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SECADOR SOLAR INDIRECTO PARA LA DESHIDRATACIÓN DE LOMBRICES

JUAN CAMILO BAHAMÓN ARDILA

Tesis para optar pos el título de ingeniero mecánico

GREGORIO ORLANDO PORRAS REY Dr.Sc. Profesor Asociado.

Asesor

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2007

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CONTENIDO

PAG. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….……..9 OBJETIVOS………………………………………………………………………..…10 1. MARCO TEÓRICO………………………………………………………...…….11

1.1. PROCESO DE SECADO……………………………………………..……11 1.1.1. CLASIFICACIÓN DE SECADORES……………………………….12 1.1.2. PRINCIPIOS DE SECADO…………………………………...……..12 1.1.3. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LOS SECADORES………...13 1.1.4. EQUILIBRIO DE FASES……………………………………………14 1.1.5. RATAS DE SECADO………………………………………….……..15

1.2. SECADORES SOLARES………………………………………………….16 1.2.1. SECADORES SOLARES DIRECTOS……………………..……….17 1.2.2. SECADORES SOLARES INDIRECTOS…………………..………17 1.2.3. SECADORES SOLARES MIXTOS…………………………………17

2. PRODUCTO A SECAR………………………………………………….……….18 2.1. GENERALIDADES……………………………………………..……….18

2.2. CARACTERIZACIÓN DEL PRODUCTO………………………………19 3. DISEÑO DEL COLECTOR………………………………………………...……25

3.1. TIPOS DE COLECTOR…………………………………………..……….25 3.2. CONSIDERACIONES DE DISEÑO……………………………….……..26 3.3. GEOMETRÍA Y MATERIALES…………………………………………27

4. CÁMARA DE SECADO……………………………………………………...…..31 4.1. GEOMETRÍA Y MATERIALES…………………………………………31

5. DISEÑO DE LA CHIMENEA………………………………..………………….33 5.1. GEOMETRÍA Y MATERIALES…………………………………………33

6. PRUEBAS………………………………………………………………….………41 6.1. LUGAR DE PRUEBAS……………………………………………………41 6.2. TIPO DE PRUEBAS……………………………………………………….42 6.3. EQUIPO…………………………………………………………………….43

7. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE DATOS……………………………….……..46 7.1. PRUEBA A: SECADO DE PIMENTÓN…………………………………46 7.2. PRUEBA B: SECADO DE LOMBRICES……………………………….50

8. CONCLUSIONES………………………………………………………………...53 ANEXOS……………………………………………………………………………….55 REFERENCIAS………………………………………………………………..……..64

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LISTA DE TABLAS

PAG Tabla 1. Condiciones climatológicas de Bogotá y sus alrededores………………….…26 Tabla 2. Resultados de la iteración de longitud del panel colector utilizando un largo para el colector de 2m…………………………………………………………………....28 Tabla 3. Características finales del colector……………………………………….……29 Tabla 4. Valores de DH, Re y coeficiente de perdidas para el secador……….……….36 Tabla 5. Valores de elementos que producen perdidas de presión en el fluido…….....37 Tabla 6. Resultado de la iteración para obtener la longitud de la chimenea………....39 Tabla 7. Características y ubicación de los HOBO s………………………………..….45

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LISTA DE GRÁFICAS

PAG

Gráfica1. Velocidad de alteración de los alimentos en función de wa …………..……12 Gráfica 2. Patrones de temperatura en secadores (a) secador batch (b) secador adiabático continuo de contracorriente……………………………………………...…13 Gráfica 3. Curvas de equilibrio de humedad a 25ºC para distintos materiales……..15 Gráfica 4. Curvas curves típicas de contenido de humedad y rata de secado……….16 Gráfica 5. Comparación de la variación del peso en función del tiempo para cuatro condiciones distintas de secado dentro del túnel ……………………………………...21 Gráfica 6. Comparación de la velocidad de secado en función del tiempo para cuatro condiciones distintas de secado…………………………………………………………22 Gráfica 7. Comparación de la velocidad de secado en función del peso para cuatro condiciones distintas de secado…………………………………………………………23 Gráfica 8. Intensidad de luz sobre el colector en la prueba A………………….……47 Gráfica 9. Temperatura en el secador prueba A……………………………………..48 Gráfica 10. % HR en el secador prueba B……………………………………………49 Gráfica 11. Temperatura de rocío en la cámara durante la prueba A………………50 Gráfica 12. Intensidad de luz sobre el colector prueba B……………………………51 Gráfica 13. Temperatura en el secador prueba B……………………………………51 Gráfica 14. %HR en el secador prueba B…………………………………………….52

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LISTA DE FIGURAS

PAG Figura1. Tipos Lombriz roja californiana…….. …………………………………….....18 Figura 2. Túnel de secado con sus partes más importantes resaltadas……………....20 Figura 3 Pimentón después del proceso de secado en el túnel………………………....21 Figura 4. Tipos de colectores solares…………………………………………..…….….25 Figura 5. Colector…………………………………………………………………….…..30 Figura 6. Cámara de secado……………………………………………………........…..32 Figura 7. Interior de la cámara de secado con bandejas………………………….…...32 Figura 8. Esquema del colector con chimenea……………………………...……….….34 Figura 9. Chimenea………………………………………………………….……….…..38 Figura 10. Interior de la chimenea y malla de salida…………………………………..40 Figura 11. Secador solar indirecto…………………………………………………..…...41 Figura 12. S itio de pruebas………………………………………………………….…...42 Figura 13. Pimentones en la cámara de secado…………………………………………43 Figura 14. Ubicación aproximada de los sensores durante las pruebas…………….…44

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ANEXOS

PAG ANEXO A: Planos……………………………………………………………….....…….55 ANEXO B: Túnel de secado………………………….....……………………………….62

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LISTA DE SÍMBOLOS

wa : Actividad del agua HR : Humedad Relativa

utilP : Potencia útil para el colector

colectorA : Área del colector

utilE : Energía útil trasmitida al aire •

m : Flujo másico de aire que pasa por el colector T∆ : Cambio en la temperatura del aire pC : Calor especifico

0T : Temperatura inicial del aire

kE : Energía cinética del aire

0ρ : Densidad del aire a temperatura ambiente

colv : Velocidad del aire en el colector

pE : Energía potencial del aire

chimL : Altura de la chimenea

3ρ : Densidad del aire a 30ºC g : Gravedad Re : Número de Reynolds DH : Diámetro hidráulico A : Área de la sección transversal P . Perímetro mojado de la sección transversal

colk : Coeficiente de pérdidas por fricción en el colector

camk : Coeficiente de pérdidas por fricción en la cámara

chimk : Coeficiente de pérdidas por fricción en la chimenea

perdidaE : Energía perdida

elementosE : Energía perdida por elementos

friccionE . Energía perdida por fricción

camv : Velocidad del aire en la cámara

chimv . Velocidad del aire en la chimenea

colL : Longitud del colector

camL : Altura de la cámara

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RESUMEN

Este proyecto es una primera aproximación a la solución del problema del desarrollo de un secador que funcione enteramente con energía solar y que le permita al usuario secar lombrices en un tiempo más corto y cantidades mayores a las que se pueden manejar simplemente dejándolas secar directamente al sol

Con el proceso de secado no solo se quiere disminuir la velocidad de alteración y descomposición de la carne de lombriz, sino también abrirle la posibilidad al lombricultor de ingresar al mercado de la harina de lombriz.

El secador diseñado cuenta con tres partes: un colector encargado de captar la energía solar y trasmitir la al fluido de trabajo; una cámara de secado y una chimenea encargada de inducirle velocidad al aire para que así se lleve el proceso de secado.

