humedad dentro de un rango establecido.
El control relacionado a la variable de humedad relativa se desempeña del siguiente modo:
I. La compuerta se mantendrá abierta si el valor detectado por parte del dispositivo
medidor de humedad es el establecido, (valores inferiores a 62% HR). Este valor es
estándar de la humedad relativa ambiente.
II. Si el valor de referencia es superado, la compuerta se cerrará totalmente y el ventilador
se accionará a su máxima velocidad, hasta que la humedad se restablezca a los
valores de permisibles.
- 41 -
En todo momento y bajo la condición de que se esté trabajando a valores de humedad inferiores
a los anteriormente indicados, se tendrá una velocidad constante en el ventilador que permitirá
desalojar la humedad tan pronto como se produzca. Esta velocidad será la desarrollada en la
puesta en marcha del ventilador al 30% de su capacidad total.
El valor determinado para el límite de humedad (62%) se establece debido a que en una visita
realizada a la empresa Industrias Alimenticias la Gloria, ubicada en Manizales y quienes se
dedican al proceso de deshidratación de diferentes frutas se mencionó que este proceso debe
realizarse en condiciones de humedad iguales o inferiores a la humedad relativa ambiente, de
esta manera, en la tabla 4 se deduce que la humedad promedio del ambiente es 64% pero para
este caso se tomará el valor de 62% con el fin de realizar un control más efectivo de esta
variable.
4.3.1.1. Control ON/OFF
Este control tiene la particularidad de activarse a una única magnitud preestablecida para
controlar la variable. Este es el sistema de control más sencillo ya que presenta dos modos de
operación (encendido y apagado) en el controlador.
Forma como trabaja este modo de control:
( )= 1, ( )>62%
( )= 2, ( )≤62%
En la ecuación anterior, ( ) es la ya mencionada referencia o set point.
4.3.2. Control de la Variable Temperatura
El control relacionado a la variable de temperatura se desempeña del siguiente modo:
I. Los rangos de temperatura deseados o ideales en el sistema oscilan entre 65° y 70°, se
requiere mantener el ventilador a tal punto de que se produzca un flujo de masa de aire
con una velocidad cercana a 3m/s. Este valor de velocidad permite que exista un tiempo
suficiente para ganancia de temperatura cuando el aire pase por el colector.
II. Con el fin de impedir el alza de la temperatura en el interior del silo, el control tiene
programados dos pasos:
La escotilla se posicionará a 45 grados con relación a su posición de cerrado en
caso de superar el valor establecido de 70°C. Esto permitirá que el flujo de aire
sea menor al anterior y consigo la temperatura no tendrá medio por el cual
propagarse en el interior del silo.
- 42 -
Si el incremento de temperatura sigue ascendiendo hasta superar el valor de
70°C por más de cinco minutos, la escotilla se cierra totalmente para bloquear
el flujo de aire y así anular el paso de la temperatura al silo.
Los pasos mencionados anteriormente se pueden modelar como un control ON/OFF
bastante similar al control de humedad. Por otra parte se debe adicionar un control
proporcional que permita mantener la temperatura en un rango entre 65°C y 70°C. Este
control consistirá en la variación de la velocidad del ventilador conforme se produzca un
aumento o disminución de la temperatura al interior de la cámara de secado. De esta
manera:
Cuando la temperatura se encuentre dentro del rango comprendido entre 65°C y
70°C se realizará un control proporcional en lazo cerrado donde se tenga en
cuenta el cálculo de error y con base en este realizará una variación en la
velocidad del ventilador que permita tener una temperatura constante al interior
de la cámara de 65°C.
Es de suma importancia controlar el aumento de temperatura para que esta llegue a un
valor máximo de 70°C, ya que de modo contrario se pierde vitamina C, características
fisicoquímicas y organolépticas del producto.
4.3.2.1. Control Proporcional
Este control es más complejo ya que en la programación del mismo se analiza el error y su
control de la variable es proporcional al error al que va a atenuar. [18]
La ecuación que describe este tipo de control se representa de la siguiente manera:
.
( 16)
Donde, para este caso en particular:
m = Salida del controlador
e = Error (Diferencia entre set point y valor medido de temperatura)
Kp= Ganancia proporcional
B = Velocidad del ventilador cuando el error sea de 0.
En la programación para el control de la variable de temperatura se tendrá en cuenta que existirá
una velocidad establecida en todo momento en el ventilador con el fin de permitir la constante
renovación de aire en la cámara de secado, proceso mediante el cual se evitará la acumulación de
humedad en la misma, esta velocidad será fijada en el 30% de la velocidad máxima del
ventilador, lo cual corresponde a un valor de PWM de 77.
Una vez establecidos los parámetros bajo los cuales se regirá el comportamiento del sistema, se
realiza una tabla (Anexo 7) que reflejará la proporcionalidad entre el aumento de temperatura y
- 43 -
la variación de la velocidad de giro del ventilador para el rango de operación ideal del
deshidratador (Entre 65 y 70°C). Tomando dos muestras de los datos de la tabla se procede a
formar la ecuación que reflejará el control de la variable temperatura hallando como primer valor
la pendiente de la recta mostrada en la figura 20.
( 17)
Completando la forma de la ecuación 17 utilizando el 30% del valor total de la velocidad del
ventilador cuando el error es 0 (PWM=77):
Finalmente, el código programado para la correcta actuación del prototipo se encuentra en el
Anexo 8.
Como parte de una explicación más completa del modo de actuar del control se encuentra el
diagrama de flujo del Anexo 9.
Figura 20: Cambio de velocidad del ventilador producido por la variable Temperatura
0
20
40
60
80
100
120
64 65 66 67 68 69 70 71
Ve
loci
dad
Temperatura
Tasa de cambio entre Temperatura y Velocidad
- 44 -
4.4. Selección de Elementos para el Control
4.4.1. Micro-controlador PIC
Acrónimo que significa Peripheral Interface Controller (controlador de interfaz periférico). Este
dispositivo fue creado en el año 1987 por Microchip Technology Inc. Su función es que con base
a una programación sencilla se puede administrar y procesar datos, para posteriormente, por
medio de pulsos, proceder a un accionamiento en el sistema al cual está relacionado.
