UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECÁNICA Y

ENERGÍA

PROYECTO TESIS

TITULO:

INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN (RPM, ms/ma)

SOBRE LA EFICIENCIA DE UN SECADERO SOLAR HÍBRIDO PARA

PLANTA-HOJA STEVIA REBAUDIANA”

AUTOR:

ALEMAN CRISPÍN Davis

DAVILA MIGUEL Manuel

PINILLOS GARCÍA Walter

SANCHEZ HUAMANÍ Luis

SANCHEZ HUAMANÍ Andrés

RAMOS VELASQUEZ Davis

FECHA:

20 de Noviembre de 2012

TRUJILLO – PERÚ

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

I. GENERALIDADES

1. TITULO:

“INFLUENCIA DE PARÁMETROS DE OPERACIÓN (RPM, ms/ma) SOBRE LA

EFICIENCIA DE UN SECADERO SOLAR HÍBRIDO PARA PLANTA-HOJA

STEVIA REBAUDIANA”

AUTORES:

ALEMAN CRISPÍN Davis

DAVILA MIGUEL Manuel

PINILLOS GARCÍA Walter

SANCHEZ HUAMANÍ Luis

SANCHEZ HUAMANÍ Andrés

RAMOS VELASQUEZ Davis

2. TIPO DE INVESTIGACION:

2.1. De acuerdo a la orientación: Aplicada.

2.2. De acuerdo a la técnica de contrastación: Explicativa.

3. REGIMEN DE INVESTIGACION: Orientada.

4. LOCALIDAD E INSTITUCION DONDE SE REALIZARÁ EL PROYECTO:

4.1. Localidad:

Dpto. La Libertad - Prov. Trujillo - Distrito Trujillo

4.2. Institución:

Universidad Nacional de Trujillo

5. CRONOGRAMA DE EJECUCION DEL PROYECTO:

PRESUPUESTO:

Recursos No Disponibles:

Descripción del Recurso CantidadCosto Unitario

(S/.)Subtotal

(S/.)Costo de Energía Eléctrica 5 000 kW-h 0.168 840.00Pinza Amperimétrica 01 unidad 25.00 25.00Megómetro 01 unidad 50.00 40.00Voltímetro 01 unidad 20.00 20.00Vibrómetro 01 unidad 800.00 800.00Horómetro 01 unidad 15.00 15.00Pirómetro 01 unidad 450.00 450.00Cronómetro 01 unidad 5.00 5.00Tacómetro 01 unidad 15.00 15.00Herramientas de taller ---- ----- 200.00Bibliografía ---- ---- 250.00Útiles de escritorio ----- ---- 25.00Consumibles ----- ----- 50.00Subtotal ------ ---- 3235.00

Servicios:

Descripción del Servicio Subtotal (S/.)

Computadora Portátil 500.00

Movilidad 275.00

Edición de tesis 300.00

Otros servicios 90.00

Subtotal 1965.00

Total de Bienes y Servicios:

Total: S/. 5 200.00

FINANCIACIÓN

Los Recursos no Disponibles y los Servicios son financiados con Recursos propios y en gran parte con Recursos de apoyo

de ONG durante toda la realización del presente proyecto.

II. PLAN DE INVESTIGACIÓN:

II.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA

Con el avance tecnológico cada día aumentan proporcionalmente los sistemas de secado, por razones de

disminución de riesgos, costos y mejor control de la producción. Si se desea que los sistemas de secado de

stevia, o de cualquier grano, sean eficientes, se debe conocer la manera de operarlos adecuadamente para

preservar las características físicas, químicas y sensoriales de los productos agrícolas, especialmente la stevia,

se ha encontrado que la manera más efectiva de lograrlo es mediante el secado solar híbrido. [1]

Uno de los motivos por los cuales se reproducen los microorganismos patógenos, los hongos y levaduras es

por el secado ineficiente de las hojas por parte del productor primario, dado que él mismo no cuenta con

secadores adecuados para el efecto. Se limitan a depositar las hojas cortadas en el suelo, o sobre capas

improvisadas, lo que hace que las hojas deterioren la calidad exigida. Tal situación se debe a la falta de

conocimiento, de capacidad económica para implementar medios de secado adecuados y prácticos.[2]

En la actualidad, cuando la demanda de productos naturales, como la stevia Rebaudiana, tiene un auge en su

consumo por sus múltiples propiedades; la comercialización en su forma natural y/o calidad orgánica, se ve

afectada debido al no uso de parámetros adecuados de secado.

En el mundo hay más de 220 millones de personas con diabetes. El consumo del azúcar común como

edulcorante está asociado a una serie de enfermedades tales como la obesidad, diabetes, enfermedades del

corazón y de tipo degenerativas. Frente a esta situación es que desde hace algunos años se inició la

búsqueda del edulcorante “ideal” que reemplace el azúcar, el cual debe ser totalmente inocuo, de sabor

dulce, que se perciba y desaparezca rápidamente, muy parecido al del azúcar común, sin sabor residual y

resistente a las condiciones del alimento y del tratamiento a los que se someterá. Actualmente es habitual

encontrar en el mercado decenas de productos edulcorantes, naturales y artificiales, que han transformado a

este sector en una de las áreas más dinámicas dentro de los aditivos alimentarios. A la vez, aún no existe

consenso dentro de la comunidad científica sobre la total inocuidad de estos productos, principalmente de los

edulcorantes artificiales, pudiéndose encontrar referencias que indican que la ingesta es segura para la salud

humana y otras en las que es posible asociar la ingesta de edulcorantes a enfermedades.[3]

La Stevia rebaudiana es un arbusto nativo del Paraguay y Brasil que crece hasta una altura de unos 80cm. La

Stevia es, en su forma natural, 10 a 15 veces más dulce que el azúcar común de mesa, mientras que los

extractos de Stevia tienen una potencia endulzante de 100 a 300 veces mayor que la del azúcar, debido a la

presencia del  Esteviósido. Y, mejor aún, la Stevia no afecta el metabolismo de la glucosa en la sangre.