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INTRODUCCIÓN

Una cosa sabida por muchos es que las lombrices de tierra son una fuente casi inagotable de humus, de tan buena calidad que unos pocos kilos de este y agua son capaces de devolverle la fertilidad a los suelos más áridos. Pero lo que pocos saben es que la carne de lombriz es uno de los alimentos más ricos en proteínas, de interés para la alimentación tanto de humanos como de animales.

La carne de lombriz, al igual que los otros tipos de alimentos, tiende a descomponerse muy rápido, por lo tanto es necesario disponer de ella rápidamente para evitar que se pierda el producto.

Una alternativa para alargar el tiempo de vida útil de la carne de lombriz, y de los alimento en general, es mediante un proceso de secado. Este tipo de procesos además de alargar la vida útil de la materia prima, le abre la posibilidad al lombricultor de incursionar en un mercado distinto: el de la harina de lombriz con la que se producen concentrados para distintos tipos de animales, principalmente peces.

El mayor problema surge al ver que la lombriz está compuesta principalmente agua, por lo tanto para conseguir las cantidades necesarias para hacer del negocio de la harina un negocio rentable, se necesitan grandes cantidades de lombrices frescas y de energía para poder secarlas.

Este proyecto esta enfocado en dar una solución al problema del secado de lombrices mediante el desarrollo de un secador que funcione enteramente con energía solar y que le permita al lombricultor acceder a un equipo eficiente y barato.

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OBJETIVOS

Objetivo general

Desarrollo de un secador solar indirecto para la deshidratación de lombrices adaptado a las condiciones de los productores en Cundinamarca.

Objetivos específicos

• Reconocimiento de las condiciones de producción de los productores

• Caracterización de las condiciones meteorológicas de la zona

• Caracterización de los productos escogidos

• Especificación de requerimientos de diseño

• Diseño del secador (conceptual y básico)

• Especificación de detalle del secador

• Construcción y puesta a punto del prototipo

• Evaluación del prototipo

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1. MARCO TEÓRICO

1.1 Proceso de secado

Se entiende como “proceso de secado” a toda la familia de procesos en los que se remueve, de un sólido, una parte relativamente pequeña de agua o cualquier otro líquido. Estos procesos de secado se realizan hasta disminuir la cantidad de líquido a un nivel aceptablemente bajo y generalmente son el paso final de una serie de operaciones anteriores, dejando al producto listo para ser empacado.

En el caso de los productos biológicos uno de los factores que más influye en la velocidad con la que estos se descomponen es la “actividad del agua” ( wa ), esta es una medida de la cantidad de agua libre presente en el producto que es la que finalmente es aprovechada por los microorganismos en los procesos de alteración y descomposición. El valor de la actividad del agua es la presión de vapor del producto (sólido+agua) dividida entre la presión de vapor del agua pura a las misma condiciones de presión total y temperatura. Este valor es encuentra en una escala de 0 a 1 que le asigna 0 a los sólidos completamente secos y 1 a los sólidos con la mayor disponibilidad de agua libre.

La humedad dentro del producto no solo ocasiona el ataque de microorganismo y hongos, sino que también, con el paso del tiempo, puede ser un factor influyente en el cambio de color y hasta sabor en el producto.

La velocidad con la que estos cambios ocurren y con la que atacan los microorganismos depende de la actividad del agua del producto, por eso al someter los productos a un proceso de secado y bajarle su actividad del agua, es posible hacer más lento y hasta detener el ataque de algunos de estos males. Esto se puede apreciar fácilmente en la gráfica.1. En esta misma gráfica también se puede ver que es muy importante que el valor final de wa luego de un proceso de secado esté entre 0.1 y 0.3 porque es en estos valores que además de reducir la velocidad de las alteraciones al mínimo, también se reduce al mínimo la oxidación de los lípidos.

Dentro de los procesos de secado existen dos grupos principales: el secado por medios mecánicos y el secado por medios térmicos (vaporización). En el primer caso se encuentran el prensado y la centrifugación, mientras en el otro grupo se encuentran todos los procesos en los cuales el medio principal para producir el efecto de pérdida de líquido es el calor.

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Como este trabajo es sobre un secador solar indirecto, el cual clasifica dentro del segundo grupo, solo se centrará la teoría expuesta en este capítulo en el funcionamiento de esta familia de procesos de secado: los térmicos.

1.1.1 Clasificación de secadores

No hay una forma sencilla de clasificar a los secadores de esta familia debido a la gran cantidad de equipos que existen, pero la clasificación más usada es la siguiente1:

• Secadores en los que el sólido esta en contacto directo con un gas caliente

• Secadores en los que el calor es trasferido al sólido no directamente sino a través de una superficie de metal con la que el sólido esta en contacto.

• Secadores en los que el calor es generado por energía dieléctrica, radiante o de microondas

Gráfica1. Velocidad de alteración de los alimentos en función de wa (CHEFTEL Jean Claude, CHEFTEL Henri, Introducción a la bioquímica y tecnología de los alimentos

Vol,I, Zaragoza: ACRIBIA, 1976. p.29

1.1.2 Patrones de temperatura

La forma en que la temperatura varía durante el proceso de secado en el secador depende tanto del material como del contenido de líquido en este. También depende de la temperatura del medio que se utilice para calentar (gas), del tiempo de secado y de la temperatura final deseable del sólido seco. Sin embargo, la forma en que la temperatura

1 Referencia 13, p774

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varía es similar entre todos los secadores. Los patrones típicos se pueden ver en la gráfica 22

1.1.3 Transferencia de calor en los secadores

Como se dijo anteriormente en este capítulo solo se va a tratar los procesos de secado que dependen únicamente de la temperatura. Estos procesos de secado son, por definición, procesos térmicos en los cuales es posible secar una gran cantidad de materia simplemente calentándola hasta llegar a temperaturas superiores a la temperatura de ebullición del líquido a la presión atmosférica del secado.

Gráfica 2. Patrones de temperatura en secadores (a) secador batch (b) secador adiabático continuo de contracorriente (McCabe W., Unit operations of chemical

engineering, McGraw Hill, p.776)

Mientras que los secadores no adiabáticos, la energía para el proceso proviene de fuentes externas (placas calientes, microondas, etc.) en los adiabáticos la energía para el proceso de secado es entregada al sólido húmedo al exponerlo a un gas sobre calentado, generalmente aire.

Para el diseño de un secador se deben tener en cuenta las siguientes condiciones3:

• El secador debe ser capaz de suministrar el calor necesario para llevar al material (sólido y líquido) hasta la temperatura de evaporación del líquido.

• Debe poder evaporar la cantidad deseada de líquido.

2 Referencia 13, p776 3 Referencia 13 Pág.,777

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• Calentar el sólido hasta la temperatura final deseada

• Calentar el gas hasta su temperatura final.

1.1.4 Equilibrio de fases

Cuando un sólido es puesto en contacto con aire cuyo contenido de humedad es menor al contenido de humedad de equilibrio entre ambos, tiende a perder humedad cediéndosela al aire hasta llegar al punto de equilibrio. Lo mismo pasa en el caso en que el contenido de humedad es mayor en el aire que en el sólido, solo que esta vez el sólido es quien gana humedad.

La forma como el sólido pierde liquido depende entre otros cosas del material: Factores como los gradientes de humedad dentro del sólido y la morfología del mismo (vasos comunicantes y capilares) son determinantes en la forma como se mueve la humedad durante el proceso de secado. Pero, además, también depende del líquido que se quiere retirar, de la temperatura del gas y tiempo de secado.