Las ventajas de uso del dispositivo PIC son:
Los micro-controladores ¨PIC¨ son de fácil programación puesto que solo se necesita de
una computadora para tal fin, su grabación se puede realizar por diferentes puertos
como el USB, serie, entre otros.
Para la programación del dispositivo existe una gran variedad de software, con facilidad
de uso con relación a su lenguaje informático, algunos de ellos son PICC o el que se
usará para la programación de este sistema de control: MPLAB.
Una de las grandes ventajas de este dispositivo es que se puede controlar, programar y
sincronizar tareas de naturaleza electrónicas a través del tiempo, con tan solo una
adecuada programación. En el caso de expandir las capacidades del sistema a tratar su
fácil programación hace realidad extenderse según sea requerido.
Con relación al deshidratador se puede reprogramar con facilidad las características o
parámetros del proceder del sistema de control, ejemplo podemos cambiar los rango de
temperatura o humedad si el deshidratador se utilizara en un lugar diferente a Anapoima,
ya que los valores están fijados junto con las características ambientales al lugar
anteriormente nombrado, por ello es necesario una reprogramación si la implementación
es un lugar diferente.
Su tamaño y su facilidad de programación hace fácil la producción en masa de este
controlador, si se es requerido.[19]
4.4.2. Sensores de Temperatura y Humedad
En la tabla 7 se muestran distintos tipos de sensores que pueden ser considerados para la
realización del control de temperatura y humedad del deshidratador. A partir del análisis del
rango de temperatura, rango de humedad, tolerancia y precio, los sensores escogidos son: para
temperatura el LM35DT; para humedad, el HIH 4000.
- 45 -
Sensor Rango de Humedad
Relativa (%)
Rango de
Temperatura (°C)
Tolerancia Precio
(COP) (%) (°C)
DHT 11 20-90 0-50 ±5 ±2 11.000
LM 35 DT - -55-150 - ±0.75 4.000
HIH 4000 0-100 - ±3.5 - 40.000
SHT1X 0-100 -40-123.8 ±3.0 ±0.5 113.050
HTU21D(F) 0-100 -40-125 ±5 ±0.4 44.600
Tabla 7: Comparación entre sensores de Temperatura y Humedad.
Sensor LM35DT
La principal característica de este circuito integrado utilizado para la medición de temperatura es
su respuesta en tensión directamente proporcional a la temperatura medida en centígrados (10
mV/°C). Otras de las cualidades que lo hacen apropiado para el tipo de control que se requiere
realizar son su baja impedancia de salida, la precisión en su calibración y su bajo auto
calentamiento, necesario en este tipo de aplicación debido a la inmersión del sensor en el sistema
a controlar.
Puesto que la temperatura media del ambiente en Anapoima es de 25.01°C y debido a la acción
del colector es posible incrementarla en el silo hasta aproximadamente 40°C, el rango de
temperatura en el cual se encontrará operando el sensor es de 40-75°, para este caso, según la
figura 21, el error que puede introducir el instrumento es inferior a 1.5%.
Figura 21: Gráfica comparativa de error en la medida para Sensores LM35
Sensor HIH 4000
Se utiliza para la medición de humedad. Las características que lo hacen apropiado para este tipo
de aplicación son su alta precisión, la linealidad en su curva de tensión de salida, su respuesta
rápida en el tiempo y la propiedad de no verse afectado por la condensación del agua, condición
que puede darse en al trabajar en este tipo de ambiente.
- 46 -
En la figura 22 se muestran los datos ofrecidos por el fabricante para la relación Humedad
Relativa-Tensión que el sensor es capaz de mostrar para dos temperaturas: 0°C y 70°C.
Figura 22: Relación Humedad Relativa-Tensión para dos temperaturas en sensor HIH 4000.
4.5.3. Pantalla de Cristal Líquido (LCD)
El objetivo de este elemento en el prototipo de deshidratador solar será el de permitir la
visualización de los datos de temperatura y humedad al interior de la cámara de secado. Este
elemento estará alimentado por el circuito de 5 Voltios del sistema y los datos que mostrará
serán los leídos por el PIC.
4.4.4. Compuerta de ingreso de aire
Ya que al disminuir el área en la cual existe ingreso de aire al sistema, se reduce la propagación
de calor al interior del mismo, se establecen tres posiciones en las cuales se podrá ubicar la
compuerta de ingreso de aire. Con respecto a la figura 23, el ángulo de la ubicación de la
compuerta es: 180°, 45° y 90° respectivamente.
- 47 -
Figura 23: Posiciones de la compuerta de ingreso de aire.
Al ubicar la compuerta en la posición de 45° se establecen dos áreas de acceso de aire al
colector, tal y como se muestra en la figura 24.
Figura 24: Áreas de acceso con compuerta inclinada a 45°.
Según las dimensiones establecidas para el colector, se tienen las siguientes dimensiones:
Ancho de colector (AC): 0.78m
Ancho del área inferior (AI): 0.0431m
Área total del acceso de aire inferior:
(18)
Teniendo en cuenta el área anteriormente mencionada, se halla la capacidad calórica que podrá
ingresar al colector:
- 48 -
( 19)
Donde:
P= Masa específica del aire.
Va= Velocidad del aire.
Ad= Área transversal abertura del colector.
Cp= Calor específico del aire.
Para calcular el área del acceso de aire en la parte superior se utiliza la ecuación 18 teniendo en
cuenta que el alto del área es de 0.0075m.
Al sumar el área de estas dos superficies se obtiene el área total de la superficie transversal de
acceso cuando la compuerta está ubicada a 45 grados.
Figura 25: Compuerta con posición 180°.
Por otra parte, cuando la compuerta se encuentra en la posición de 180°, como se indica en la
figura 25, el área de ingreso de aire es:
- 49 -
Utilizando la ecuación 19, para este caso la capacidad calórica de ingreso al colector es:
Con lo anterior, se deduce que la diferencia de área de ingreso del aire y la capacidad calórica
del mismo se reduce aproximadamente en un 42% al realizar el cambio de ubicación de la
compuerta.