Sin embargo el procesamiento de ésta planta, como se había considerado, es todavía una actividad económica

de subsistencia realizada por pequeños minifundistas sin recursos tecnológicos, por lo que la mayor parte de la

producción es secada al aire libre en canchas de tierra, con lo que se obtiene un producto de baja calidad. Su

proceso que incluye triturado, filtración, microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, evaporación, cristalización,

secado y pulverización; enfrenta una ausencia clara de análisis científico de los parámetros de operación en el

secado, y sobre todo en cómo, de forma óptima, se debe trabajar.[4]

En el plano internacional, en Brasil la experiencia de producción se ha dado de la mano de inversiones fuertes

en maquinaria (plantadoras, cortadoras, secadoras) y ensayos del cultivo extensivo. En China, donde se

produce el 80% del volumen mundial de hoja, la stevia se planta en suelos arenosos muy pobres con buenos

resultados a pesar de que solo se realiza un corte por año.

En Perú, todavía, a diferencia de los demás países de nuestra región, aun no existe una verdadera política de

industrialización utilizando métodos ingenieriles. Solo tenemos alguno casos muy aislados por ejemplo el

sucedido en AUCAYACU – HUÁNUCO (Perú) se creó un horno de secado de hoja de stevia rebaudiana fue

inaugurado por un grupo de productores de este producto en el distrito de José Crespo y Castillo – Aucayacu

(Fig. Nro 1). La iniciativa tiene como finalidad mejorar la calidad del producto muy requerido en el mercado

internacional.

Ya hay cerca de 50 hectáreas de stevia y según se sabe, en el distrito de José Crespo y Castillo, ya se han

instalados cerca de 50 hectáreas de stevia. Un kilogramo de hoja seca del producto se cotiza a 13 nuevos

soles, lo que la convierte en una excelente alternativa de sustitución de las plantaciones ilegales de hoja de

coca. La empresa pretende sembrar 500 hectáreas de stevia en Aucayacu. Entre los mayores problemas que

se enfrenta se encuentran la falta de infraestructura adecuada, condiciones climáticas adversas que

habitualmente coinciden con los periodos críticos de lluvia y pocas horas de brillo solar durante la cosecha,

impidiendo que los patios de secado tengan buenos rendimientos y permitan el secado eficaz y eficiente. [5]

Según los antecedentes anteriores, es muy conveniente reemplazar el edulcorante que generalmente es

extraído de la caña de azúcar por uno con muchas mejores propiedades como lo es la Stevia Rebaudiana, el

cual además presenta condiciones para ser procesada dentro del país. Es factible dentro de la selva, dada la

realidad climatológica pues se cultiva en los climas tropicales y subtropicales, desarrollándose mejor en climas

calientes y con mucha exposición solar. Generalmente se cultiva a una altura entre los 0 y 1000 msnm.

Requiere de un clima húmedo caliente, alternando con períodos secos y temperaturas entre los 16 y 30 grados

centígrados. Originando así que el solo manejo de los parámetros que son rpm del secador, flujo másico, y

resistencia eléctrica, etc; reflejarían una mejora en la mejora de la eficiencia del secador y como consecuencia

inmediata en el proceso de secado. [6]

En nuestro país es una necesidad,  desarrollar las vías de análisis y estudio de las plantas medicinales

como Stevia Rebaudiana, pues se debe pensar que en los productos naturales está el futuro de la medicina y

la farmacia, lo que provocará el desarrollo de nuevos productos y hará que nuestro país compita con países

desarrollados de gran tradición científica. Si además grupos organizados de agricultores podrían aprender el

manejo agronómico y lograrla domesticación de esta especie, y en forma adicional desarrollan proceso semi

industriales para fabricar a mediana o pequeña o escala  productos comerciales con mayor valor agregado, por

ejemplo tés de hierbas medicinales, como el tilo  con el edulcorados con Stevia.

1. II.2. ANTECEDENTES

1.1. Contribuyó en gran medida la investigación desarrollada en la Tesis Doctoral “Modelado y

construcción de un secador solar híbrido para residuos biomásicos” de Dra. Irene Montero

Puertas de la Universidad de Extremadura - España, en el cual nos apoyamos de forma constante

para el desarrollo de nuestra investigación. [7]

1.2. En Perú se desarrolló un RESUMEN TECNICO DE ENSAYOS Y CAPACITACIONES

DESARROLLADOS EN STEVIA a cargo de Ing. Ronal Echeverría Trujillo, Ing. Ayda K. Valles Ramírez,

y - Tec. Magno Pinedo Grandez. El Programa Nacional de Investigación de Cultivos Agroindustriales –

STEVIA, de la Estación Experimental Agropecuaria “El Porvenir” en la Región San Martín, consciente

del rol importante en el desarrollo de la Investigación promueve trabajos con el fin de solucionar los

problemas de la Región con el reciente interés en plantaciones de cultivo de Stevia en grandes áreas.