Las curvas de equilibro para sólidos húmedos, generalmente, son dadas como una relación ente la humedad relativa del gas y el contenido de humedad del sólido, este último expresado como masa de líquido por unidad de masa de sólido. Algunos ejemplos de este tipo de curvas se pueden ver en la gráfica 3.

El aire que entra a un secador contiene alguna cantidad de humedad y por lo tanto tiene una humedad relativa definida (HR). Este porcentaje de humedad contenida en el aire va a ser el factor determinante en el proceso de secado porque la humedad del sólido al final de proceso no puede ser menor que el contenido de humedad de equilibro el cual corresponde a la humedad del aire que alimenta el secador. Lo anterior quiere decir que siempre va existir una porción de líquido que va a permanecer en el sólido y no va a ser removida por el aire. A este contenido de agua en el sólido se la llama humedad de equilibrio

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Gráfica 3. Curvas de humedad de equilibrio a 25ºC para distintos materiales (McCabe W., Unit operations of chemical engineering, McGraw Hill, p.780)

1.1.5. Ratas de secado

Una vez se ha iniciado un proceso de secado, el contenido típico de humedad de un sólido húmedo tiende a decrecer de la forma en que se ve en la línea A de la gráfica 4. En esta gráfica se ve que después de un corto tiempo durante el cual el sólido se calienta hasta la temperatura de vaporización, esta adquiere un comportamiento decreciente lineal y luego tiende a hacerse casi horizontal.

La curva B es la derivada de la curva de contenido de humedad y se le conoce como rata de secado. En ella puede verse que primero, durante el calentamiento del sólido, hay un aumento en la velocidad con la que se seca. Luego, la velocidad con que el sólido se seca, se estabiliza y se comporta linealmente durante un rato. Finalmente, la velocidad decrece hasta llegar a cero. En este punto no es posible quitarle mas humedad al sólido bajo las condiciones de humedad relativa del gas que se estén trabajando.

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Gráfica 4. Curvas típicas de contenido de humedad y rata de secado. (McCabe W., Unit operations of chemical engineering, McGraw Hill, p.780)

1.2 Secadores solares

El secado solar nació como una alternativa eficiente y barata al problema del secado, principalmente de productos agrícolas, pero también aplicable a cualquier otro tipo de productos.

Los secadores solares tiene tres partes principales: un colector encargado de calentar el aire, una cámara de secado y una chimenea que hace las veces de ventilador para forzar el flujo del aire a través del secador. Estas son las parte principales, pero en algunos tipos de secadores pueden no estar presentes algunas de ellas ó incluir otras como calentadores y ventiladores alimentados por otras fuentes de energía como electricidad o combustión.

Basándose en la forma de adquisición de energía existen tres tipos de secadores:4

1. secadores solares directos

2. secadores solares indirectos

3. secadores solares mixtos

4 Referencia 15 Pág. 6-1

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1.2.1 Secadores solares directos

En este tipo de secadores, como su nombre lo indica, la radicación solar incide directamente sobre el sólido a secar, es decir, la cámara de secado hace también la función del colector.

Debido a que es necesario que la radiación llegue hasta el interior del secador, estos son fabricados en materiales transparentes que tengan alta transmitancia, es decir que dejen pasar gran parte de la radicación incidente.

1.2.2 Secadores solares indirectos

Estos secadores, a diferencia de los anteriores, no permiten que la radiación solar incida de ninguna forma sobre el producto a secar, por lo tanto la única fuente de energía para calentar el aire entra al proceso a través del colector. Uno de los factores mas importantes en este tipo de secadores es el aislamiento térmico de todo el secador, pues se debe tratar de evitar al máximo la pérdida de la energía trasmitida por el colector al fluido (aire).

Este tipo de secadores son especialmente útiles en el secado de productos que pierdan sus propiedades al ser expuestos a la radiación solar directa.5

1.2.3 Secadores solares mixtos

Como su nombre lo indica, estos secadores son la mezcla de un secador solar indirecto y un secador solar directo. Es decir, tiene dos piezas encargadas de captar la energía necesaria para realizar el proceso de secado. Por un lado, al igual que los secadores indirectos, hace un calentamiento del aire en el colector, pero también, como lo haría un secador directo, calienta directamente el producto en la cámara de secado.

5 Referencia 15 Pág. 6-1

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2. PRODUCTO A SECAR

2.1. Generalidades

Como producto principal para realizar las pruebas de secado se escogió la lombriz Roja Californiana (Eisenia Foetida). Esta variedad de lombriz es la que mas se utiliza en la lombricultura pues representa casi el 80% de la producción mundial.

Debido a sus propiedades nutricionales (muy rica en proteínas) es ampliamente utilizada en la alimentación de peces y ganado en general a los que se les da, principalmente, la lombriz cruda, aunque en algunas ocasiones también se utiliza una mezcla de harina de lombriz y concentrado6.

La lombriz roja californiana mide de 6 a 8 cm de largo, de 3 a 5 milímetros de diámetro y pesa hasta aproximadamente 1,4 gramos. Además tiene un contenido de humedad de entre 70-80%, lo que quiere decir que se necesita una gran cantidad de lombrices frescas para conseguir poca cantidad de lombriz seca (5 kg de lombriz frescas por cada kg de lombriz seca).

Figura 1. Lombriz roja californiana (Eisenia Foetida). (Tomada de http://www.manualdelombricultura.com/manual/imagenes.html)

6 Referencia 7 , Pág. 25

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Uno de los objetivos del proyecto siempre fue el diseño de un secador solar para el secado de lombrices, pero también se quiso diseñar un secador que pudiera secar cualquier tipo de producto agrícola.

Por lo tanto además de las lombrices, también se decidió realizar una prueba secando pimentón (Capsicum annuum).

Se escogió pimentón, no solo por ser un producto del que se encuentra fácilmente gran cantidad de datos sobre su secado7, sino también porque es un producto cuyo comportamiento al secado es completamente opuesto al de la lombriz: si se deja al sol el pimentón se pudre primero antes de secarse.

También se escogió el pimentón como sujeto para una segunda prueba porque el mercado de este vegetal es muy estricto en lo que se refiera a tamaño, forma y color. Es decir, solo se ponen a disposición del público los que son grandes y tienen un color rojo intenso. Los que no cumplen con estas características son prácticamente botados a la basura o vendidos a un precio muy bajo.

Al igual que la lombriz, la mayor parte del peso del pimentón es agua (relación entre masa de agua y masa de producto seco entre 9 y 12), por lo tanto también se requieren grandes cantidades de pimentón fresco para obtener pequeñas cantidades de pimentón seco utilizado en la fabricación de condimentos entre los que se encuentra la páprika.

2.2 Caracterización del producto

Para conocer un poco mejor el comportamiento de los productos bajo diferentes regimenes de secado se diseñó un pequeño túnel de secado.

El túnel consta de cuatro partes principales:

• Secador de cabello Oster® de 1500W, dos velocidades y 4 temperaturas.

• Banco de rectificadores de flujo

• Porta-muestras

• Mariposa para regular el flujo de aire

Se realizaron cuatro pruebas utilizando como material pimentón. En estas pruebas se varió la velocidad, la temperatura (HR) del aire dentro del túnel, pero las condiciones del aire externo permanecieron casi iguales (25ºC y 52.1%HR) pues las pruebas se hicieron a la misma hora durante cuatro días seguidos que presentaron condiciones casi iguales de tiempo. Estas pruebas se realizaron en el laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad de Los Andes.