4.4.5. Implementación del circuito para el control del sistema.
Una vez determinados los parámetros que deberá cumplir y dentro de los cuales deberá operar el
sistema de control, se implementa el circuito que hará posible que se realicen los
accionamientos. Para verificar que el comportamiento del circuito sea el adecuado, se realiza una
simulación en el software Proteus. En la figura 26 se muestra la integración y explicación del
funcionamiento de los dispositivos que conforman el circuito.
Figura 26: Circuito que realiza el control del sistema.
La función de cada una de las partes que conforman el circuito son:
Sistema de Sensado (Entrada de datos): En él se encuentra la conexión de los sensores
(humedad relativa y térmico), los cuales varían su resistencia a medida que la variable
respectiva cambia su magnitud, estos están conectados al puerto de entrada RA0/A0
- 50 -
(Sensor de humedad) y RA1/A1 (Sensor de temperatura), que son las entradas análogas
de microprocesador PIC.
Núcleo del Procesador: El circuito tiene un cristal de 4mhz que provee de una frecuencia
de 1200 Hz al sistema. Esta frecuencia es la necesaria para alimentar con el PWM
requerido al los dos puertos de los actuadores (servomotor y ventilador de convección.).
Se escogió este cristal ya que con este dispositivo se puede lograr la frecuencia mínima
necesaria para satisfacer la necesidad del PWM general requerido, ya que a mayor
frecuencia, menos será el control que se tenga sobre el sistema.
Visualizador de datos: El sistema cuenta de un LDC de color azul, en donde gracias a
una programación análoga/digital se pueden ver los datos medidos de humedad relativa
y temperatura en tiempo real. Este sistema cuenta con sus puertos de cuatro entradas
para las mediciones ya mencionadas y una entrada adicional que para su intensidad
lumínica se programo como estable o constante.
Sistema de Actuadores: Esta parte del circuito está comprendida por los puertos de
salida y los actuadores. Con respecto a los puertos de salida, cada una de ellas se maneja
con un mismo timer proporcionado por la programación del controlador PIC. Por otra
parte, la salida dos (RC4) correspondiente al actuador del servomotor se programó para
que este fuese alimentado con una frecuencia de 50 Hz con el fin de satisfacer el PWM
que este tipo de motor lo requiere. En cuanto a la salida del ventilador de convección,
éste no necesita una frecuencia específica o programada y por ello se puede controlar
con la frecuencia que el timer del PIC proporciona.
A fin de tener un circuito que no se viera influenciado de forma negativa por movimientos
bruscos que pudieran ocasionarse eventualmente, la implementación de los dispositivos
electrónicos se realizó en un circuito impreso cuyas partes se encuentran relacionadas en la
figura 27.
Figura 27: Partes que componen el circuito impreso.
- 51 -
En este circuito se encuentran componentes como:
Buck MP1584: Para realizar la programación del prototipo, este dispositivo realiza la
función de conversión DC/DC cuya función principal es mantener un nivel de voltaje
admisible de 5v para el sistema de control, teniendo una entrada de voltaje perteneciente
a un rango de valores que oscila entre 4.5V y 28V. Este dispositivo fue escogido
también por su gran capacidad de aislarse ante frecuencias o ruido que pueda perjudicar
su comportamiento.
Puerto libre analógico: Es un puerto adicional creado para la implementación de un
sensor en caso de requerir la expansión de la capacidad del deshidratador en un futuro.
Puertos libres digitales: Se realizó la instalación de tres puertos digitales que se
encuentran libres para que con una nueva programación se puedan instalar nuevos
actuadores, y así posteriormente dotar al sistema de nuevas funciones.
4.5. Dimensionamiento del Sistema Fotovoltaico
Los parámetros necesarios para el diseño del sistema fotovoltaico serán:
I. Horas de radiación solar global estándar (HSS)
II. Tensión de operación del sistema.
III. Cargas que debe alimentar el sistema.
IV. Factor se seguridad.
V. Escogencia del conversor.
VI. Dimensionamiento del panel fotovoltaico.
VII. Cálculo del generador
VIII. Cálculo del Regulador.
IX. Especificaciones baterías.
X. Cálculo de Conductores.
Con el fin de completar el diseño se llevarán a cabo cada uno de los pasos anteriormente
nombrados.
I. Horas de radiación solar global estándar (HSS)
Con el concepto de “Horas de sol estándar” se determina el número de horas diarias en el cual
existe una radiación de 1000 W/ m2, en este caso la determinación de HSS para el cálculo de la
cantidad de energía eléctrica producida se hallará con la ecuación 20.
( 20)
- 52 -
En las tablas 8 y 9 se observan los datos mensuales de radiación diaria y temperatura en
Anapoima obtenidos a través de la base de datos del IDEAM. Es importante mencionar que
únicamente se tendrán en cuenta los meses de cosecha puesto que en estos se hará uso del
deshidratador.
Mes Radiación solar horizontal diaria Enero 5.011
Mayo 4.646
Junio 4.3686
Julio 4.096
Noviembre 4.171
Diciembre 5.0233
Tabla 8: Datos mensuales de radiación diaria para meses de cosecha en Anapoima
Mes Temperatura Mínima Temperatura Máxima Temperatura Media
Enero 23,8 28,4 25,4
Mayo 23,6 26,3 24,8
Junio 26,6 26,2 24,8
Julio 22,7 28 25,9
Noviembre 23,1 25,8 24,4
Diciembre 23,2 27,9 24,8
Promedio 23,83 27,1 25,01
Tabla 9: Datos mensuales de temperatura para meses de cosecha en Anapoima.
De los datos presentados en la tabla 8 se obtiene que el mes de interés con menor radiación es
enero con 806,12 y de la tabla 9 se deduce que la temperatura promedio es 25,01°C.
Las horas de sol estándar, utilizando la radiación más baja, ocurrida en el mes de julio (4.096
kWh/ m2/d) son 4.096 HSS.
II. Tensión de operación del sistema
Debido al tipo de carga que se utilizará en el sistema de control, la tensión definida para el
sistema es de 24 VDC.