[8]

Objetivos justificacion

Enunciado el problema????

3. MARCO TEÓRICO

El secado es una operación básica que consiste en reducir la humedad de un producto cualquiera, de forma que

el producto final presente unas características diferentes a las del inicial. El secado de subproductos para una

utilización posterior, como por ejemplo combustibles, materia prima de procesos, etc., conlleva elevados

consumos de energía. Esta operación puede hacerse:

Por evaporación o vaporación con ayuda de calor, este método es llamado secado térmico mediante aire

caliente, radiación solar.

Mediante otros procesos físico-químicos, como es el caso de liofilización, ósmosis, adsorción, congelación,

etc.

Por extracción de agua a través de medios mecánicos (presión, vibración, filtrado, centrifugación).[9]

El secado térmico es el sistema más habitual y utilizado de secado de subproductos, es un proceso simultáneo

de transferencia de materia y energía en el que se produce:

Transferencia de calor desde el agente secante al producto.

Transferencia de materia desde el interior del producto hacia la superficie y desde la superficie al gas

secante que le rodea.

Además de estos procesos simultáneos, se debe considerar que a medida que varía la humedad en el

producto y en el agente secante, también lo hacen las propiedades de estos productos. En particular, cuando se

requiere de biomasa con fines energéticos, la etapa de pre- tratamiento más importante es el secado. Esto se

debe a diferentes motivos, siendo los más importantes los siguientes:

Aumento de la eficiencia del proceso y disminución del tamaño de los equipos.

Combustibles con humedades entre 35% y 70% hacen variar la eficiencia del equipo entre un 75% y un

50%, respectivamente, en cuanto el tamaño de los equipos este puede variar con respecto al combustible

seco entre 1,2 y 2,2 veces.

Disminución de requerimientos de energías auxiliares.

Descenso en el consumo del combustible.

Reducción de las emisiones al ambiente.[10]

Uno de los principales motivos para que se den las ventajas anteriores en los combustibles con bajo grado de

humedad es el aumento de la temperatura de la llama en la combustión de dichos combustibles. Esto se debe a

que con el combustible húmedo parte del calor de combustión es utilizado para evaporar el agua del

combustible, mientras que con el combustible seco todo el calor de combustión se utiliza en calentar el aire y

los productos de combustión.

La clasificación de los secaderos se puede hacer atendiendo a diferentes parámetros. Todos los sistemas de

secado, en primer lugar, se pueden clasificar de acuerdo al rango de temperaturas de operación, secaderos de

alta o baja temperatura. Convencionalmente en la industria y de forma general se utilizan los secaderos de alta

temperatura con combustibles convencionales, mientras que los secaderos de baja temperatura utilizan

combustibles biomásicos o energía solar.

Otras clasificaciones menos habituales son:

Según el tipo de propagación del calor: convección, conducción y radiación.

Según la presión utilizada en el proceso: vacío o atmosférica.

Según el agente desecante: aire, vapor sobrecalentado o gases procedentes de un proceso anterior.

Según la disposición de las corrientes: paralela, contracorriente, transversal.

Según la forma de aportación del calor: continua o discontinua.

Según disposiciones especiales: bandeja, cilindros, tambores, túneles, cintas…

Según el tiempo de residencia: corto(< 1 min), medio (1-60 min) o alto (> 60min).[11]

3.1 Secado solar . El secado natural ha sido utilizado desde tiempos inmemorables para secar una gran

variedad de productos. Sin embargo, para el secado a escala industrial este sistema presenta ciertas

limitaciones, como son la necesidad de grandes superficies, dificultades en el control del proceso, etc. Con

objeto de aprovechar los beneficios de la fuente solar se han realizado numerosos intentos en los últimos

años para el desarrollo de secaderos solares en productos agrícolas y forestales.

Las principales ventajas del secado solar son:

Desde el punto de vista medioambiental, la energía utilizada es la radiación solar, que es una fuente no

contaminante, renovable y que puede utilizarse a escala local.

Además el coste y la rentabilidad de la instalación vienen condicionados en gran medida por las

circunstancias geográficas que determinan la intensidad de radiación incidente y el número de horas de sol.

Esto se debe a que en aquellas zonas donde estos factores sean altos, por ejemplo, Andalucía, la

evaporación se produce con mejor eficiencia.[12]

Los principales inconvenientes del secadero solar son:

El carácter periódico, variable y no predecible con exactitud de la radiación solar.

La baja densidad energética de la radiación solar, que conlleva a la necesidad de superficies de gran tamaño.

3.2 Tipos de secaderos solares

Existe una gran variedad de sistemas de secado solar, que se engloban dentro de los secaderos de baja

temperatura. Así, los sistemas solares de secado se pueden clasificar, según la forma de circulación del aire

desecante, en dos grandes grupos:

Sistemas solares activos o de convección forzada: incorporan elementos externos, como ventiladores,

para mover el aire utilizado para la reducción de humedad del producto. Pueden ser, a su vez, sistema todo-

solar, en los que el aporte energético se obtiene en su totalidad de la radiación solar, o sistemas híbridos,

para los que además de la radiación solar se utiliza una fuente de energía auxiliar.

Sistemas solares pasivos o de convección natural: no incorporan elementos para forzar la circulación del

agente desecante, produciéndose este movimiento por la variación de densidad del mismo provocada por la

diferencia de temperaturas.