7 Referencia 11

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Los datos se tomaron con el secador de cabello en marcha y en un punto anterior al porta-muestras (ver figura). Las mediciones de temperatura, RH y velocidad del aire se hicieron con un anemómetro de hilo caliente Tri-Sense® modelo 37000-95 y las mediciones de variación en el peso se hicieron con una balanza digital Lexus®, cuya resolución era de 0.2gr, lo que explica por qué las gráficas de los resultados obtenidos (ver gráficas 5,6 y 7) presentan cambios tan bruscos.

Figura 2. Túnel de secado con sus partes más importantes resaltadas.

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Figura 3 Pimentón después del proceso de secado en el túnel.

comparación tiempo Vs peso

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300

tiempo [min]

peso

[gr]

vel prom 1.18 t 25°C 51% HR

vel prom 1.33 t 64.8°C 8.9%HRvel prom 1.33 t 70°C 8% HR

vel prom 1.33 t 97.4°C 5.1%HR

Gráfica 5. Comparación de la variación del peso en función del tiempo para cuatro condiciones distintas de secado dentro del túnel

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Como puede verse en la gráfica 5, entre menor es la temperatura y la velocidad, el tiempo en el que se llega al equilibrio de fases el proceso de secado es mayor, así como también es mayor el contenido final de agua en el pimentón.

Otra característica importante que se conoció es la variación de la velocidad de secado en el tiempo.

La velocidad de secado es la derivada de la gráfica anterior por lo tanto para hallarla se utilizó la misma serie de datos anteriores y se sacó la pendiente de la gráfica usando tres puntos experimentales. Esto se hizo con el fin de “suavizar” la gráfica, porque debido a la resolución de la balanza existían muchos picos y cambios bruscos.

comparación tiempo Vs (∆peso/∆t)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 50 100 150 200 250 300

tiempo [min]

dpes

o/dt

[gr/m

in] vel prom 1.18 t 25°C 51%

HRvel prom 1.33 t 64.8°C 8.9%HRvel prom 1.33 t 70°C 8% HR

vel prom 1.33 t 97.4°C 5.1%HR

Gráfica 6. Comparación de la velocidad de secado en función del tiempo para cuatro condiciones distintas de secado

A pesar de la gran dispersión en los datos de la gráfica 6, producto de la resolución de los elementos de medición, se puede apreciar claramente una tendencia decreciente en la velocidad de secado a medida que avanzaron las pruebas.

Como se puede ver en la gráfica 6, al comienzo del proceso las velocidades de secado son mucho más altas que las del final del proceso. Además, también se puede ver que la

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temperatura es un factor muy influyente en la velocidad de secado, pues entre más alta, mayor es la velocidad con la que se pierde agua. Esto no solo se debe a que entre mayor sea la temperatura menor será la HR, sino también porque el proceso de secado se dará no únicamente por el equilibrio de fases entre el aire y el pimentón sino también por la evaporación del agua contenida dentro del pimentón.

La disminución en la velocidad de secado se debe a que al principio del proceso el pimentón es rico en agua libre, la que es fácilmente extraíble, una vez se retira en su totalidad el agua libre solo queda dentro del pimentón agua ligada que es muy difícil de extraer.

Al final, se puede ver que tal como se esperaba, en el momento en el que el peso se estabiliza, la velocidad de secado tiende a ser 0.

comparación peso Vs ∆m/∆ t

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

020406080100

peso [gr]

∆m

/∆t [

gr/m

in]

vel prom 1.18 t 25°C 51% HRvel prom 1.33 t 64.8°C 8.9% HRvel prom 1.33 t 70°C 8% HRvel prom 1.33 t 97.4°C 5.1% HR

Gráfica 7. Comparación de la velocidad de secado en función del peso para cuatro condiciones distintas de secado.

Finalmente se quiso conocer cómo se relacionaba el peso con la velocidad de secado. Esto se puede ver en la gráfica 7, en la que se muestra como entre menor sea el peso (es decir entre mayor agua se haya perdido) también es menor la velocidad con la que se seca el pimentón.

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Este comportamiento se debe a que primero se extrae el agua libre que es la más fácil de retirar, pero a medida que transcurren las pruebas y solo va quedando agua ligada, la velocidad de secado disminuye porque este tipo de agua es mucho más difícil de retirar del pimentón.

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3. DISEÑO DEL COLECTOR

3.1 Tipos de colector.

Un colector solar es, principalmente un ducto de aire en el cual está alojado el elemento encargado de absorber la radiación solar y transmitirla al aire, generalmente este elemento es una placa metálica, aunque también se puede reemplazar por virutas también metálicas Sin importar que tipo de secador se este utilizando (mixto o indirecto) existen varios tipos de colectores que se clasifican principalmente por la ubicación de la placa colectora y por la forma como el aire pasa a través del colector.

Figura 4. Tipos de colectores solares. (Tomada de http://www.fao.org/docrep/T1838E/T1838E1J.GIF)

Algunos de estos tipos de colectores se ven restringidos en su uso. Este es el caso de colector de doble paso, el cual solo se puede utilizar en secadores que en lugar de tener una

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chimenea tengan un ventilador. Esta restricción se debe a que la velocidad que la chimenea le induce al fluido no es suficiente para que este recorra dos veces el colector.

3.2 Consideraciones de diseño.

Ya que el propósito del secador que se quiere diseñar es secar alimentos, especialmente lombrices, es necesario garantizar que la wa final del producto este en un punto en el que la mayoría de agentes nocivos para el éste sean neutralizados o por lo menos controlados.

En la gráfica 1, que muestra las velocidades de alteración para los alimentos en general, se puede ver que es necesario llevar al producto hasta un nivel de wa de aproximadamente 0.3, punto en el que estas velocidades de alteración son relativamente bajas.

También es muy importante conocer las condiciones climatológicas para las que se quiere diseñar y en las que el secador va a trabajar. En este caso se tomaron las condiciones de Bogotá porque el sito de pruebas queda muy cerca de Bogotá, específicamente en el valle del Abra en el municipio de Madrid.

condiciones climatológicas de Bogotá y sus alrededores

radiación solar 4,0-4,5 Kwh./m^2 día

velocidad del viento 1-2 m/s

humedad relativa 75-80%

dirección predominante vientos NE 60% frecuencia

temperatura 16ºC

Tabla 1. Condiciones climatológicas de Bogotá y sus alrededores (fuente: IDEAM)

Finalmente, otro parámetro que se tuvo en cuenta en el diseño del colector fue la velocidad que se desea obtener en la cámara de secado. En este caso se tomó una velocidad en cámara de 0.1m/s, pues “para tener una tasa de secado razonable, la experiencia indica velocidades de aire mínimas del orden de 0.1m/s, y no mayores a 0.4 m/s en secadores de convección natural”8. Se optó por utilizar el mínimo valor recomendado y no uno

8 Referencia 15, Pág. 8-3

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intermedio, para asegurar que sin importar que tan buenas sean las condiciones de operaciones, la velocidad en la cámara siempre se encuentre dentro del rango recomendado.

3.3 Geometría y materiales.

Con base en las condiciones planteadas en el capítulo anterior se precedió a conocer las características geométricas del colector.

El primer paso fue conocer la temperatura del aire a la salida del colector. Mediante una carta psicrométrica, ajustada a las condiciones de Bogotá, se determinó que para una humedad relativa del 30% se requiere una temperatura de 30ºC.

El segundo paso fue decidir qué tipo de colector se iba a diseñar. En este caso se optó por un colector de un solo paso, si bien no el más eficiente, el más fácil de fabricar. La eficiencia de este tipo de colectores es de aproximadamente 62% 9

Conocidos estos datos se entró en un proceso iterativo que arrojó la geometría final del colector. En este proceso se tienen tres incógnitas: el ancho, el largo y el alto del colector. Para reducir el número de variables, se decidió fijar el ancho a 1 m, medida en la que se encuentran las tejas que se utilizaron como placa colectora. El alto se fijó, por conveniencia, a 0.15 m para hacer el dispositivo relativamente pequeño.