III. Cargas que debe alimentar el sistema
Con el fin de realizar un adecuado diseño para el sistema fotovoltaico se deben determinar las
cargas que serán alimentadas, en este caso en particular se trata de un ventilador, un servomotor,
un micro controlador PIC y un sensor de temperatura y humedad. Los datos de consumo y
tensión de cada una de las cargas se encuentran consignados en la tabla 10.
La tensión máxima utilizada en este sistema es de 24 VDC, este será el nivel de tensión
proporcionado por la fuente, las cargas de 5 voltios se conectarán al sistema por medio de un
conversor que reducirá el nivel de tensión. La ficha técnica del ventilador usado en este caso se
puede encontrar en el Anexo 1.
- 53 -
COMPONENTE POTENCIA
[W]
TENSIÓN DE
FUNCIONAMENTO
[V]
ENERGIA TOTAL
6 HORAS DE USO
[W/h]
VENTILADOR 20.3 24 121.8
SERVOMOTOR 5 5 30
PIC 0.0011 5 0.0066
SENSOR HIH 4000 0.0005 5 0.003
SENSOR LM35 DT 0.0003 5 0.0018
LCD 0.125 5 0.75
COMPONENTES CIRCUITO 0.5 5 3
TOTAL 25.92 5 155.56
Tabla 10: Datos de potencia y tensión de las cargas necesarias para el sistema fotovoltaico.
IV. Factor de seguridad
Este factor repara las pérdidas producidas durante la generación de energía, es decir, hace que el
sistema esté sobredimensionado entre un 10% y un 20%. El valor escogido para tal fin es de
0,18.
V. Conversor
Debido a que las cargas en DC tienen una tensión nominal de 24V, es necesario utilizar un
conversor DC/DC (24V/5V) cuyo fabricante es Solar Converters Inc, modelo PPT12/24-2R5
(Ver anexo 2). Según los datos especificados en la descripción del equipo, cuenta con una
eficiencia máxima de 0,96, dicho valor se incluirá en los cálculos de Potencia y Energía DC.
VI. Dimensionamiento del panel fotovoltaico.
Para la determinación de la Energía Total se debe realizar la sumatoria de la Energía consumida
tanto en DC como en AC, teniendo en cuenta la eficiencia de los respectivos equipos de
conversión. Para esto, se emplea la ecuación 21:
( 21)
Donde PDCi es la Potencia nominal del equipo DCi (W) y ηc es la eficiencia del Conversor
DC/DC. Incluyendo la eficiencia de los equipos de conversión es posible realizar la suma de las
cantidades DC, es decir:
= nergía de todos los dispositivos en
( 22)
Cabe resaltar que esta relación también aplica para determinar la Potencia Total. Así mismo, se
deben tener en cuenta las pérdidas mencionadas anteriormente, las cuales resultan relevantes
- 54 -
puesto que afecta la capacidad generada, impidiendo al sistema suplir la demanda proyectada.
Para ello, se debe tener en cuenta un Factor de Seguridad (FS), el cual oscila entre 0,1 y 0,2. Así:
= L (1 + )
( 23)
Por tanto, reemplazando los datos de la ecuación 23:
VII. Cálculo del generador
Para determinar la Potencia Pico del Generador, se debe tener en cuenta el valor de la Energía a
suministrar y el valor más bajo de HSS en el año, para garantizar que en dicho mes la demanda
será suplida. Esta relación se define mediante la siguiente ecuación:
( 24)
Para determinar el número de paneles a utilizar se hace uso de la ecuación 25.
( 25)
Para esta aplicación se utilizará un panel del fabricante Ameresco Solar de referencia VLS-50W
(24V) cuya potencia es de 50 Watts (Ver anexo 3).
VIII. Cálculo Del regulador
El regulador es el elemento que controla las cargas y descargas de la batería, permitiendo el
proceso de carga de la misma desde el generador fotovoltaico y el proceso de descarga a través
de los elementos de consumo eléctrico del sistema. Para dimensionar el regulador hay que tener
en cuenta la corriente máxima que pasa por el sistema; calculando la corriente del generador y la
corriente que consume la carga, la máxima de estas dos corrientes será la que soporte el
regulador.
Se debe tener en cuenta que la corriente que debe suministrar el Regulador a la carga no debe
exceder su corriente nominal. Ésta corriente se determina mediante la relación de la ecuación 26:
- 55 -
( 26)
Por lo tanto se tiene que para encontrar la potencia total en corriente continua será la suma de las
cargas conectadas en 24 y 5 Voltios:
( 27)
Reemplazando los valores de la ecuación 27:
Entonces, mediante la ecuación 26, la corriente que debe suministrar el regulador a la carga es:
Otro parámetro a tener en cuenta para la selección del regulador es su tensión de entrada, la cual
se determina con base en la conexión de los módulos y su comportamiento en temperaturas
extremas, por esto es necesario conocer las especificaciones de operación del panel. Estos datos
se encuentran en la tabla 11.
Datos del Inversor
Parámetro Valor
TNOCT 48
Coeficiente de Pmax -0,45 %/°C
Coeficiente de Voc -0,39%/°C
Coeficiente de Isc 0,084 %/°C
Tabla 11: Especificaciones operativas panel solar.
Se toma la temperatura ambiente promedio, la cual es como se indica en la tabla 9, y se
realiza el cálculo de la temperatura de la celda utilizando la ecuación 28.
( 28)
- 56 -
La corrección de potencia justifica la razón de la elección del factor de seguridad del 18%:
(29)
Corrección de tensión:
(30)
Corrección de corriente:
(31)
Teniendo en cuenta los datos encontrados anteriormente, se decide escoger el regulador
Morningstar Sunsaver SS-10L-24V (Ver Anexo 4).
Especificaciones del regulador VS generador:
REGULADOR (Nominales) GENERADOR (Máximos)
CORRIENTE 10 A 1.39 A
TENSIÓN 60 V 36 v
Tabla 12: Especificaciones de tensión y corriente para Regulador y Generador.
9) Dimensionamiento del banco de baterías
La tensión nominal de las baterías oscila entre 2 y 12 VDC. Para hacer la elección de la
batería se debe tener en cuenta la autonomía que tendrá el sistema, que corresponde al tiempo de
operación sin que haya radicación solar. Para este diseño se determinaron 2 días de autonomía.