A su vez, se pueden clasificar en tres subconjuntos atendiendo a la disposición de los componentes del conjunto

y al modo de utilización de la energía solar:

Secaderos solares de tipo integral o directo: en ellos, la radiación solar se recoge únicamente en la cámara de

secado.

Secaderos solares de tipo distribuido o indirecto: disponen de un colector solar que

capta la energía de radiación y la transmite al aire, provocando su calentamiento.

Secaderos solares mixtos: la radiación solar se transmite conjuntamente a un calentador solar y a la

cámara de secado.[13]

A continuación se describe de forma más detallada el caso de secadero solar activo de tipo integral por ser el

caso de estudio. En primer lugar, los sistemas solares activos dependen sólo parcialmente de la energía solar,

ya que emplean la energía solar como aporte de calor y la energía eléctrica para los ventiladores utilizados en la

convección forzada del agente desecante. En todas las posibles situaciones de secaderos solares activos,

se consigue en distintas proporciones una reducción del consumo de energía convencional. Estos dispositivos

son más efectivos y fáciles de controlar que los secaderos pasivos, aunque hay que considerar el uso de

electricidad para los ventiladores lo que conlleva un aumento en los costes de operación y mantenimiento. Por

otro lado, es importante destacar que los secaderos solares activos de tipo integral son sistemas en los que la

unidad de recepción de la radiación solar es la propia cámara de secado.

3.3 OPERACIONES DE SECADO:

Secado por lotes: Generalmente es un proceso de semilotes donde una cierta cantidad de sustancia que se va a secar se expone a una corriente de aire que fluye continuamente en la cual se evapora la humedad.

Secado continuo: En las operaciones continuas, tanto la sustancia que se va a secar, como el gas pasan continuamente a través del equipo. El equipo por lotes o semilotes, se opera intermitente o cíclicamente en condiciones de estado estacionario. El secador se carga con la sustancia, que permanece en el equipo hasta que se seca, entonces, el secador se descarga y se vuelve a cargar con un nuevo lote.[14]

3.4 CARACTERISTICAS DE UN SECADOR SOLAR.

Los dos elementos básicos de un secador solar son: el colector, donde la radiación calienta el aire y la cámara de secado, donde el producto es deshidratado por el aire que pasa. Estos elementos pueden diseñarse de diferentes formas para integrarse a diferentes equipos de secado solar:

Secador solar indirecto: Los dos elementos están separados. El aire es calentado en el colector y la radiación no incide sobre el producto colocado en la cámara de secado. La cámara de secado no permite la entrada de la radiación solar. Este secador es esencialmente un secador convectivo convencional en que el sol actúa de fuente energética.Secador solar directo: Los dos elementos pueden juntarse, en cuyo caso la cámara que contiene el producto también cumple la función de colector recibiendo la radiación solar. Secador solar mixto: Finalmente puede darse el caso en que la colección de radiación se realice tanto en un colector solar previo a la cámara como en la misma cámara.

El Secador solar indirecto presenta varias ventajas. En primer lugar el control del proceso es más simple (sobre todo en el caso de secadores con circulación forzada de aire). Es fácil de integrar una fuente auxiliar de energía para construir un sistema híbrido. El tener una cámara de secado separada de los colectores facilita la manipulación del producto y las labores de carga y descarga. Dado que la cámara no permite la entrada de la radiación solar, este sistema permite secar en forma conveniente productos que se puedan dañar o perder calidad de aspecto por una exposición directa al sol. Para productos a granel (principalmente granos en silos) si se contempla el secado solar, el sistema a emplear es el de un secador indirecto.Una desventaja de este tipo de secadores es el hecho de que al separar la función colección de energía solar, el tamaño del equipo y sus costos aumentan. Una segunda desventaja es que para evaporar la misma cantidad de agua se necesita mover más kilogramos de aire a mayor temperatura que en el caso de los secadores directos o mixtos.

En los secadores solares directos la radiación solar (fig Nro.2) es absorbida por el propio producto, resultando más efectivo el aprovechamiento de la energía para producir la evaporación

del agua. Esto se debe a que la presión de vapor en la superficie del producto crece por la absorción de radiación solar. Por lo tanto el gradiente de presiones de vapor entre producto y aire se hace mayor y se acelera el secado.La combinación de colector y cámara en una sola unidad puede ser más económica en muchos casos, especialmente en los secadores de menor tamaño. Este tipo de secadores es casi siempre con circulación de aire por convección natural. Esto hace que a veces el control del proceso sea poco confiable. Para algunos productos la acción de la radiación solar puede destruir algún compuesto orgánico que lo compone y que tiene interés comercial.[15]

De los equipos de secado mencionados anteriormente podemos deducir que, existen dos alternativas

tradicionales para el secado:

• Una de ellas es utilizar un quemador, que pueda generar gases calientes y estos puedan ser utilizados

directamente para el secado de los productos.

• La otra alternativa es utilizar un intercambiador que permita calentar únicamente el aire y utilizarlo como único

fluido de secado.

A su vez dichos equipos de secado (Fig. Nro. 3) utilizan métodos de recirculación del aire, en miras a un ahorro

energético.

Pero se ha de señalar que los dispositivos de secado, no solo buscan una manera de secado eficiente, si no que

muestran una visible preocupación por la reducción del tiempo de secado, que es conseguida con una mayor

área de exposición del producto al aire caliente.