Utilizando la ecuación de Continuidad se encontró la velocidad en el colector para tener 0.1m/s en la cámara y luego se calculó el caudal y el flujo másico de aire que pasa por el colector.

En este punto empezó el proceso iterativo para encontrar la longitud del colector. Primero se encontró el área de la placa colectora. En este caso se utilizó una teja de zinc ondulada, por lo tanto el área es mayor a simplemente la base por la altura. Luego se calculó la potencia útil captada por el colector. Esto se hace mediante la siguiente ecuación

radiaciónAeficienciaP colectorutil **= [1]

Luego se calculó la energía útil trasmitida al aire

•

= mPE utilutil * [2]

Después, se calculó el aumento en la temperatura como la razón entre la energía útil y el calor especifico del aire

CpET util /=∆ [3]

9 Referencia 15 Pág. 8-4

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Finalmente se verificó qué para la longitud del panel utilizada, la temperatura de salida ( TT ∆+0 ) fuera igual a 30ºC.

En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos para un valor de longitud de panel de 2 m.

Resultados iteración longitud del panel

Velocidad colector para 0.1m/s en cámara 0,47

caudal colector (m^3/s) 0,07

•

m colector (kg/s) 0,084

área colector (m^2) 2,3

potencia útil (W) 1140,8

E útil (j/Kg) 13580,95

T∆ (ºC) 13,48

Temperatura de salida (ºC) 29,48

Tabla 2. Resultados de la iteración de longitud del panel colector utilizando un largo para el colector de 2m

Como se puede ver en la Tabla 2, la temperatura de salida no es exactamente 30ºC, pero la diferencia es aceptable si se tiene en cuenta que es la longitud en la que vienen las tejas de zinc es de 2 m, así que se decidió utilizar de todas maneras esta longitud.

Otro aspecto importante es la inclinación del colector. Los colectores solares, para asegurar que la mayor parte de la radiación solar incida sobre ellos la mayor parte del tiempo, deben tener una inclinación similar a la latitud del lugar a donde se van a utilizar. En el caso de

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Colombia, la latitud es de aproximadamente 4º latitud norte, por lo tanto se decidió que esa misma inclinación fuera la del colector.

En la siguiente tabla se muestran las medidas finales del colector:

Características colector

largo (m) ancho (m) alto(m) inclinación

2 1 0,15 4º

Tabla 3. Características finales del colector

Como materiales para la construcción del colector se escogieron:

• Carcasa: para la carcasa se escogieron dos materiales. Para la estructura se escogieron varas de sección cuadrada de 2 in de madera de pino, y para la cubierta de la carcasa, se escogieron placas de triplex de 1/8 de in de espesor.

• Cubierta: para la cubierta se escogió el plástico para invernadero (polietileno de baja densidad), el cual brinda las características deseadas: buena resistencia mecánica, es transparente y retiene el calor dentro del colector.

• Aislamiento: para el aislamiento térmico del colector se escogieron placas de poliestireno expandido (Icopor) de medio centímetro de espesor.

El colector se diseñó siguiendo el método mencionado anteriormente. Para planos del mismo ver anexo A

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Figura 5. Colector

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4. CÁMARA DE SECADO

Como se dijo anteriormente la cámara de secado es el lugar donde el aire, previamente calentado en el colector, entra en contacto con el producto y lleva a cabo el proceso de secado. Pero en no en todos los tipos de secadores solares las cámaras son iguales. En el caso del secador solar indirecto, la cámara no debe permitir que el sol irradie el producto. Es por esta razón que las cámaras deben ser de un material opaco y además, como todo el resto del secador, deben estar aisladas térmicamente para evitar la pérdida de calor.

4.1 Geometría y materiales.

La cámara de secado que se diseñé es básicamente una caja de madera con una puerta trasera y aberturas que permitan el flujo desde el colector hacia la chimenea. También cuenta con un pequeño plano inclinado en la parte frontal, para evitar la acumulación del agua Para evitar mayores perdidas de presión en el fluido se decidió que el ancho de la cámara fuera el mismo del colector (1 m) y que el alto fuera de 1 m. el largo de la cámara se tomó de 0.7 m, esto con el fin de obtener la velocidad en el aire de 0.1m/s con la que se diseñó el colector.

La cámara tiene, además, dos bandejas de 90cm x 60cm que es donde se carga el producto a secar. Estas bandejas fueron fabricadas en madera y malla metálica y su sitio en el secador es tal que queden perpendiculares a la dirección del flujo del aire.

Al igual que el colector, la cámara de secado esta construida en varas de sección cuadrada de 2 in de madera de pino, cubierta en placas de triplex de 1/8 de in de espesor y aislada con placas de poliestireno expandido (Icopor) de medio centímetro de espesor

La puerta, se diseño de manera que fuera liviana y permitiera ser utilizada fácilmente pero que asegurara que no se perdiera calor. Por eso se eligió fabricarla con dos láminas de polietileno de alta densidad negro, a las que se les agregaron laminas de Icopor de 1.5 cm de espesor.

Para planos de la cámara ver anexo A.

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Figura 6. Cámara de secado

Figura 7. Interior de la cámara de secado con bandejas

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5. DISEÑO DE LA CHIMENEA

El aire y su movimiento son muy importantes para el secado ya que este es el que remueve la humedad y aporta la energía necesaria para evaporar el agua del producto.

Existen varias formas para hacer circular el aire, las más comunes son:

• Utilizar la presión dinámica. Este tipo de sistema es muy utilizado en secadores directos.

• Usar ventiladores. Se les conoce como secadores de convección forzada

• Valerse de los gradientes térmicos, mediante el uso de chimeneas, para generar una fuerza motriz. Estos secadores son conocidos como de convección natural.

Debido a que se quería diseñar un secador que fuera completamente independiente de cualquier tipo de energía diferente a la proporcionada por el sol se decidió incorporarle una chimenea para mover el aire.

5.1 Geometría y materiales.

Al igual que para encontrar la longitud del colector, en el caso del diseño de la chimenea también se utilizo un método iterativo que permitiera hallar la longitud adecuada de esta partiendo de fijar el área de la sección transversal. Este método esta basado en uno desarrollado por el profesor Jaime Loboguerrero durante el curso de ingeniería experimental

Para determinar la sección transversal, se tomó como ancho el mismo del colector y de la cámara, esto con el fin de facilitar la manufactura y evitar pérdidas de presión en el fluido.

El método utilizado fue el siguiente:

Una vez este en funcionamiento el colector, el aire externo se va calentando entre los punto 1 y 2 (ver figura. 5). Por lo tanto la presión entre 0 y 1 debe ser sub atmosférica para obligar a que se cree una corriente entre esos dos puntos.

Cuando el aire caliente, que viene de la cámara, llena la chimenea aislada, su densidad, menor que la del aire exterior, hace que este sufra una fuerza de flotación que lo hace ascender y que es contrarestada por la fricción en las paredes.

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Ahora, usando el principio de conservación de energía y la hidrostática, hicieron las siguientes suposiciones:

• El flujo es permanente, es decir solo se va a diseñar para condición estacionaria.

• La densidad del aire caliente es constante a lo largo de la chimenea.

Una vez se tuvieron estas suposiciones fijas, ya se puedo hacer un balance de energías a lo largo de una línea de corriente que parte del punto 0 y llega al punto 4 (ver figura 7)

Figura 8. Esquema del colector con chimenea

Energía cinética

Esta energía se calculó con base en que el aire se mueve con una velocidad a lo largo de todo el colector, por lo tanto, la energía cinética para este caso esta dada por la siguiente ecuación:

colk vE 021ρ= [4]

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Donde 0ρ y colv son la densidad del aire exterior y la velocidad del aire en el colector respectivamente.