( 32)
- 57 -
Ahora se calcula la capacidad nominal del sistema:
( 33)
Con la utilización de la batería Deka Solar de referencia MK 8GU1H (Anexo 5) con capacidad
de 31.6 Ah y teniendo en cuenta que su profundidad de descarga para 600 ciclos es 0.8:
( 34)
Para este diseño se usarán dos baterías conectadas en paralelo para lograr obtener los 24 V que
alimentarán al ventilador, al hacer esta conexión la capacidad quedará establecida como 31.6 Ah.
10) Cálculo de conductores
La longitud de los conductores a utilizar en este diseño es una proyección del espacio calculado
para la instalación del sistema fotovoltaico.
Los parámetros para tener en cuenta en la selección adecuada del conductor serán la regulación
de tensión y corriente nominal en cada tramo de las conexiones entre equipos. En tal sentido, en
la tabla 13 se pueden observar las distancias mencionadas y los datos necesarios para realizar la
escogencia del conductor.[20]
Tramo Distancia (m) Corriente (A)
Generador-Regulador 2 1.86
Regulador- Banco de Baterías 1 1.86
Regulador- Cargas 24 V 1 0.84
Regulador- Conversor DC-DC 1 1.025
Conversor DC/DC- Cargas 5 V 1 1.025
Tabla 13: Distancias y corrientes de tramos del sistema fotovoltaico.
Teniendo en cuenta que el conductor debe ser capaz de soportar 1.2 veces la corriente de corto
circuito del generador:
( 35)
- 58 -
Figura 28: Características físicas y eléctricas para diferentes tipos de conductores [21]
Como se observa en la figura 28, el menor calibre de conductor tiene una capacidad de corriente
de 6 a 7 Amperios dependiendo de las características de temperatura del lugar donde será
utilizado. Debido a que ninguna de las distancias entre los componentes del sistema fotovoltaico
es considerable, no se realizan cálculos de regulación y, en consecuencia, el conductor a utilizar
en la instalación será AWG 18.
4.6. Definición de Capacidad del Deshidratador
Uno de los parámetros más influyentes en la definición de la capacidad del deshidratador es el
corte realizado al mango, con respecto a esto se puede afirmar que el mango Nicky es un fruto
de gran tamaño, del cual se puede extraer una cierta cantidad de pulpa. De su masa total
aproximadamente solo el 50 % es pulpa aprovechable, este hecho se puede evidenciar con los
registros fotográficos de la figura 29.
- 59 -
Figura 29: Comparación de pesos de mango antes y después de su corte.
A fin de obtener el mayor provecho del fruto se recomienda hacer los siguientes cortes:
Corte superior o tapa: Este corte se realiza de forma paralela a la cara del mango, en forma de
láminas entre uno y dos centímetros, hasta llegar a su semilla, tal y como lo indica la figura 30.
Figura 30: Corte superior o tapa del mango.
- 60 -
Corte lateral: Como su nombre lo indica, este corte se realiza por las partes que se encuentran a
los lados de la semilla, desde donde el corte de tapa finaliza hasta la otra tapa que se encuentra
en la parte superior, el grosor entre cada tira puede ser de un centímetro.
Figura 31: Corte lateral del mango
Es válido mencionar que entre más grosor tenga el corte, más fruto cabría en el deshidratador,
pero esto repercute en la prolongación de los tiempos de secado (30 minutos a 1 hora por
incremento de 1 cm).
Por otro lado, a menos grosor, menos fruto cabría en cada , pero esto reduciría los tiempos
de secado. Por lo anterior es recomendable realizar los cortes con un grosor de 1 a 1.5 cm.
En cuanto a las dimensiones de las bandejas sobre las cuales se realiza el proceso de
deshidratación se registran los siguientes cálculos tomando como referencia la figura 32:
Diámetro de las bandejas=0.97 m
Área de las bandejas: 3.1415* =
Área promedio de rebanadas de mango: 8cm x 5cm= 0.004
- 61 -
Figura 32: Dimensiones de bandeja de secado
Si se permite un espacio suficiente para circulación de aire se propone la colocación de 110
piezas por bandeja, con lo cual se obtienen 880 en total, equivalentes a 30 kilos de producto (sin
deshidratar) repartidos en las ocho bandejas que posee en deshidratador.
- 62 -
Capítulo 5
5. Pruebas
5.1. Determinación de Tiempo de Secado
El secado solar del mango, sin un mecanismo con el que se optimice (radiación solar directa al
producto) con condiciones ambiente del lugar (Espinal - Tolima) se realiza a una temperatura de
secado de 40°C. Según operarios de la institución CORPOICA, con esa temperatura se llegaría
a tener un secado deseado después de 6 horas, teniendo en cuenta que el corte de la fruta fue de
un centímetro de grosor como se muestra en la figura 33.
Figura 33: Disposición en bandejas de secado de cortes de grosor 1 centímetro para secado al aire libre.
El dato de temperatura es la variable más relevante en el proceso de este tipo de secado, este
dato de fue obtenido en el mes de julio en el día 22 del año 2016, que según los datos
investigados, se trata de un mes en el cual existe mayor radiación solar, y, por otro lado, es un
punto de referencia para la temperatura real como factor que modela el secado.
Para determinar matemáticamente los tiempos de secado esperados, se tienen en cuenta las
ecuaciones que modelan el proceso de secado en el trabajo de M. El-Amin y M. Ismail.[22] En
este sentido, todo el proceso estará representado por la ecuación 36 donde la variable a encontrar
es la capacidad calórica, la cual indica qué tan fácil es para una sustancia experimentar cambios
de temperatura bajo el suministro de calor.
- 63 -
(36)
Donde:
Para se tiene que:
Por otra parte, la capacidad calórica se puede re definir de la forma mostrada en la ecuación 37.