Los parámetros más significativos que influyen en el funcionamiento de un secadero solar son:

Las características del aire de secado: temperatura, humedad relativa y caudal másico. Las propiedades del producto a secar: cantidad total, contenido de humedad inicial y final, su tamaño,

distribución. Variables dimensionales del recinto de secado: dimensiones físicas, configuración.

En cuanto al secado de subproductos para una utilización energética posterior, los parámetros de mayor

importancia en la evaluación de los secaderos solares son los siguientes:

Características físicas del secadero:- Tipo, forma, tamaño, dimensiones, etc.- Capacidad de secado y densidad de carga.- Área de transferencia.- Sistema de carga y descarga del producto.

Variables sobre el funcionamiento térmico:- Tiempo y ratio de secado.- Temperatura y humedad relativa del aire desecante.- Flujo másico de aire.- Eficiencia del secadero. [16]

3.5 Dependencia de la eficiencia con algunos parámetros.

Parámetros físicos del secadero. El tamaño del secadero, es habitualmente un índice directo de su

capacidad de secado, es decir, a la cantidad de producto que es posible secar en cada operación de carga.

Para un dispositivo concreto, la capacidad de secado varía con el tipo de producto, cantidad de humedad

que hay que extraer y tamaño de la cámara de secado.

Por otro lado, la densidad de carga determina la capacidad de un secadero para un producto específico, es

importante no sobrecargar el secadero. La experimentación para cada tipo de secadero y producto es

siempre necesaria para obtener condiciones óptimas sobre estos aspectos.

Temperatura y humedad relativa del aire desecante. Incrementos de la temperatura del aire provocan un

aumento en la capacidad de secado en dos sentidos. Por un lado, el aire presenta una mayor capacidad

para extraer la humedad del producto y por otro lado, al calentar más el producto se aumenta su presión de

vapor. Sin embargo, existe una limitación en el aumento de la temperatura correspondiente al aumento de

pérdidas de calor en el sistema. En lo que respecta a la humedad relativa, la capacidad desecante del aire

puede aumentarse mediante la deshumidificación o el calentamiento de este.

Caudal másico. Con el aumento del flujo del aire disminuye la temperatura interior de proceso, sin embargo,

la eficiencia del secado puede verse afectada negativamente debido a la posibilidad de que el aire no esté el

tiempo suficiente en contacto con el producto para provocar la desecación. Por otro lado, un flujo de aire

insuficiente generalmente produce un aumento de la temperatura del mismo, pero da lugar a una extracción

de la humedad más lenta.[17]

El secado térmico, sistema más habitual y utilizado de secado de subproductos, es un proceso simultáneo

de transferencia de masa y energía en el que se produce básicamente (figura 4):

Transferencia de calor, desde el agente desecante al producto. Transferencia de masa, encargada de llevar

la humedad del interior del producto hacia la superficie y de la superficie al aire de los alrededores.

Pero además de estos dos procesos simultáneos existe otra complicación: las condiciones físicas del

producto se modifican en el transcurso de la extracción de humedad. Así, cuando la humedad se

encuentra en la superficie sólo se necesita para el secado la evaporación superficial. Sin embargo, cuando

la humedad se halla en el interior, el secado está influido por el movimiento de la humedad en la materia,

que es consecuencia de fenómenos como la capilaridad, la difusión del vapor y el flujo de moléculas.

Figura 3.5: Transferencia de calor y masa en el secado.

En general, los principales objetivos que se suelen perseguir en las operaciones de secado pueden

agruparse en los siguientes:

• Facilitar un proceso industrial posterior.

• Conseguir la utilización satisfactoria, final o intermedia, de un determinado producto.

• Posibilitar la conservación, almacenamiento y transporte de un material.

• Mejorar el rendimiento de una instalación o equipo.

• Reducir costes (almacenamiento, transporte, conservación, disminución con- sumo combustible,

etc.).

• Permitir el posterior aprovechamiento de subproductos.

• Y obtener mejoras medioambientales directas e indirectas.

En particular, en lo que se refiere a la utilización de biomasa con fines energéticos, el secado es el pre

tratamiento más importante. Existen diversas razones por las que es necesario realizar un pre tratamiento de

secado antes de la utilización energética (combustión) de subproductos, destacándose:

• El aumento de la eficiencia del proceso y disminución de tamaño de los equipos (Liang estudió el efecto del

contenido de humedad de la biomasa en el rendimiento y tamaño de las calderas, concluyendo que la

utilización de combustibles con humedades entre 35 y 70 % (base húmeda) hacen variar la eficiencia del

equipo entre un 75 y un 50 %, respectivamente, y que el tamaño de los equipos necesarios con la utilización de

combustible seco puede variar entre 1,2 y 2,2 veces).

• La disminución de requerimiento de energías auxiliares.

• El descenso en consumo de combustible.

• El incremento de la producción de fluido caliente.

• La mejora del funcionamiento del generador de vapor o de agua caliente.

• Y la reducción de las emisiones a la atmósfera.