Energía potencial.

La chimenea se vale de los gradientes térmicos para inducir un flujo. Estos gradientes térmicos se ven reflejados en cambios en la densidad del aire, por lo tanto la energía potencial se expresa de la siguiente forma:

( ) gLE chimp 30 ρρ −= [5]

Donde chimL es la altura de la chimenea y 3ρ es la densidad del aire a 30ºC (temperatura a la que se logra tener una HR del 30%), pues se consideró que no hay una pérdida significativa de temperatura entre los puntos 2 y 3. durante el proceso de diseño no se realizaron ningún tipo de pruebas experimentales para verificar la validez de esta suposición, pero si se realizaron simulaciones en las que se varió la temperatura y los resultados fueron muy similares entre ellos salvo el caso en el que la temperatura 3 se tomo igual a la temperatura ambiente.

Energía perdida por elementos y fricción.

Debido a que el aire que viene de la cámara tiene menor densidad que el aire en el exterior, el aire menos denso es afectado por una fuerza que lo hace ascender y que es contrarestada por la fricción en las paredes tanto de la chimenea como del colector y de la cámara de secado.

Esta fricción que se genera por el movimiento del aire produce pérdidas de presión, por lo tanto es necesario conocer el valor del coeficiente de pérdidas para cada parte del secador.

Los coeficientes son función del número de Reynolds (Re), el cual para este caso se calculó con el diámetro hidráulico de la sección rectangular del secador (colector, cámara y chimenea). A continuación se muestran las ecuaciones utilizadas para calcular estos coeficientes y en la tabla 4 se encuentran los valores de diámetro hidráulico (DH), Re, y coeficiente de fricción para cada parte del secador.

Debido a que la sección transversal del secador no es circular, es necesario calcular el diámetro hidráulico para luego calcular Re y así poder calcular el coeficiente de pérdidas por fricción.

PA

DH 4= [6]

Donde A y P son el área de la sección transversal y el perímetro mojado respectivamente.

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Una vez se conoce DH para cada parte del secador, ya se puede calcular el valor del coeficiente de pérdida por fricción.

Para calcular este coeficiente se utilizó la siguiente ecuación10

25.0Re316.0

=K [7]

Es importante resaltar que la ecuación solo se puede aplicar para “el caso de ductos rectangulares, y para valores de RE entre 2000 y 100000”11

También existen factores, distintos a la simple fricción de este con las paredes del secador, que producen pérdidas en la presión del aire. En la tabla 5 se nombran estos elementos y se indica en que parte del secador se encuentra cada uno de ellos.

DH (m) Re símbolo valor K fricción

colector 0,26 11757,71 colk 0,03

cámara 0,82 4949,94 camk 0,04

chimenea 0,57 3434,65 chimk 0,04

Tabla 4. Valores de DH, Re y coeficiente de perdidas para el secador

Una vez establecidos los valores de los coeficientes de pérdidas, se pudo conocer la energía perdida en cada parte del colector y finalmente la energía perdida en todo el sistema. Esto se hizo de la siguiente forma:

meneaperdidaChiaraperdidaCámectorperdidaColperdida EEEE ++= [8]

Donde la energía perdida para cada parte se puede expresar como la suma de la energía perdida por fricción con la energía perdida por elementos:

fricciónelementosrteperdidadPa EEE += [9]

10 Referencia 15 , Pág. 8-7 11 Referencia 15, Pág.8-7

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⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∑

=

3

1ln00 2

121

ncocol

col

colcolcolectorperdidaCol kv

DHL

kvE ρρ [10]

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∑

=

2

122 2

121

ncamncam

cam

camcamcamaraperdidaCám kv

DHL

kvE ρρ [11]

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∑

=

2

122 2

121

nchimnchim

chim

chimchimchimmeneaperdidaChi kv

DHL

kvE ρρ [12]

elemento que ocasiona la perdida símbolo

punto en el que esta el elemento

valor de K de perdida

entrada al colector 1colk entre 0 y 1 0,72

malla entrada al colector 2colk entre 0 y 1 4

entrada a la cámara (cambio dirección y ensanchamiento) 3colk 2 1,5

paso por las bandejas 1camk entre 2 y 3 5,1

entrada chimenea 2camk en 3 3

malla salida de la chimenea 1chimk en 4 4

techo y salida al flujo libre 2chimk en 4 1,3

Tabla 5. Valores de elementos que producen pérdidas de presión en el fluido (valores tomados de American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning

Engineers: “ASRAE handbook of Fundamentals” ASHRAE, Atlanta,USA ,2001)

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Balance de energía.

Una vez se conocieron las expresiones para la energía cinética, potencia y perdida, se pudo hacer el balance. Pero, debido a que en esta ecuación de balance la única incógnita es la

longitud de la chimenea ( chimL ), fue necesario iterar este valor hasta obtener una igualdad entre la energía potencial y la suma entre la energía cinética y la energía perdida.

En la tabla 6 se muestra el resultado de esta iteración para la longitud de la chimenea y para los valores obtenidos de energías.

Por lo tanto, las dimensiones finales de la chimenea son:

• Altura: 1.65 m.

• Ancho: 1 m.

• Largo: 0.4 m.

Como materiales para fabricarla, se escogieron los mismos materiales que se utilizaron en la fabricación del colector y de la cámara, y el aislamiento también se hizo con Icopor de medio centímetro de espesor.

Para planos de la chimenea ver Anexo A.

Figura 9. Chimenea

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Tabla 6. Resultado de la iteración para obtener la longitud de la chimenea.

chimL (m) 1,65

kE (kJ) 0,12

pE (kJ) 1,14

E perdidas por elementos (kJ)

colector 0,72

cámara 0,05

chimenea 0,22

E perdida por fricción (kJ)

colector 0,03

cámara 0,00

chimenea 0,01

Energía perdida total (kJ) 1,02

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Figura 10. Interior de la chimenea y malla de salida

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6. PRUEBAS

6.1 Lugar de pruebas

Como sitio de pruebas se escogió el valle del Abra, vereda que pertenece al municipio de Madrid, ubicado al noroccidente de Bogotá a 1 hora de viaje por la Autopista a Medellín.

Este lugar se escogió por su cercanía y además por ser el sitio donde se encuentra ubicado el cultivo de las lombrices que se utilizaron.

El secador fue instalado de forma que se siguieran conservando los 4º de inclinación del colector, además se ubico de la forma que permite captar la mayor cantidad de radiación, es decir con la entrada de aire del colector apuntando hacia el sur.

Figura 11. Secador solar indirecto

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Figura 12. S itio de pruebas

6.2 Tipo de pruebas

Para conocer el desempeño del secador construido se diseñaron dos pruebas:

A. Secado de pimentón

B. Secado de lombrices

Para el primer tipo de pruebas optó por utilizar lombrices ya muertas pero aun enteras. Esto se decidió al ver que los huecos de la malla de las bandejas eran lo suficientemente grandes como para permitirles a las lombrices más pequeñas moverse y pasar a través de ellas para escapar.

En esta prueba se trabajó con una cantidad relativamente pequeña de lombrices: 1 lb (0.45 kg) y para compensar esta poca cantidad de material a secar, se decidió trabajar con tiempo corto de secado: 1 día.

No se utilizo ningún método especial para obtener las lombrices, simplemente se removió y se revisó la tierra del cultivo hasta obtener la cantidad necesaria. Las lombrices que se utilizaron no pasaron por ningún proceso de selección que las discriminara por tamaño.