(37)
Utilizando las ecuaciones 36 y 37, se define el tiempo de secado como:
(38)
Ya que se desea deshidratar una masa de mango de 33 kilogramos, el tiempo requerido para este
proceso con la utilización de convección forzada de aire y desalojo de humedad es:
En consecuencia, dependiendo de la cantidad de producto a deshidratar se tendrá una relación
específica con el tiempo de secado, tal como se muestra en la figura 34.
- 64 -
Figura 34: Relación entre masa de producto a deshidratar y tiempos de secado para sistema con
convección forzada.
Si este mismo proceso se lleva a cabo al aire libre, sin ayuda de algún mecanismo que permita la
aceleración del tiempo de secado, se necesitarán de 20.9 horas para deshidratar 33 kilogramos
del producto:
Finalmente, si el proceso es realizado sin remoción de humedad, se tendrá una rehidratación
progresiva del producto que ralentizará el tiempo de secado, el modelado matemático que
describe dicho retraso es obtenido de manera empírica y está determinado por la ecuación 39,
con un factor adicional de tipo logarítmico que describe el incremento de tiempo:
( 16)
Donde:
Para se tiene que:
- 65 -
Despejando el tiempo para una cantidad de producto de 33 kg:
En la figura 35 se realiza la relación para diferentes valores de masa de producto y su
respectivo tiempo de secado cuando este se realiza sin convección forzada.
Figura 35: Relación entre masa de producto a deshidratar y tiempos de secado para sistema sin convección
forzada.
De esta manera, se deduce que con el método de secado implementado se tiene un
ahorro de tiempo con respecto al secado directo de 7 horas y con respecto a un método
similar que no utilice convección forzada ni salida de humedad, el ahorro de tiempo es
de 14 horas.
5.1.1 Procedimiento para evaluar el correcto secado del mango.
El colector solar escogido para el silo tiene una eficiencia del 0,6 a 0,7 (según las normas
ASHRAE 93-2003), lo que elevaría la temperatura a valores entre 64° y 68°, un rango que está
en los valores permitidos para el secado de este producto en particular (50° a 70°).
Teniendo un incremento en la temperatura que circula en el sistema, se reducen los tiempos de
secado. En este caso se realizará un secado a una temperatura de 65°C constantes, que es lo que
- 66 -
proporcionará el deshidratador con referencia al rango de la eficiencia del colector.
Posteriormente se tendrá como resultado el tiempo que tarda la extracción de agua necesaria,
además se obtendrá el rendimiento que el deshidratador tendría con dichas variables.
Para determinar el tiempo correcto de deshidratación con 65°C constantes se realiza una prueba
en un horno eléctrico que consiste en los siguientes pasos:
En la tabla 14 se muestran los valores en porcentaje de cantidad de humedad de la fruta
en fresco y una vez se ha hecho la deshidratación de la misma, en el caso de interés se
remite a lo concerniente al mango. [23]
Producto Fresco (%) Seco (%) Temperatura °C
Durazno 85 18 n/d
Manzana 84 14 50
Banano 80 15 70
Guayaba 80 7 n/d
Uva 80 15 a 20 55
Mango 85 12 a 15 65 Tabla 14: Contenido de humedad para algunas frutas y temperatura tolerable
Para seguir con el procedimiento es necesario dar a conocer y establecer las variables
que se van a relacionar:
PS = Peso Seco.
PF = Peso Fresco.
PMS = Peso Materia Seca.
HF = Humedad Fresca en %.
HS = Humedad Seca en %.
R = Rendimiento.
Con los datos relacionados al mango que la tabla proporciona se obtiene:
HF= 85.
HS= 13 (Promedio del rango de la tabla).
Temperatura ideal de secado = 65°.
Con ello se calcula el rendimiento utilizando la ecuación 40:
(40)
Se calcula peso del producto en seco (PS) recomendable con el rendimiento y su peso en
fresco.
- 67 -
( 41)
Para ello se realizó la prueba con dos muestras de mango que se relacionan en la tabla
15.
MUESTRA A MUESTRA B
CORTE TAPA LATERAL
LARGO 0.10 0.10
ANCHO 0.075 0.03
SUPERFICIE 0.0075 0.003
PESO
FRESCO 91 gramos 32 gramos
Tabla 15: Dimensiones de muestras deshidratadas.
El peso del producto en seco para las partes denominadas tapas será calculado mediante
la ecuación 42.
(42)
Para la muestra B (Partes laterales del fruto) se espera que el peso en seco sea:
En un horno a temperatura constate de 65°C se deshidratan las muestras ya mencionadas
como se muestra en la figura 36, registrando su pérdida de peso cada 30 minutos, hasta
llegar al peso ideal (PS) hallado para cada muestra o hasta el momento en que no
existan cambios en el peso .
Figura 36: Disposición del mango para secado en horno eléctrico.
- 68 -
En la tabla 16 se realiza el registro los datos obtenidos:
TIEMPO [min] MUESTRA A [ ] MUESTRA B [ ]
0 91 32
30 74 24
60 64 19
90 53 14
120 44 11
150 35 8.1
180 26 6.2
210 26 5.3 Tabla 16: Dimensiones de muestras deshidratadas.
En la práctica, el peso que la muestra A alcanzó fue de 26 gramos. No llegó a su peso
ideal teórico. El proceso de secado fue detenido en este punto puesto que llegado a este
valor no cambió significativamente, esto puede deberse a que el corte realizado en esta
parte del fruto fue cinco milímetros mayor que el recomendado.
.
Por otro lado, la muestra B llegó a un valor muy cercano al calculado. Con esto se puede
deducir que a una temperatura constante de 65°C, el producto se deshidratara
correctamente en un tiempo estimado de 210 minutos (3 horas) si se cumplen
estrictamente los requisitos de grosor de la muestra.
Los cambios obtenidos en cada una de las muestras se plasman en la figura 37.
Figura 37: Cambios obtenidos en las muestras en diferentes momentos del proceso de secado.
Debido a las dimensiones del deshidratador real y a la cantidad de humedad que se debe
desalojar en el proceso, se estima que el tiempo de secado estará entre 4 y 6 horas
- 69 -
dependiendo de factores altamente influyentes como la radiación y la temperatura
ambiente del día en que se haga uso del deshidratador.