3.5.1 Contenido de humedad.

El factor de mayor influencia en la cinética de secado, que afecta en general a todos los ratios de

secado, es el contenido de humedad del material. Existen diferentes métodos para medir el contenido

de humedad de un producto. Los métodos indirectos utilizan la dependencia de una propiedad del

producto (p.ej. conductividad eléctrica) con el contenido de humedad, consiguiendo una medición

rápida pero que requiere de un equipo muy especializado. La determinación directa del contenido de

humedad implica medir la masa de producto y la masa seca correspondiente al eliminar el agua

evaporable contenida en él, aplicando calor a una temperatura generalmente de 104 °F hasta llegar a

un peso constante de la muestra. Este método, aunque es el más utilizado, presenta como principal

inconveniente el que al evaporar el agua se pueden eliminar, al mismo tiempo, otras sustancias del

producto (volátiles) lo cual puede suponer errores en la obtención de dicha variable. La cantidad de

humedad presente en un material puede ser expresada en base húmeda o en base seca, e indicada

como decimal o porcentaje.

El contenido de humedad en base húmeda, definido como el peso del agua presente en el producto

por unidad de peso del material sin secar, viene dado por la ecuación. De igual manera, el contenido

de humedad en base seca, definido como el peso del agua presente en el producto por unidad de peso

del material seco.[18]

Donde Mub es la humedad en base húmeda,(kg agua/ kg de producto húmedo), Mdb es la humedad en

base seca (kg de agua / kg de producto seco), Wo es el peso inicial del material sin secar (kg) y Wd es el

peso de la materia seca en el producto (kg).

Habitualmente en ingeniería y, más concretamente, en ensayos de secado, donde el producto se va

pesando de forma regular disponiendo de un registro de pérdida de peso, el contenido en humedad

instantáneo para cualquier tiempo w, en base húmeda o seca, se obtiene respectivamente mediante las

expresiones:

Siendo Mo el contenido de humedad inicial en base húmeda o seca (dec.) y representado Wt el peso

del material en el tiempo t (kg).

Por otro lado, las isotermas de sorción son importantes en el análisis del comportamiento en el secado

de los materiales. Aportan información sobre los contenidos de humedad que deben alcanzarse a fin

de conseguir una actividad adecuada para la conservación, almacenamiento, etc. de los productos, y

además, permiten conocer cuál es el contenido de humedad mínimo que puede lograrse en un proceso

donde el material se expone a una corriente de aire con una temperatura y humedad relativa

determinada (Fig. 5).

Como ejemplo, se muestra el efecto que usualmente tiene la temperatura en las isotermas de sorción,

de manera que conforme aumenta la temperatura a una determinada humedad relativa, disminuye el

contenido de humedad de equilibrio. Varios autores han presentado para diferentes productos estas

relaciones con la

temperatura.[19]

3.5.2 Ratio de humedad.

El ratio de humedad, M R, se expresa generalmente según la ecuación:

Donde MR es el ratio de humedad (%), Mt el contenido de humedad en cada instante (kg), Mo el

contenido de humedad inicial (kg), y Me el contenido de humedad en equilibrio (kg).

Sin embargo, es habitual en las aplicaciones de secado despreciar el contenido de humedad de

equilibrio, ya que la humedad relativa del aire fluctúa continuamente durante el proceso siendo Me un

parámetro difícil de determinar. De esta manera, el ratio de humedad que se utiliza comúnmente es el

dado en la expresión

FIG.3.6 ISOTERMAS DE SORCIÓN A DIFERENTES TEMPERATURAS

Como ya se ha indicado, cuando el material que debe secarse se pesa a intervalos predefinidos, puede

trazarse la curva del contenido en humedad frente al tiempo de secado. Al diferenciar la curva anterior,

se obtiene una información muy importante de la cinética de secado.[20] La velocidad de secado en

función del tiempo de operación o ratio de secado, DR. El ratio o velocidad de secado puede expresarse

como se indica en la ecuación:

Siendo dt, la variación del tiempo (h), y DR el ratio de secado (kg agua / kg seco) / h

3.5.3 Propiedades psicométricas.

Los procesos de secado dependen en gran medida de los cambios que se producen en las

propiedades del agente desecante, generalmente aire húmedo (mezcla de aire seco y vapor de agua),

cuya información se encuentra organizada en las conocidas cartas psicométricas (figura 6):

|

3.5.4 Presión de saturación.

La presión de saturación del vapor de agua es una variable básica en los cálculos psicométricos. Existen varias

expresiones con diferentes rangos de temperatura que buscan las más adecuadas y exactas relaciones:

3.5.5 Humedad absoluta.

FIGURA 3.7 : CARTA PSICOMÉTRICA

La humedad absoluta, denominada también humedad específica o relación de humedad, es la masa

de vapor de agua por unidad de masa de aire seco y se puede expresar según la expresión, o en

función de las presiones, según la ecuación:

3.5.6 Temperatura de rocío.

Para cada composición del aire húmedo, si se mantiene constante la presión parcial de vapor, se

llega a una temperatura en la que se produce la saturación del vapor de agua, denominándose a este

valor temperatura de rocío, Tpr. Se puede determinar utilizando ábacos psicométricos a la actual

presión de vapor (Pv). Sin embargo, para un cálculo matemático más sistemático, necesario para la

implementación de programas por ordenador, se puede utilizar el método sugerido por Mittal y

Zhang. [21] Definido el parámetro B según es posible obtener la temperatura de rocío mediante las

ecuaciones:

3.5.7 Entalpía.

La entalpía del aire seco, has, teniendo en cuenta que la presión se puede considerar constante y el

origen de referencia en 0 °F, viene dada por la ecuación. La expresión de la entalpía para el vapor de

agua, hv, para la misma temperatura de referencia, tiene la forma dada:

3.5.8 Volumen específico.

Se define el volumen específico del aire húmedo como el volumen ocupado por el aire húmedo por

kilogramo de aire seco.