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Antes de pasar las lombrices al secador se sumergieron en agua para limpiarlas y luego para que se murieran fueron dejadas al sol por aproximadamente por 5 minutos

A diferencia de las lombrices, el pimentón es un producto que abunda, por lo tanto para el segundo tipo de pruebas se utilizaron tiempos de secado y cantidades del producto fresco mayores.

En este tipo de pruebas se utilizaron 4 kg de pimentón fresco y 3 días como tiempo de secado; además, en esta oportunidad el pimentón se utilizó partiéndolo por la mitad en un corte paralelo al eje de simetría (ver figura ) para así facilitar la remoción de humedad.

Figura 13. Pimentones en la cámara de secado

6.3 Equipo

Para la toma de datos se utilizaron sensores de temperatura, HR e intensidad de luz tipo HOBO marca Onset®. Se utilizaron los HOBO´s de la familia H8. En la tabla 7 se encuentran las características de los utilizados. Se tomaron datos cada 2 minutos.

El hobo del colector se ubicó en cerca de la entrada de la cámara, aproximadamente en la mitad del ancho colector. El hobo de la cámara de colocó sobre la bandeja superior también en el centro de la cámara y el hobo de la chimenea se colocó cerca de la salida de la cámara. Este se pego a una de las paredes de la chimenea. En la figura 4 se muestra la ubicación aproximada de cada sensor.

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Figura 14. Ubicación aproximada de los sensores durante las pruebas

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tipo localización mediciones características

Temperatura 253ºK(-20ºC) a 343ºK (70ºC)

rango de operación HR 0% a 95%

H08-003-02

cámara y chimenea temperatura y HR

exactitud en tiempo ±1min/semana

Temperatura 253ºK(-20ºC) a 343ºK (70ºC)

HR 0% a 95%

rango de operación

Intensidad de luz

2/2 ftlumens a 2/600 ftlumens

H08-004-02 colector

temperatura, HR e intensidad de luz

exactitud en tiempo ±1min/semana

Tabla 7. Características y ubicación de los HOBO s

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7. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE DATOS

Las pruebas se realizaron del 16 de diciembre al 19 de diciembre de 2006 en la finca “El Pinar del Abra” ubicada en el Valle del Abra.

Primero se realizó la prueba del pimentón desde el 16 a las 9:00 a.m. hasta el 18 a las 9:00 a.m.

La segunda prueba (la realizada con lombrices) se hizo inmediatamente después de la finalización de la primera, es decir, empezó el 18 a las 9:00 a.m. y terminó a las 9:00 a.m. del 19 de diciembre.

A continuación se presentan los datos obtenidos de estas pruebas.

7.1 Prueba A: secado de pimentón

Una vez se terminó la prueba se pesaron los pimentones y se pudo ver que habían perdido 1.4 kg de agua (después de la prueba pesaron 2,6 kg); pero también se pudo ver que algunos pimentones, en lugar de haberse secado, habían comenzado su proceso de descomposición. En el momento de la medición de peso no se entendieron las razones por las que esto paso, pero una vez se analizaron los datos de %HR se pudo encontrar una explicación a este fenómeno, por lo tanto esta se dará mas adelante cuando se presente esos datos.

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Intensidad de luz sobre el colector 1ª prueba

0

100

200

300

400

500

600

700

12/16/0609:00:01.0

12/16/0617:20:01.0

12/17/0601:40:01.0

12/17/0610:00:01.0

12/17/0618:20:01.0

12/18/0602:40:01.0

tiempo

inte

nsid

ad d

e lu

z ( l

umen

s/ft

2)

Gráfica 8. Intensidad de luz sobre el colector en la prueba A

Como se puede ver el la Gráfica 8 el estado del tiempo durante los días en los que se realizó esta prueba fue muy bueno, ya que se conservaron las mismas condiciones durante casi toda esta.

También puede verse que en el sitio de las pruebas, durante el desarrollo de estas, la intensidad de luz es fue alta desde las 9 a.m hasta aproximadamente las 5:20 p.m., fuera de es periodo de tiempo los niveles de intensidad de luz decayeron muy rápidamente. Lo anterior se debe a que el sitio de la prueba está ubicado en un valle, por lo tanto las montañas presentes a ambos lados de este, impiden que el Sol irradie al colector directamente durante más tiempo.

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- 48 -

temperatura para el primer día de la prueba A

0

10

20

30

40

50

60

70

12/16/0609:00:00.0

12/16/0614:00:00.0

12/16/0619:00:00.0

12/17/0600:00:00.0

12/17/0605:00:00.0 tiempo

tem

pera

tura

(ºC

) cámara (media) chimenea (entrada) colector (salida)

Gráfica 9. Temperatura en el secador prueba A

El comportamiento general de la temperatura en el secador fue más o menos como se esperaba: la temperatura en la cámara de secado fue de aproximadamente 30ºC (temperatura a la que se logra tener una humedad relativa de 30%) y no hubo una gran variación en la temperatura entre la cámara y la chimenea como se supuso al momento de diseñar la chimenea.

Como puede verse en la Gráfica 9 la temperatura en el colector fue casi el doble de lo esperado. Por lo tanto, entre el punto en el que estaba ubicado el sensor a la salida del colector y la parte media de la cámara, lugar donde estaba el otro sensor hubo una caída de casi 30ºC en la temperatura del aire. Este comportamiento se puede deber a un aislamiento deficiente en la unión de la cámara con el colector. Esta parte es especialmente difícil de aislar correctamente no solo por la geometría (el colector esta inclinado 4 grados y la cámara es vertical) sino también porque es una unión hecha con tornillos y sin ningún tipo de sellos que impidan que se escape el aire.

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%HR para el primer día de la prueba A

0

20

40

60

80

100

120

12/16/0609:00:00.0

12/16/0614:00:00.0

12/16/0619:00:00.0

12/17/0600:00:00.0

12/17/0605:00:00.0

tiempo

HR

(%)

%HR colector(salida) %HR cámara(media) %HR chimenea (entrada)

Gráfica 10. % HR en el secador prueba A

Al igual que en la temperatura, el comportamiento del porcentaje de humedad fue como se esperaba: el aire dentro de la cámara alcanzó un nivel de 30% de humedad relativa lo que permitiría un secado en el pimentón que inhibiera la descomposición. Pero como se dijo anteriormente, una vez terminada la prueba se notó que algunos pimentones se habían empezado a descomponer. Analizando los de la gráfica 10 se pudo ver que si bien durante el día se alcanzan niveles relativamente bajos de %HR, durante una parte de tarde, toda la noche y la madrugada se llegan a niveles extremadamente altos y en alguno puntos llegando hasta la condensación (ver gráfica 11).

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temperatura de rocío

05

101520253035

12/15/0609:30:00.0

12/15/0614:30:00.0

12/15/0619:30:00.0

12/16/0600:30:00.0

12/16/0605:30:00.0

tiempo

tem

pera

tura

(ºC

)punto de rocío temperatura en la cámara

Gráfica 11. Temperatura de rocío en la cámara durante la prueba A

Lo anterior explicaría por qué algunos se empezaron a podrir, ya que durante el día efectivamente eran deshidratados pero una vez empezaba a subir la humedad del aire se invertía el proceso y empezaban a ser re hidratados, acelerando así el proceso de descomposición

7.2. Prueba B: secado de lombrices

Al igual que se hizo con los pimentones, al terminar esta prueba de secado, se procedió a pesar las muestras para conocer la cantidad de agua removida en el proceso.