Es posible calcular el rendimiento práctico del proceso de deshidratación para este caso
particular por medio de la ecuación 43:
(43)
Para calcular el rendimiento practico ( se escogen lo datos de los pesos ( ) de
la muestra A.
Ya que se está tratando con información o datos aproximados que tendrá el
deshidratador final, se puede afirmar que el sistema tendrá un rendimiento aproximado
a .
Con los datos prácticos se puede hallar la humedad del producto en fresco HF, es decir, la
humedad que tenía el producto al momento de iniciar el proceso. (Ecuación 44)
( 44)
La humedad extraída en el proceso fue el 71%.
5.2. Acción del Sistema de Control
Para comprobar el correcto funcionamiento de la implementación del sistema de control se
realizó una prueba en el mes de Septiembre de 2017 con una temperatura ambiente de 17°C, en
dicha prueba se logra comprobar que el aumento de temperatura provocado con el colector es
significativo pues se alcanza una temperatura de 29°C.
En la tabla 17 se representa la variación de datos de temperatura en el colector solar y humedad
dentro de la cámara de secado en un lapso de tiempo de 40 minutos.
- 70 -
Temperatura Humedad
relativa
29 33
30.2 32
30.2 29
31.2 29
32 29
33.2 28
34.1 28
35.1 28
35.2 27
Tabla 17: Prueba de variaciones de temperatura y humedad en el colector.
Una vez comprobado el funcionamiento del colector, se procede a realizar la verificación de la
acción del sistema de control, para la realización de esta prueba fue necesaria la aplicación de
calor y humedad mediante elementos externos que aportaran la cantidad necesaria de estas
variables puesto que con la radiación del lugar de trabajo no se alcanzaban magnitudes que
permitieran realizar acciones de control dentro del prototipo.
Los resultados de estas pruebas se encuentran disponibles en el anexo 10 y en la tabla 18 se
presenta un cuadro resumen.
Temperatura Humedad Relativa Duración Etapa
Valor
Inicial 23.56 52
428 Seg
Valor Final 69.95 25
Valor
Inicial 70.67 20
0.15 Seg
Valor Final 71.02 20
Primer Accionamiento: Control Proporcional
Valor
Inicial 71.02 20
75,56 Seg
Valor Final 68.45 26
Tabla 18: Resumen prueba de funcionamiento del sistema de control con primera etapa de actuación.
.
Primera Etapa: Crecimiento de la variable temperatura, como se puede observar en los
datos de humedad para esta etapa, se tiene una relación inversamente proporcional entre
las dos variables.
Segunda Etapa: Llegada al primer punto de actuación del sistema de control. El tiempo
que transcurre entre la detección hecha por el sensor del valor establecido de temperatura
para realizar el accionamiento y el momento en que se registra la actuación de la compuerta es
de 0.15 segundos.
- 71 -
Tercera Etapa: Una vez establecido el inicio del control proporcional, el sistema tarda
75.56 segundos en desalojar aproximadamente 3°C de la cámara de secado.
Por otra parte, en caso de que la temperatura se mantenga por encima de 70° por más de cinco
minutos, el sistema realizará el accionamiento completo de la compuerta impidiendo así el
ingreso de aire al interior del deshidratador. El resumen de los datos al realizar esta prueba se
encuentra en la tabla 19.
Temperatura Humedad Relativa Duración
Valor Inicial 22.95 52 428 Seg
Valor Final 69.35 25
Valor Inicial 70.35 20 0,15 Seg
Valor Final 70.85 20
Primer Accionamiento: Control Proporcional/ Compuerta a 45°
Valor Inicial 71.78 20 300 Seg
Valor Final 81.05 20
Segundo Accionamiento: Control Proporcional/ Compuerta a 90°
Valor Inicial 81.05 19 186 Seg
Valor Final 69.35 25
Tabla 19: Resumen de datos prueba de funcionamiento del sistema de control con segunda etapa de
actuación.
Siguiendo las etapas descritas en la tabla 18, en este caso después del primer accionamiento la
temperatura supera el valor asignado de 70°C por más de cinco minutos, en este momento se
pone en marcha el segundo accionamiento consistente en cerrar completamente el orificio de
entrada de aire y por medio del control proporcional aumentar velocidad del ventilador hasta su
valor máximo. Una vez este es implementado, el sistema tarda 186 segundos en volver a valores
admisibles de temperatura.
- 72 -
Capítulo 6
6. Implementación
6.1.Manual de Instalación
Debido a que la principal característica del prototipo es su capacidad de ser replicable en cuanto
a su construcción, mediante su diseño se han dispuesto de cinco partes que al unirse conforman
la totalidad del deshidratador:
Base y armario de elementos electrónicos-Figura 38.
Estructura de bandejas de secado- Figura 39.
Colector- Figura 40.
Silo- Figura 41.
Tapa de la Cámara de Secado- Figura 42.
Figura 38: Base y armario de elementos electrónicos deshidratador.
Figura 39: Estructura de bandejas de secado.
- 73 -
Figura 40: Colector
Figura 41: Silo
Figura 42: Tapa de la Cámara de Secado.
- 74 -
Para la correcta instalación se deben seguir los pasos mencionados en la tabla 20.
Paso 1:
Se debe ubicar el silo en la parte superior del
armario de elementos electrónicos. Las dos
partes presentan unos orificios ubicados en la
zona delimitada con color rojo donde se debe
hacer una fijación con los tornillos incluidos
en el kit de instalación.
Paso 2:
Ubicar los orificios de los laterales del
colector en los pequeños tornillos de ajuste
del silo (zona de color azul).
Paso 3:
Insertar la estructura de las bandejas de
secado en la parte superior del silo hasta que
se encuentren al mismo nivel y se pueda
realizar la instalación de la tapa con su
respectivo ventilador.
- 75 -
Paso 4:
Realizar el cierre del silo mediante la
colocación de la tapa en la parte superior del
mismo.
Recomendaciones Adicionales: Si se desea
realizar la utilización inmediata del sistema
de deshidratación se debe realizar la
colocación del producto en las bandejas
antes de la implementación del paso 3.
Después de esto se deben seguir los pasos
normalmente hasta obtener el resultado
esperado en términos de deshidratación del
producto.