De esta forma, mediante el uso de captadores solares de aire en los sistemas de secado solar, se

consigue aumentar la capacidad desecante del aire, mejorando la eficiencia del proceso (Fig. 7).

3.5.9 Propiedades físicas del aire húmedo.

FIGURA 3.8. Temperatura vs ratio de humedad

El comportamiento del aire húmedo no es constante con la temperatura. A continuación se presenta

la dependencia de sus principales propiedades físicas con la temperatura

3.5.10 Consumo energético en la eliminación de humedad.

La cantidad de agua a eliminar de una sustancia en un tiempo W (K) en un proceso de secado, para

pasar de una humedad P1 a otra P2 (en base húmeda o seca) se puede obtener a partir de las

expresiones dadas en la ecuación

3.5.11 Eficiencia del secado.

Existen diferentes ratios para evaluar las prestaciones energéticas de un proceso de secado. Uno

de los más importantes puede ser el consumo energético unitario, CEU, definido como la cantidad

de energía suministrada por cantidad de agua evaporada.[23]

Donde ε tes la eficiencia de secado en términos de temperatura (%). T1 es la temperatura del aire a la

entrada del secadero (°C), T2 es la temperatura del aire a la salida del secadero (°C), Ta es la

temperatura del aire ambiente (°C).

2. JUSTIFICACIÓN

Tecnológica

La importancia radica en el aporte al desarrollar máquinas capaces de procesar e industrializar la stevia. La

necesidad de contar con equipos de alta eficiencia energética, así como la de satisfacer las crecientes

exigencias de calidad de los consumidores, han impulsado a los fabricantes de equipos de secado a

desarrollar y comercializar nuevos sistemas de secado.

Las tecnologías de deshidratación desarrolladas, están destinadas a obtener un nuevo tipo de producto

seco, dirigido a otro mercado. Sin embargo en nuestro país no existe aún un secadero que me permita

procesar con rangos óptimos de operación la planta stevia.

Económica

La finalidad de la evaluación económica es la de suministrar suficientes elementos de juicio sobre los costos

y beneficios del proyecto, para que se pueda establecer la conveniencia al uso propuesto de los recursos

económicos que se solicitan.

Por ejemplo, entendiéndose que 11.500 kg hoja de coca, se cotiza en el mercado negro a 40 dólares y

11.500 kg de stevia se cotiza a 149.50 nuevos soles (52 dólares), se convierte en un producto lícito mucho

más rentable que la hoja de coca.

Social

Docenas de estudios de investigación han demostrado que la Stevia es un producto seguro para uso

humano y se utiliza actualmente como substituto del azúcar y de edulcorantes artificiales. La Seguridad de

la Stevia Un argumento en favor de la seguridad de la Stevia lo constituyen más de 25 años de utilización en

distintos países. Durante los últimos 25 años no se han registrado casos de toxicidad hacia personas ni

existen informes de daños a la salud causados por Stevia

Conocidos los beneficios de la Stevia Rebaudiana esperamos con este proyecto encontrar formas eficientes

de procesarla de tal manera que resulte accesible para la gran mayoría y así mejorar nivel de vida de

nuestra población.

La investigación médica también ha mostrado las ventajas posibles de stevia en el trato de la obesidad y la

hipertensión. Como stevia tiene un efecto insignificante sobre la glucosa de sangre, esto es atractivo como

un edulcorante natural para las personas que quieren mantener dietas controladas por carbohidrato. Sin

embargo, la salud y controversias políticas han limitado la disponibilidad del Stevia's en muchos países; por

ejemplo, los Estados Unidos lo prohibieron en los años 1990 al menos que venga etiquetado como un

suplemento. Stevia es ampliamente usado como un endulzante en Japón, y está ahora disponible en

Canadá como un suplemento dietético.

La importancia de la stevia como una planta antiácida, endulzante natural libre de calorías, antibacteriana

bucal, antidiabética, cardiotónica, digestiva, diurética, edulcorante, hipoglucemiante, hipotensora,

mejoradora del metabolismo y vasodilatadora. Asimismo, no tiene calorías y tiene efectos beneficiosos en la

absorción de la grasa y el control de la presión arterial. Contiene carbohidratos, proteínas, vitaminas y

minerales.

Según un informe del Instituto Internacional de Diabetes publicado el Helsinki (Finlandia), 135 millones de

personas sufren de diabetes en todo el mundo y se espera que para el año 2025 la cantidad de pacientes

de esta enfermedad sea de 300 millones. Por lo anterior, es sumamente importante el consumo del producto

en países desarrollados de Europa y en Estados Unidos, considerados sus mercados naturales.

Stevia llamó la atención con la creciente demanda de alimentos bajos en carbohidratos y bajos de azúcar en

la alimentación alternativa. La investigación médica también ha demostrado los posibles beneficios de la

Stevia en el tratamiento de la obesidad y la hipertensión arterial porque tiene un efecto insignificante en la

glucosa en la sangre, es atractivo como un edulcorante natural para las personas con dietas en

carbohidratos controlados.

Ambiental

Este proyecto pretende desarrollar un método eficiente de procesamiento de la Stevia Rebaudiana que la

contaminación se reduzca al mínimo y sea una alternativa amigable con el medio ambiente a comparación con

los métodos de obtención del azúcar, ya que estos suelen ser demasiado contaminantes.