En esta ocasión, las lombrices estaban secas y ninguna presentaba ningún tipo de descomposición y una vez pesadas se pudo ver que habían perdido 420 g (luego de la prueba pesaron 30g)

Como se puede ver en la gráfica 12, las condiciones climáticas fueron constantes durante la prueba y además muy similares a las presentadas durante el secado del pimentón (ver gráfica 8).

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Intensidad de luz sobre el colector prueba B

0

100

200

300

400

500

600

700

12/18/0609:00:01.0

12/18/0614:00:01.0

12/18/0619:00:01.0

12/19/0600:00:01.0

12/19/0605:00:01.0

tiempo

inte

nsid

ad d

e lu

z (lu

men

s/ft

2)

Gráfica 12. Intensidad de luz sobre el colector prueba B

temperatura en el secador prueba B

0

10

20

30

40

50

60

70

12/16/0609:00:00.0

12/16/0614:00:00.0

12/16/0619:00:00.0

12/17/0600:00:00.0

12/17/0605:00:00.0

tiempo

tem

pera

tura

(ºC

)

colector (salida) cámara (media) chimenea (entrada)

Gráfica 13. Temperatura en el secador prueba B

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En la gráfica 13 se presentan los datos obtenidos de temperatura durante la prueba B. Como puede verse, el comportamiento fue muy similar al de la prueba A tanto en los valores de la cámara y la chimenea como en el valor inesperado de la temperatura del colector

%HR en el secador prueba B

0

20

40

60

80

100

120

12/18/0609:00:00.0

12/18/0614:00:00.0

12/18/0619:00:00.0

12/19/0600:00:00.0

12/19/0605:00:00.0

tiempo

HR(%

)

colector(salida cámara(media) chimenea (entrada)

Gráfica 14. %HR en el secador prueba B

En la gráfica de %HR (gráfica 14) se puede ver que el comportamiento durante el proceso sigue siendo similar al de la prueba A: se llegan a niveles relativamente bajos de HR durante el día y por la noche se satura completamente el aire. En esta gráfica y en la gráfica 13 se puede ver más claramente como el colector al ser el que menos aislamiento tiene, tiende a bajar más rápidamente su temperatura y a elevar con mayor velocidad su HR.

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CONCLUSIONES

Una vez terminado este proyecto se puede concluir que, aunque no se pudo evaluar el secador rigurosamente, se cumplieron los objetivos propuestos: diseñar y construir un secador solar indirecto para la deshidratación de productos agrícolas que estuviera adaptado a las condiciones climáticas de Cundinamarca, específicamente para las condiciones del valle del Abra.

Y además, se logro que los materiales que se utilizaron en la construcción del aparato fueran fácilmente adquiribles en cualquier sitio del departamento y hasta del país, lo cual era otro de los objetivos principales del proyecto.

A pesar de cumplirse los objetivos propuestos, esto solo fue una primera aproximación a una solución definitiva del problema de la conservación de productos agrícolas. Por lo tanto a continuación se expondrán algunos de las conclusiones más importantes obtenidas luego del análisis de datos así como también algunas sugerencias que se podrían tener en cuenta a la hora de dar el siguiente paso en este proyecto.

Luego de experimentar con el secador se puede sospechar una altísima dependencia de factores climáticos y geográficos que influyen en su correcto funcionamiento. Elementos como la localización geográfica del sitio de trabajo, periodo del año en el que se va a utilizar y las características climáticas del sitio son muy importantes a la hora de diseñar y utilizar un secador de este tipo.

Otra conclusión que se pueden sacar luego de la experimentación, es la necesidad de encontrar un método que impida la disminución de la temperatura y el aumento del %HR dentro del secador por las noches; pues como se pudo ver, estos factores, especialmente el segundo, alargan el tiempo de secado ó, en el peor de los casos, aceleran el proceso de descomposición de los productos, como fue el caso del pimentón. Para evitar que esto suceda se podría diseñar un secador híbrido, es decir uno que funcione de día con energía solar y por la noche con energía de otro tipo (energía eléctrica o u otro tipo de energía como la aportada por la quema de combustibles). Otra forma de evitar que esto suceda es acondicionarle un dispositivo que almacene energía durante el día y por la noche la entregue al secador en forma de calor, un ejemplo de este tipo de dispositivos podría ser uno que almacene energía por el cambio de fase de la sustancia de la que esta hecho (por ejemplo parafina). Una última forma de evitar que se dañen los productos es simplemente almacenarlos por la noche en un lugar seco.

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A pesar de haber obtenidos resultados datos que muestran el comportamiento del secador, la capacidad operativa real de este aun no ha sido determinada. Esto se debe, en parte, a que las pruebas no fueron concluyentes sobre este tema ya que en ellas ó el tiempo de secado planeado fue muy corto (prueba de secado de pimentón) o la cantidad de material a secar utilizada fue muy poca (prueba de secado de lombrices). Para caracterizar al secador de manera rigurosa, se debería realizar una prueba de evaporación en la que en lugar de cargar el sacador con un producto específico, este se carga con bandejas con una cantidad conocida de agua. Luego de la prueba se mide la cantidad de agua evaporada y con base a esto se puede conocer que cantidad de agua es capas de remover el secador. Es importante que la instrumentación de la prueba permita conocer la variación en la cantidad de agua durante el tiempo de la prueba. Una vez se realice esta prueba se podrá conocer realmente los limites del secador.

Gracias a la experimentación, también se pudo ver como la chimenea, es una buena opción para evitar utilizar ventiladores como método para mover el aire dentro del secador. El único problema que esta presenta es su gran tamaño (1,65m de alto) por lo que en caso de querer diseñar un secador más grande, seria necesario resolver el problema estructural que plantea utilizar una parte tan grande ó encontrar una forma alternativa que le ayude a una chimenea mas pequeña a inducir las velocidades necesarias para un adecuado proceso de secado.

Finalmente, se puede concluir concretamente sobre la posibilidad de incursionar en el marcado de la harina de lombriz. Como se pudo ver, la lombriz es un producto con un altísimo contenido de agua. Por lo tanto, para obtener cantidades industriales de harina primero se debe tener un cultivo de lombrices extremadamente grande. Además también se necesitaría encontrar una forma eficiente y rápida de seleccionar las lombrices, ya el método que se utilizó (remover el cultivo en busca de lombrices), además de ineficiente, es muy agotador. (Para obtener 1 lb. de lombrices, se tardo aproximadamente 2 horas). Debido a que el negocio por el que la lombriz es importante es la venta de humus, los lombricultores no han desarrollado aún ningún método para la selección de lombrices, ya que en caso de querer iniciar un nuevo cultivo, simplemente, toman una cantidad de tierra del cultivo viejo que contengan algunas lombrices y la ponen en el lugar del nuevo cultivo. Una vez superados estos dos problemas, la producción de harina de lombriz seria relativamente fácil y viable desde el punto de vista tecnológico.

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ANEXOS

ANEXO A

Planos

Continuación se presentan los planos del colector, la cámara de secado y la chimenea.

Solo se presentan los planos de ensamble con las medidas más importantes, pues no es relevante incluir los planos de detalle de cada una de las piezas. En estos planos todas las medidas están en centímetros y los ángulos en grados.

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ANEXO B Para la caracterización de los productos a secar se construyó un pequeño túnel de secado. A continuación se muestran algunas fotos del mismo.

Imagen B.1. Fotografía de detalle del secador y de la entrada al túnel de secado

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Imagen B.2. Fotografía de detalle del banco de rectificadores de flujo

Imagen B.3. Fotografía de detalle del porta-muestras

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Imagen B.4. Fotografía de detalle de la mariposa reguladora de flujo

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REFERENCIAS

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