Tabla 20: Proceso de Instalación deshidratador Solar
6.2.Costos de Implementación
Los costos de implementación total del deshidratador se encuentran en la tabla 21. Los costos de
la parte fotovoltaica se relacionan por aparte dado el caso en el que el sistema se requiera
implementar con otro tipo de alimentación eléctrica.
- 76 -
TABLA DE COSTOS DESHIDRATADOR
SISTEMA FOTOVOLTAICO
Conversor $ 350.000
Panel $ 300.000
Regulador $ 205.861,00
Baterías $ 700.000,00
Total SF $ 1.555.861
PARTE FÍSICA Y DE CONTROL
Estructura Deshidratador en acero inoxidable $ 1.600.000,00
Programación $ 200.000,00
Sensores y elementos electrónicos $ 90.000,00
Ventilador $ 200.000,00
Servomotor $ 25.000,00
Acople para compuerta $ 50.000,00
Acrílico $ 50.000,00
Carcaza protectora $ 70.000,00
TOTAL PARTES FYC $ 2.285.000,00
COSTO TOTAL DE IMPLEMENTACIÓN $ 3.840.861,00 Tabla 21: Costos de implementación total.
- 77 -
Capítulo 7
7. Trabajos futuros.
Como parte de la ampliación del trabajo realizado se pueden definir el número de
sensores que se deben utilizar así como la ubicación de los mismos dentro de la cámara
de secado y el método que se utilizará para evaluar sus resultados y obtener una medida
confiable.
La parte estructural del deshidratador puede ser mejor aprovechada con la
implementación de un control que aproveche al máximo el desempeño de los actuadores
propuestos.
Con el fin de dar versatilidad al deshidratador, se pueden estudiar los valores de
humedad relativa y temperaturas requeridas para el secado de diferentes frutos y de esta
manera realizar la programación de una interfaz que permita la interacción del personal
encargado del proceso con la máquina para seleccionar el tipo de fruta que ingresa en la
cámara de secado y adicionalmente muestre en la pantalla lcd la estimación del tiempo
que tomará completar el proceso.
Una vez realizada una aproximación al sistema a controlar, se requiere un estudio de
control que proporcione estrategias óptimas y ajustables a diferentes características
medioambientales encontradas en la región de instalación del deshidratador.
Realización de ajustes que permitan reducir los costos de construcción y masificación
del prototipo.
Estudios de mercado que permitan determinar la viabilidad del proyecto teniendo en
cuenta aspectos como la capacidad de replicar la estructura física del prototipo.
- 78 -
Capítulo 8
8. Conclusiones
En el desarrollo de la monografía se cumplió a cabalidad con los objetivos propuestos, logrando
como resultado final la implementación y el correcto funcionamiento del sistema de control para
el prototipo de deshidratador solar diseñado. Como parte del análisis realizado a lo largo de la
elaboración del prototipo se tienen las siguientes conclusiones o recomendaciones.
De acuerdo con la información recopilada, se determinó que el tipo de deshidratador que
presenta un mejor comportamiento con respecto al flujo de aire en el interior de la
cámara de secado es el compuesto por un silo ya que al tener forma cilíndrica evita la
formación de micro climas en su interior y así permite un secado más uniforme del
producto a deshidratar. Todo esto sustentado en que los valores de dispersión de
temperatura en su interior se encuentran entre 20°C y 41°C.
Las condiciones climáticas influyentes en el proceso de deshidratado se determinaron en
Anapoima como: Temperatura promedio: 25.1 °C, Humedad Relativa Ambiente
promedio en los meses de cosecha: 64%, Irradiancia promedio diaria: . Con
estos datos fue posible realizar los dimensionamientos del colector y del sistema
fotovoltaico que deberá implementarse para el uso del deshidratador. Por otra parte,
conocer estos datos del sitio fue determinante a la hora de establecer el comportamiento
que deberá obedecer el control con el fin de mantener las variables dentro de ciertos
rango.
Con las ecuaciones que describen el modelado matemático del proceso fue
posible deducir que con el método de secado implementado (utilización de
convección forzada de aire por medio de un ventilador) se tiene un ahorro de
tiempo con respecto al secado directo de 7 horas y con respecto a un método
similar que no utilice convección forzada, de 14 horas.
La utilización de una compuerta que permita o impida el paso de aire al colector
tiene su beneficio al impedir la propagación de calor al interior del colector en un
41% dependiendo de su posicionamiento, de esta manera el área transversal de la
escotilla varía en tres estados y a una temperatura ambiente de 17°C se obtiene:
Completamente cerrada: área transversal de 0 se obtiene una temperatura de18°c.
Completamente abierta: área transversal se obtiene una temperatura de 35°c.
Abertura en un Angulo de 45°: área transversal de se obtiene una
temperatura de 21°c.
- 79 -
El sistema de sensado de temperatura utilizado tiene un retardo asociado en su
accionamiento, que hace que reaccione con una demora de 5 segundos a los cambios
repentinos de la variable a la cual se encuentra asociado, pero tratándose de procesos de
deshidratado de fruta, este hecho no afecta la calidad producto (pérdida de vitamina C,
color y sabor) ya que no se excede el tiempo establecido como riesgoso para la
conservación de las propiedades organolépticas del mango el cual está establecido como
5 minutos.
Es de suma importancia el desalojo inmediato de la humedad relativa mayor a 62%
cuando esta se desarrolle al interior de la cámara de secado. Mantener bajo estricto
control este límite impide que la fruta se vuelva a hidratar por efecto del aire húmedo
con el que podría estar en contacto (esto puede repercutir en la prolongación de los
tiempos de secado). Por lo anterior, el sensor HIH 4000 tiene una sensibilidad
considerable de 1% y un tiempo de respuesta de 0.15 segundos, que hace que el sistema
de sensado no tenga un retardo prolongado al momento de enviar la señal de inicio a los
actuadores pertinentes.
Una vez realizadas las pruebas y cálculos de tiempos de secado, se estima que el tiempo
de deshidratación en el modelo real estará en 13.8 horas para deshidratar una cantidad
de 33 kg de producto.
- 80 -
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