3. OBJETIVOS.

3.1. Objetivo general

Obtener rangos de funcionamiento de los pa rámetros de operación de un secador solar híbrido para

el procesamiento de hoja de Stevia Rebaudiana.

3.2. Objetivos específicos

a. Establecer la metodología básica de procesamiento que incluya: secado, molienda y empaque de

un té edulcorante natural, aprovechando el esteviósido.

b. Establecer velocidades óptimas de un ventilador - secador para una eficiencia máxima de secado.

c. Establecer la relación óptima flujo másico de aire / flujo másico de hojas de Stevia para una

eficiencia máxima de secado.

4. ENUNCIADO DEL PROBLEMA:

¿Cómo influyen los parámetros de operación en la eficiencia de un secadero solar híbrido para el

procesamiento de hoja de Stevia Rebaudiana?

5. HIPÓTESIS:

los parámetros de operación influyen , pues mediante el trabajo efectivo en un rango de flujo másico (de

aire por stevia) o rpm del ventilador, involucrando óptimos valores en los indicadores como temperatura y

humedad relativa; nos facilita la obtención de un alto rendimiento o eficiencia de la máquina secadora;

.

6. MATERIALES Y MÉTODOS

Equipos y materiales

Secador solar Híbrido, el cual es un secadero Solar Híbrido para residuos biomásicos diseñado en

la Escuela de Ingenierías Industriales, construido por la Dra. Irene Montero Puertas,

Motor eléctrico Ingersoll Rand de 200 HP.

Ventilador –Extractor para forzar la circulación del aire.

Chimenea acoplada a la cámara de secado.

Lámparas infrarrojas

Regulador de inclinación del colector.

Sistema de aporte energético suplementarios con resistencias eléctricas.

Pinza Amperimétrica

Megómetro

Voltímetro

Vibrómetro

Tacómetro.

Horómetro

Pirómetro.

Cronómetro.

Computadora portátil.

Herramientas de taller.

Útiles de escritorio.

Bibliografía

Servicios terceros

Instrumentos:

a. Tacómetro Eléctrico.

b. Dinamómetro

c. Flujómetros

d. Manómetros

e. Termómetros

f. Cronómetros.

g. Medidor de Vibraciones.

h. Lubricantes y otros.

i. Computadora y bibliografía clasificada.

Metodología

El presente trabajo de investigación empleará el método analítico – experimental, que presupone la

construcción de un prototipo de secador solar, su cálculo analítico, su experimentación, registro de datos,

elaboración de las curvas características, interpretación, discusión de resultados y las recomendaciones

técnico – económicas.

Los pasos a seguir se detallan a continuación:

a. Modelado, diseño y construcción de prototipo de secador solar híbrido

Se busca diseñar, determinar los requerimientos para que al final se construya el prototipo, luego se

procede a calcular los factores de seguridad y deformaciones del sistema mecánico vía simulación en

software de diseño comercial. El tipo de secadero, sus posibilidades de operación, los materiales de

cada componente, etc. son aspectos importantes a considerar en el diseño de los dispositivos de

secado.

b. Observación y Cálculo Analítico

Se realiza la observación y la toma de datos de los parámetros en estudio, tanto estructural como de

operación.

i. Ensayos Preliminares.

Para el desarrollo de las pruebas experimentales, se requiere el prototipo de secador solar

híbrido previamente diseñado, comprobando su correcto funcionamiento.

ii. Ensayos Principales y Definitivos.

Para la obtención de los valores de rpm y flujo másico se utilizará los instrumentos y materiales

necesarios.

d. Observación e Interpretación de los Datos.

Para la construcción de las Curvas Características los parámetros de operación, se hará el

registro de los parámetros de temperatura, humedad, potencia y flujo másico.

Modelado Matemático. Al aplicar las leyes físicas a un sistema específico, es posible desarrollar

un modelo matemático que describa al sistema. Tal sistema puede incluir parámetros

desconocidos, los cuales deben evaluarse mediante pruebas reales. Sin embargo, algunas veces

las leyes físicas que gobiernan el comportamiento de un sistema no están completamente

definidas, y la formulación de un modelo matemático puede resultar imposible. De ser así, se

puede utilizar un procedimiento de modelado experimental. En este procedimiento, se somete al

sistema a un conjunto de entrada y salida, de donde se deriva entonces el modelo matemático.

III. VARIABLES DE INVESTIGACIÓN:

VARIABLE INDEPENDIENTE (Xi)

Parámetros de Operación:

o Flujo másico de aire por flujo másico de stevia

o Rpm del ventilador

o Intensidad de corriente de resistencia

VARIABLE DEPENDIENTE (Yi)

- Eficiencia

Estos parámetros se cuantificaran con los siguientes indicadores:

P : Potencia efectiva del motor.

Hr : Humedad relativa.

Te : temperatura del producto

me: flujo másico

Problema de estudio:Optimizar los parámetros de

funcionamiento del secador solar híbrido de Hoja de Stevia

Rpm de ventilador, intensidad de corriente de resistencia y flujo másico

de aire

(Variable Independiente)

Eficiencia

(Variables Dependientes)

Variables Incontrolables

VARIABLES INCONTROLABLES: Zi

Z1 = Temperatura instantánea del medio ambiente.

Z2 = Presión barométrica instantánea del medio ambiente.

Z3 = Desgaste de las piezas móviles durante la experimentación.

IV. BIBLIOGRAFIA

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